矿山边坡裂隙岩体和排土场地下水流数值模拟研究

论文题目: 矿山边坡裂隙岩体和排土场地下水流数值模拟研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 水文学及水资源

作者: 周玉新

导师: 周志芳

关键词: 矿山边坡裂隙岩体,排土场,地下水流,单元等效渗透系数张量,降雨汇流,饱和非饱和

文献来源: 河海大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在分析和评述裂隙岩体和排土场地下水运动研究现状的的基础上,针对矿山边坡裂隙岩体和排土场的具体介质特征和水文地质特征,提出有针对性的研究思路和方法,采用数值模拟方法对矿山边坡裂隙岩体和排土场地下水流特征进行研究,主要工作包括: (1) 分析矿山岩体边坡的裂隙发育特征、岩体结构及其力学特征和水文地质边界条件,以及开挖卸载条件下裂隙法向变形性质,对应力作用下的矿山边坡裂隙岩体地下水流特征进行了分析研究。结果表明,考虑自重和开挖应力共同作用,即动态地根据边坡岩体的渗透参数的实际变化,进行矿山开采到某一开采水平或最终坑底时边坡地下水分布的预测分析,对边坡的稳定性有利;同等条件下,应力作用对于矿山边坡裂隙岩体地下水分布的影响比一般工程岩体边坡大。 (2) 从单个裂隙的角度出发,根据流量等效原则和有限元法思想,研究单个裂隙对岩体局部渗流行为的影响,即研究单个裂隙对单元渗透系数张量的影响,提出了基于单个裂隙的单元等效渗透系数张量计算公式,为采用较为成熟的连续介质模型计算方法来解决离散网络模型和离散介质-连续介质耦合模型地下水运动问题提供了有效的理论工具。算例模拟了矿山岩体边坡主干裂隙的导水作用,计算结果合理,克服了离散介质-连续介质耦合模型数学处理不易,二者之间水交换量难以确定的问题。 (3) 根据单个裂隙的单元等效渗透系数张量的表达式,提出基于三维随机裂隙网络的裂隙岩体地下水运动随机性有限元分析方法,算例分析表明,基于单元等效渗透系数张量,采用基于三维随机裂隙网络的裂隙岩体地下水运动随机性有限元分析方法分析三维随机裂隙网络地下水运动,反映了矿山边坡裂隙岩体地下水的随机性分布,克服了离散网络模型裂隙数量较多,模型规模庞大难以求解的问题。 (4) 评述岩体目前裂隙产状分析的方法,分析了两种裂隙模糊聚类方法即模糊等价聚类方法和模糊软划分聚类方法在岩体裂隙产状分析中的优缺点,将上述两种方法结合起来形成岩体结构面产状的综合模糊聚类分析方法,并给出具体的计算方法和过程及算例。论述裂隙岩体渗透系数张量和裂隙等效水力宽度的确定方法及数值反演模型,实数编码遗传算法反演裂隙岩体渗透系数张量和裂隙等效水力宽度的主要过程和算例。在裂隙参数分析基础上,实际计算分析应力作用下朱家包包铁矿南帮边坡裂隙岩体地下水流特征,并分析其对边坡稳定性的影响,结果表明,考虑开挖应力作用对矿山边坡裂隙岩体地下水分布的影响,边坡稳定性较不考虑开挖应力作用有较为明显的提高。 (5) 进行排土场水文地质分类和相应的地下水补给、迳流和排泄条件的分析,通过排土场降雨和地下水排泄实测数据的相关性分析,排土场降雨入渗和排泄过程的理想化概念模型,分析了排土场地下水运动特征,在此基础上,根据排土场水文地质边界条件和降雨汇流特征,提出适用性较为广泛的降雨汇流排土场饱和地下水运动分析有限元方法,实例计算结果浸润线较低,比较平缓,与实际情况相符。在降雨汇流排土场饱和地下水运动分析有限元方法的基础上,以非线性渗流的普遍表达式描述排土场饱和地下水的运动规律,并以此运动规律建立排土场饱和地下水运动的数学模型,实例计算结果表明,应用非线性渗流来计算降

论文目录:

前言

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 裂隙岩体地下水运动研究概况

1.2.1 裂隙几何和渗流特征的研究

1.2.2 裂隙岩体地下水运动研究

1.3 排土场地下水运动研究概况

1.4 本文主要研究工作和创新点

第二章 矿山边坡裂隙岩体地下水流特征数值模拟

2.1 应力作用下矿山边坡裂隙岩体地下水流特征

2.1.1 矿山岩体边坡的裂隙发育特征

2.1.2 矿山岩体边坡的岩体结构和力学特征

2.1.3 矿山岩体边坡水文地质边界条件

2.1.4 裂隙岩体弹塑性基本方程

2.1.5 应力作用下单裂隙力学特性

2.1.6 开挖卸载条件下矿山边坡岩体裂隙法向变形胜质

2.1.7 应力作用下矿山边坡裂隙岩体地下水分布的有限元求解

2.1.8 算例分析

2.2 矿山边坡裂隙岩体地下水运动随机性特征

2.2.1 等效连续介质的渗透系数张量

2.2.2 基于单个裂隙的单元等效渗透系数张量

2.2.3 矿山边坡裂隙岩体地下水运动随机性有限元分析

2.3 本章小结

第三章 裂隙参数的确定与矿山边坡裂隙岩体地下水实例分析

3.1 裂隙几何参数的确定

3.1.1 裂隙产状的综合模糊聚类分析

3.1.2 裂隙岩体渗透系数张量及裂隙等效水力宽度的实数编码遗传反演

3.2 裂隙力学参数的确定

3.3 矿山边坡裂隙岩体地下水实例分析

3.3.1 矿区基本水文气象条件和地下水补给及运动规律

3.3.2 南帮边坡工程地质岩组和结构面

3.3.3 南帮边坡含水层

3.3.4 南帮边坡裂隙岩体地下水运动分析

3.3.5 南帮边坡裂隙岩体地下水对边坡稳定性的影响分析

3.4 本章小结

第四章 矿山排土场地下水流特征数值模拟

4.1 降雨汇流排土场饱和地下水流数值分析

4.1.1 排土场的水文地质分类和补、迳、排条件

4.1.2 排土场降雨和地下水排泄的相关性分析

4.1.3 排土场降雨入渗和地下水排泄的概念模型

4.1.4 降雨汇流排土场饱和地下水运动分析有限元方法

4.1.5 降雨汇流排土场饱和地下水非线性渗流数值分析

4.2 降雨条件下排土场饱和 - 非饱和水流数值分析

4.2.1 排土场结构特征

4.2.2 排土场沉降变形特性和岩土水力参数动态变化预测方法

4.2.3 排土场水文地质结构特征

4.2.4 排土场降雨入渗饱和 - 非饱和水流数值模拟

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 研究工作总结

5.2 论文创新

5.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参与的主要科研项目

攻读博士学位期间获奖情况

致谢

发布时间: 2006-01-16

参考文献

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