岩体离散裂隙网络溶质运移数值分析

论文摘要

由于如核废料的地质贮存、垃圾填埋场造成的污水下渗、海水入侵、输油管道老化而引起的渗漏等原因,裂隙岩体地下水可能受到严重污染的威胁。这些与人类生活密切相关的环境问题迫切需要我们对裂隙介质中地下水及污染物运移的机制进行研究。裂隙岩体中溶质运移的主要路径是通过具有水力联系的裂隙网络进行的,溶质在裂隙网络中主要是在渗流和浓度梯度作用下沿裂隙迁移,从而影响地下含水介质中的水环境。在充分了解和总结国内外裂隙岩体溶质运移研究发展历史及现状的基础上,对基于离散裂隙网络模型的裂隙岩体溶质运移进行了研究。具体的研究成果主要有以下几个方面:1、详细研究了裂隙岩体溶质运移的数学模型,比较全面地总结了裂隙岩体溶质运移数学模型的特点和适用范围,并进行了认真的分析比较。2、借鉴岩体离散裂隙网络渗流理论及其数学模型的建立方法,依据裂隙网络交叉点处的质量守恒原理和立方定律,建立了离散裂隙网络溶质运移数学模型,并推导出了该模型的数值求解方法。3、基于建立的离散裂隙网络溶质运移数学模型,在教研室开发完成的岩体离散裂隙网络渗流计算程序的基础上,借助FORTRAN语言自主编写了相应的计算机模拟程序。根据岩体裂隙的走向、迹长、间距和隙宽等的统计特征,应用Monte-Carlo方法随机生成裂隙网络系统,再代入初始条件和边界条件,进行了裂隙网络渗流及溶质运移数值计算,验证了程序的可行性。4、将前面研究的理论和数学模型应用到某高坝工程中,进行了坝区岩体离散裂隙网络中溶质运移的数值模拟。用自主开发的2-D Solute Transport程序进行二维稳定和非稳定渗流作用等工况下岩体离散裂隙网络溶质运移的工程应用研究,分析的结果对该高坝工程的坝库区地下水污染治理提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 裂隙介质溶质运移研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 裂隙介质中渗流的基本理论
• 2.1 裂隙介质和裂隙网络
• 2.1.1 裂隙介质
• 2.1.2 裂隙网络
• 2.2 渗流的基本理论
• 2.2.1 达西定律
• 2.2.2 渗流的连续性方程
• 2.2.3 渗流基本微分方程
• 2.2.4 定解条件
• 2.3 单裂隙渗流
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 立方定理修正
• 2.4 岩体裂隙网络渗流
• 2.4.1 裂隙岩体渗流数学模型
• 2.4.2 数学模型分类及其适用性
• 2.5 离散裂隙网络生成
• 2.5.1 平面裂隙网络生成
• 2.5.2 空间裂隙网络生成
• 2.5.3 平面裂隙网络图生成技术
• 2.5.4 裂隙网络生成实例
• 2.6 本章小结
• 3 裂隙介质中溶质运移的基本理论
• 3.1 溶质运移的机制
• 3.1.1 对流作用
• 3.1.2 水动力弥散作用
• 3.1.3 吸附与解吸
• 3.1.4 放射性衰变
• 3.2 溶质运移方程的建立
• 3.3 单裂隙中溶质运移
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 数学模型
• 3.4 溶质运移数学模型综述
• 3.4.1 等效连续介质模型
• 3.4.2 离散裂隙网络模型
• 3.4.3 双重连续介质模型
• 3.4.4 离散裂隙网络-连续介质耦合模型
• 3.4.5 随机模型
• 3.4.6 黑箱模型
• 3.4.7 几种数学模型的比较和分析
• 3.5 溶质运移的数值模拟方法
• 3.5.1 欧拉法
• 3.5.2 拉格朗日法
• 3.5.3 混合欧拉-拉格朗日法
• 3.6 本章小结
• 4 岩体离散裂隙网络溶质运移数值分析
• 4.1 基本理论
• 4.2 二维稳定渗流作用下的溶质运移数学模型
• 4.2.1 二维稳定渗流数学模型
• 4.2.2 溶质运移数学模型
• 4.2.3 二维稳定溶质运移数值解法
• 4.2.4 程序编制步骤
• 4.3 程序验证
• 4.3.1 稳定渗流作用下的溶质运移
• 4.3.2 静水条件下的溶质运移
• 4.4 二维非稳定流作用下的溶质运移数学模型
• 4.4.1 二维非稳定渗流数学模型
• 4.4.2 二维非稳定溶质运移数值解法
• 4.4.3 程序编制框图
• 4.5 程序验证
• 4.5.1 非稳定渗流作用下的溶质运移
• 4.5.2 边界水头瞬降时的溶质运移
• 4.6 本章小结
• 5 某高坝工程坝区渗流及溶质运移数值分析
• 5.1 引言
• 5.2 坝区工程地质概况
• 5.3 计算模型及参数
• 5.4 点污染源情况
• 5.4.1 稳定渗流时的溶质运移
• 5.4.2 静水条件下的溶质运移
• 5.4.3 非稳定渗流时的溶质运移
• 5.4.4 边界水头瞬降时的溶质运移
• 5.5 面污染源情况
• 5.5.1 稳定渗流时的溶质运移
• 5.5.2 非稳定渗流时的溶质运移
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 1、攻读硕士学位期间撰写和发表的论文
• 2、攻读硕士学位期间参加的课题
• 3、参加学术会议情况