COMPOSITE ELEMENT MODEL FOR ROCK MASS SEEPAGE FLOW

In this paper, the algorithm developed on the concept of the Composite Element Method （CEM） is proposed for the seepage flow in discontinuous rock masses, The basic idea is that if an element contains one or more discontinuity segments, it will be denoted as a composite element having a set of hydraulic potential values defined at its nodes. By the variation principle, the governing equation can be established to solve the unknown hydraulic potential values at the composite element nodes. The main advantage of the proposed model is that the generation of calculation mesh will not be restricted strongly by the number, the position and the orientation of the discontinuities, A numerical example is presented at the end of the paper, to show the validity of the proposed model.

含复杂裂隙网络岩体渗流特性研究的复合单元法

研究含复杂裂隙网络岩体渗流特性的复合单元法,该方法首先利用蒙特卡罗方法随机生成符合给定概率分布特征的复杂裂隙网络;然后通过交切和拓扑运算将各裂隙段置于常规有限单元内部,形成内含由多个裂隙段分划而成的子单元的复合单元,根据推导的公式计算渗流场进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下几个主要特点:(1)可与传统的有限元法融合;(2)可考虑每条裂隙的具体位置、产状、开度、长度和渗透性质;(3)可考虑岩石的渗透性及其与裂隙间的流量交换;(4)可计入不连通裂隙对渗流场的影响;(5)复合单元的拓扑信息由裂隙网络与常规有限单元边界的交切及其单元内部裂隙段的相互交切而生成,由于先没有考虑裂隙,故复合单元前处理简单。用复合单元法分析含复杂裂隙网络岩体的渗流行为及其渗流特性是一种新的数值模拟手段。算例分析表明该方法的可行性和有效性。

渗流分析中排水孔和不连续面模拟的复合单元法

基于变分原理,研究渗流分析中模拟排水孔和不连续面的复合单元法。该方法将不连续面隐含于复合单元之中,并根据其切割情况将该岩体单元划分为若干个岩块子单元,同时视排水孔为强渗透介质,并将其作为“空气子单元”置于复合单元内部,但排水孔和不连续面无需在计算网格中绘出。复合单元法可以方便地处理排水孔穿越不连续面的情形,并且计算网格可以不受不连续面和排水孔的数量和位置的影响。如果计算域中不含排水孔和不连续面,复合单元法将自动退化为常规的有限单元法。该方法可以降低网格剖分的难度,提高计算效率,算例分析表明该方法是有效和可靠的。

裂隙岩体渗流-传热耦合的复合单元模型

基于复合单元法建立了裂隙岩体渗流-传热耦合的复合单元模型。该模型前处理简便快捷,网格剖分不受限制,可依据裂隙的真实信息自动将其离散在单元内。其次,采用交叉迭代算法,对裂隙岩体的渗流场和温度场进行耦合分析,耦合算法不仅考虑了温度对流体运动黏度的影响,而且可计算裂隙中流体与相邻岩块间渗流-传热过程以及两者间的渗流量和热量交换。通过与已有近似解析解相比较,验证了复合单元耦合算法的可靠性。算例分析表明,渗流-传热耦合作用对裂隙岩体的渗流场和温度场均有一定的影响。分析了不同岩块热传导系数和裂隙开度对热能提取效率的影响,结果显示,岩块热传导系数越大、裂隙开度越大,低温流体从高温岩块中吸取的热能会较多,出口处流体温度下降得较快。