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固体介质中水流的模拟研究,特别是裂隙岩体内水流动及其耦合问题是岩石力学与工程界一直关注的重要课题,也是目前岩石力学与工程领域内的研究热点与难点。开展裂隙岩体渗流场与应力场耦合数值模拟方法的研究具有重要的理论价值,而且在工程实践中有深远的意义。 本文基于计算数学图论的有关理论,建立了孔隙裂隙介质水力耦合分析的新方法—图论管网法,为裂隙岩体渗流应力耦合问题的研究开辟了一条新的途径。在图论管网法中,孔隙介质与孔隙-裂隙双介质内的渗流应力耦合模拟问题被统一为一维管道问题求解,有效地降低了问题难度,保证计算精度的同时提高了计算效率,解决了目前商业软件不能很好模拟有大量裂隙存在时的渗流及渗流应力耦合问题。本文的研究内容主要包括以下几个方面: (1)采用Voronoi剖分方法,将连续的孔隙介质离散成非连续的管道网络介质,并基于图论思想用有向带权图表征管道网络,解析推导管网单元等效参数,给出节点流量定律、管道压力定律及统一的边界管道与内部渗流管道控制方程,并研发了二维图论管网法渗流模拟程序。该方法可解析求解岩体内任一点的渗流场。通过多个算例验证了该方法的正确性和可行性。 (2)引入等效三角形桁架理论,系统推导了平面桁架三角形单元刚度矩阵的一般表达式,给出了各杆的面积等效参数;采用Voronoi对偶图Delaunay剖分生成三角形桁架单元,结合图论理论,建立了等效桁架力学模型图论管网法。单元应力和位移的求解,均可归结为给定边界条件下求解统一控制方程的问题,并通过实例验证了方法的正确性。 (3)建立了孔隙介质渗流应力迭代耦合图论管网法,并通过算例验证了孔隙介质渗流应力耦合图论管网法的可行性。 (4)建立了图论管网法孔隙-裂隙介质渗流应力耦合图论管网法。解析推导了裂隙介质、孔隙-裂隙介质线性渗流等效参数和裂隙介质线非性渗流等效参数,探讨了非线性渗流的图论管网法。给出裂隙介质、孔隙-裂隙双介质节点流量定律、管道压力定律及统一的边界管道与内部渗流管道耦合控制方程,并研发了相应模拟程序。通过算例,对渗流应力耦合与非耦合问题进行对比分析。 (5)以黄岛地下储油库工程为背景,在上述理论研究基础上,利用本文所建立的图论管网法,对黄岛地下石油洞库孔隙裂隙耦合水封性和孔隙裂隙介质渗流应力耦合水幕作用进行分析。