层流-紊流共存流场中岩溶裂隙网络演化数值模拟方法

论文摘要

我国岩溶分布十分广泛,类型复杂繁多,约占全国陆地面积的三分之一以上。岩溶地质体中发育的裂隙、管道、溶洞等岩溶形态不仅为地下水、矿产等资源提供了赋存的空间,也是发生岩溶塌陷、岩溶水突水等地质环境问题的场所。虽然国内有许多学者对岩溶含水层采用数值模拟的方法进行了研究,但对层流-紊流共存流场中岩溶裂隙网络演化规律的研究较少。随着溶蚀过程的不断进行,裂隙网络中的隙宽不断被扩宽,地下水流的流态逐渐从层流向紊流过渡,当裂隙中的地下水流为紊流时,裂隙网络中的水头分布、流量、以及裂隙扩宽速率与层流相比有很大的差别。本研究利用有限差分数值模拟技术,提出了一个层流-紊流共存流场中岩溶裂隙网络演化数值模拟的方法。改进了课题组开发的岩溶裂隙数值模拟软件FractureToKarst,利用C++语言在水头计算部分新增了紊流模块,实现了该软件在层流-紊流共存流场中进行岩溶裂隙网络演化模拟的功能。采用非连续介质分析方法,基于二维光滑平行板模型假定,构建岩溶含水系统二维裂隙网络渗流模型。对裂隙网络进行离散化处理后,将渗流模型与溶解动力学模型进行耦合。首先,利用水均衡原理建立裂隙网络各节点水头的方程组。当裂隙段中的水流为层流时,流量采用立方定律表示;当裂隙段中的水流为紊流时,流量采用Lomize G（1951）提出的紊流公式表示,并采用迭代法求得各节点水头值和各裂隙段的流量。之后,依据Dreybrodt W（1990,1996）提出的碳酸盐岩溶解速率经验公式求解各裂隙段的溶解速率,根据质量守恒原理求得该时间步长内裂隙的扩宽量,最终求得溶蚀后的隙宽。求出新的隙宽后,便可重复以上步骤,重新计算水头分布,求得经过下一时间步长后的隙宽,从而得到岩溶裂隙网络的演化过程。本研究分别设计了承压岩溶含水层与潜水岩溶含水层紊流模型对软件模拟的正确性进行了验证,并且模拟了岩溶含水层溢流泉和古岩溶盆地两个模型中裂隙网络的演化过程。研究发现,只接受降雨补给的溢流泉模型和古岩溶盆地模型直到分水岭消失时也没有紊流的发生。接受河流与降雨补给的溢流泉模型在1200年时,在泉的排泄点处首先发生了紊流,并且紊流随着演化时间逐渐向系统内部发展。在整个岩溶系统演化的过程中,在潜水位附近岩溶发育程度最为强烈。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 引言
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 岩溶发育基本条件
•     1.2.2 碳酸盐溶解动力学机制
•     1.2.3 岩溶演化数值模拟
•   1.3 小结及存在主要问题
• 第2章 水流流态判别讨论
•   2.1 流体流动实验研究
•   2.2 层流紊流临界条件分析
•     2.2.1 圆形管道
•     2.2.2 单一光滑平板裂缝
• 第3章 岩溶裂隙网络演化数值模拟方法
•   3.1 裂隙岩体渗流模型主要类别
•     3.1.1 岩溶地下水常用模型
•     3.1.2 离散裂隙网络模型
•   3.2 岩溶裂隙网络演化数值模拟过程流程框图
•   3.3 介质场模拟方法
•     3.3.1 初始裂隙网络生成
•     3.3.2 连通裂隙筛选
•     3.3.3 裂隙网络生成算例
•   3.4 渗流场模拟方法
•     3.4.1 单条裂隙中水的流动方程
•     3.4.2 裂隙网络中水均衡方程组建立
•     3.4.3 裂隙网络水均衡方程组的迭代解法
•   3.5 化学溶蚀场模拟方法
•     3.5.1 碳酸盐岩溶解速率公式
•     3.5.2 单条裂隙中溶蚀扩宽量计算
•     3.5.3 裂隙网络中溶蚀扩宽量计算
• 第4章 层流-紊流共存流场中岩溶裂隙网络演化数值模拟验证
•   4.1 承压含水层紊流模型验证
•     4.1.1 简单模型
•     4.1.2 复杂模型
•   4.2 潜水含水层紊流模型验证
•     4.2.1 简单模型
•     4.2.2 复杂模型
• 第5章 岩溶裂隙网络演化数值模拟应用实例
•   5.1 岩溶含水层溢流泉演化数值模拟
•     5.1.1 降雨补给模型
•     5.1.2 降雨与河流补给模型
•   5.2 古岩溶盆地演化数值模拟
• 第6章 主要结论和存在问题
•   6.1 主要结论
•   6.2 存在问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 邱振忠

导师: 于青春,夏露

关键词: 岩溶裂隙网络,层流紊流共存流场,演化模拟,裂隙渗流,数值模拟

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P642.25

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000764

总页数: 102

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