三维双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型及其有限元分析张玉军①*,张维庆②①中国科学院武汉岩土力学研究所,岩土力学与工程国家重点实验室,武汉430071;②西南交通大学土木工程学院,成都610031*E-mail:HYPERLINK"mailto:yjzhang@whrsm.ac.cn"yjzhang@whrsm收稿日期:2009-10-29;接受日期:2010-04-29国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(批准号:2010CB732101)和岩土力学与工程国家重点实验室前沿探索性项目(批准号:SKLQ008)资助摘要建立了一种饱和-非饱和的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合三维模型,关键词双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合三维模型有限元分析其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的三维有限元程序.通过与已有算例的对比,验证了该模型和程序的可靠性.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体和缓冲层均为非饱和介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、地下水流速、核素浓度和正应力的状态.结果显示,缓冲层中的温度、负孔隙水压力及核素浓度呈现非线性的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/9,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的6倍;应力分布集中的区域位于缓冲层和处置孔壁交界两侧附近.合课题的探讨[3~6].笔者也曾就国内外类似研究工作中的缺点作了改进,建立了一种双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型[7],其特点是较严格地推导了应力平衡、水连续性及能量守恒三大控制方程,全耦合求解,用于饱和-非饱和的遍有节理的岩体,可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率、开度、刚度的影响,并研制出相应的二维有限元程序.但该模型也不够完善,即没有考虑核素迁移的耦合分析.梁冰等人[8]充分考虑了地下水变密度对核素浓度分布的影响,建立了孔隙-裂隙岩体中核素随地下水迁移的耦合数值模型;Sonnenthal等人[9]使用1引言在自然界中,类似于花岗岩和凝灰岩这样遍有节理、同时具有岩石孔隙和岩体裂隙的介质可称为双重孔隙-裂隙介质.中国、日本、瑞典、瑞士和加拿大等国家拟在花岗岩中进行高放射性核废物的地质处置,而美国已在内华达州的凝灰岩中完成了坑道规模试验(DST),并将在尤卡山(YuccaMountain)地区建成世界上第一个高放废物地质处置库[1,2].近年来,就双重孔隙-裂隙介质中存在的温度场、应力场、渗流场的相互作用问题,若干学者已开展了热-水-力耦引用格式:ZhangYJ,ZhangWQ.3Dthermo-hydro-mechanical-migratorycouplingmodelandfemanalysesfordual-porositymedium.SciChinaTechSci,2010,53:2172−2182,doi:10.1007/s11431-010-4031-3中国科学:技术科学2010年第40卷第12期TOUGHREACT程序模拟了尤卡山坑道规模试验中双重介质内部的热-水-化学过程.不过这些研究还局限于水-迁移耦合、或热-水-迁移(化学)耦合.武文华、刘泽佳等人[10,11]曾提出和发展了多孔介质中的化学-热-水力-力学耦合本构模型;笔者也建立过一个饱和-非饱和多孔介质中热-水-应力-迁移耦合模型[12].但该类模型只适用于单重孔隙介质和平面应变问题.为此,针对上述研究中的不足之处,笔者在自己以及前人已有研究成果的基础上,首先在理论上发展了双重孔隙-裂隙介质中热-水-应力-迁移耦合的数学模型,其次研制出相应的三维弹性有限元程序,然后从方法论研究的角度,以一个假定的高放废物地质处置库为算例,在一定的初始温度、孔隙水压力、岩体应力和核素释放强度条件下,就岩体是非饱和双重孔隙-裂隙介质的情况,考察了处置库近场的温度、孔隙水压力、水流速、核素浓度和正应力的分布与变化,得出了若干的认识.图2局部与整体坐标系dσD⎡dε−m⎛C⎞−(sDp1dp)w1⎜⎝⎟⎢1w1s1w1dt⎣dt3Ks⎠dtdT⎤⎛⎞1dpw2−mS−m⎜C⎝−⎟(sDp)⎥,(1)2w2s2w23Kdt3dt⎦s⎠这里,,分别是总应力和总应变;D=(C1+C2)−1为弹性矩阵;mT=[111000]为法向应力单位列阵;Ks,S,T依次是岩质固体