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采空区上覆渠道工程渗流应力耦合分析理论与应用
| 论文题名： | 采空区上覆渠道工程渗流应力耦合分析理论与应用 |
| 关键词： | 渠道工程;渗流应力;耦合分析;采空区 |
| 摘要： | 跨流域调水工程具有线路长、涉及面广、影响因素众多的特点,一些渠道不可避免地要穿越采空区地表。渠道渗漏、采空区等因素很容易导致渠道工程产生开裂、失稳等破坏现象,对渠道的正常运行以及养护和维修,构成严重的潜在危险和安全隐患。目前,对渠道这类有水渗透建筑物的研究,多是将渗流场和应力场相割裂,未能反映二者之间的耦合作用,并且地质模型都进行了不同程度的简化处理,难以全面、真实的反映复杂地质特征。在渗流场模拟方面,主要采用经验公式-达西定律,或利用温度场与渗流场等效的原理,同时浸润面的定位广泛采用的方法是有限元固定网格法,直到近年来计算流体力学因其对流项处理方法比较成熟的特点,才逐渐被学者应用于渗流场模拟中。因此,开展采空区上覆渠道工程渗流应力耦合分析理论与应用的研究具有重要的理论与现实意义。本文在概括总结已有成果的基础上,主要研究和探讨了以下三方面的内容: (1)从计算流体动力学的基本理论出发,建立了基于耦合 VOF方法的Navier-Stokes方程的渠道三维渗流场分析数学模型。采用有限体积法进行通用方程的离散,并将模型应用于渠道及其周边地下水运动的三维数值模拟中。研究结果表明在渠道渗流分析中采用VOF法进行渠道渗流模拟求解浸润面具有很高的精度且计算工作量较小,为利用该方法进行实际工程渗流计算提供技术支持。 (2)从广义多场耦合的基本理论出发,提出了渠道工程三维渗流应力耦合分析理论及数学模型。基于渠道工程地质信息三维统一模型,在准确模拟研究区域内地质体分层、断层等地质岩体空间展布的基础上,建立了渠道工程三维渗流应力耦合分析数值模拟模型。通过自编脚本解决了耦合模型中渗流场与应力场模拟这两套非匹配网格之间的数据传递问题,同时在考虑岩土体非线性特征的条件下,应用有限元方法开展了渠道在下伏采空区、渗漏等多种因素影响下的变形机理、变形特征的研究。研究结果对确保调水工程渠道长期安全稳定运行具有重要的指导意义。 (3)从参数灵敏度分析的基本理论与方法出发,将定量全局灵敏度分析方法-扩展傅里叶幅度灵敏度检验法(Extended Fourier Amplitude Sensitivity Test)引入到渠道渗流应力耦合模型的参数灵敏度分析中。在合理定义参数概率分布情况的前提下,开展渠道渗流应力耦合模型参数的全局灵敏度分析,结合各参数的一阶及总体全局灵敏度系数,甄别对模型输出结果影响较大的输入参数,为类似工程的设计提供指导。 |
| 作者： | 张晓昕 |
| 专业： | 水利工程 |
| 导师： | 钟登华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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