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低温裂隙岩体水热耦合模型研究及数值分析

低温裂隙岩体,水热耦合,裂隙渗流,水冰相变,冻结法

裂隙渗流会引起裂隙周围岩体中的温度场变化，在低温岩体中其影响更为明显；此外，裂隙水与周围低温岩体介质发生热交换会引起裂隙中的水冰相变过程发生，而裂隙水冻结将阻碍裂隙渗流，引起裂隙渗流场的变化。因此，低温下的裂隙岩体水-热相互作用是一个强耦合过程。考虑裂隙中的水冰相变过程和渗流作用，建立了低温冻结条件下裂隙岩体水热耦合模型；以冻结法施工为例，考察了低温冻结过程中裂隙水渗流对裂隙冻结交圈的影响。研究结果表明：(1) 由于裂隙渗流的存在，距裂隙较远处岩石先冻结，裂隙冻结所需时间远大于周围岩石；(2) 裂隙宽度和裂隙水压力差都会影响冻结交圈时间，裂隙越宽、水压力差越大裂隙冻结需要时间越长；(3) 随着冻结时间的推进，裂隙水渗流速度逐渐降低，当裂隙冻结后裂隙渗流停止。最后通过构建随机裂隙网络模型，利用本文建立的热水耦合模型考察了裂隙网络渗流对冻结交圈的影响，说明了在冻结法施工中考虑裂隙的重要性。本文研究可为定量计算寒区裂隙岩体冻融圈大小以及冻结法施工时间提供指导。