[00139144]非连续介质优势流理论及灾害控制

本项目的研究内容及主要知识技术创新总结为以下三个方面： 1)建立了考虑非连续介质随机分布特征的各向异性渗透张量模型,发展了双重孔隙介质的土水特性模型,实现了非连续介质饱和/非饱和渗透特性的量化描述。 通过在细观尺度上模拟裂隙的发生、发展及裂隙网络的随机构成和统计特征,利用离散网络方法建立了随机裂隙网络的各向异性渗透张量模型。该模型考虑了裂隙的隙长、隙宽及连通性对渗透张量的影响,量化了不同方向上随机裂隙网络的渗透系数和优势渗透方向,揭示了非连续介质渗流场各向异性与其随机分布特征之间的联系与规律。本部分的研究路线为首先量化裂隙的随机分布特征,然后利用随机场理论重现随机裂隙网络,结合渗流理论发展随机裂隙网络的各向异性渗透张量模型;随机裂隙网络和土体由于孔隙特征的巨大差别形成了双重渗透介质,基于裂隙网络系统和土体的孔隙分布分别估算两种介质的土水特征曲线,将两种介质的土水特征曲线根据其孔隙特征有机结合得到双重介质（裂隙土）的土水特征曲线,根据裂隙土的土水特征曲线建立裂隙土的渗透系数函数。这个方法考虑流体在双重孔隙中的渗流规律与水量交换特性,发展了非连续介质中单元表征体积的建立准则,揭示了双重介质中渗透特性的双模态特征。 2)提出了非连续介质流固耦合的理论分析方法,建立了集岩土体变形、水相渗流、气体迁移和裂隙时变演化的多场多相耦合模型,解决了动态变化的非连续介质变形-渗流耦合效应的难题。首次提出了裂隙干燥开裂-湿润闭合循环过程中变形-渗流全耦合的理论分析方法,考虑随机裂隙网络的动态变形过程及其变形与水相流和气相流的耦合效应确定非连续介质土水特征曲线和渗透系数函数。此部分的研究路线为首先建立干湿循环过程中不同含水量状态下裂隙土的土水特性以及裂隙的动态变形规律,将这些不同状态下的土水特性根据其变形路径进行耦合分析,得到考虑裂隙动态变化的裂隙土的土水特性。这个方法考虑干湿循环过程中裂隙土变形与水相渗流和气相渗流的耦合,即先建立某一含水量状态下裂隙土的变形与基质吸力的关系,再建立此状态下基质吸力与渗透系数的关系,最后通过分析不同含水量状态下裂隙土的变形与基质吸力和渗透系数之间的关系来推导动态变化的裂隙土的水力特性。此方法所需参数简单且易于测量,避免通常的耦合分析中本构模型选择与大量的模型参数难题。同时研制了适用于全范围基质吸力（裂隙内的极低基质吸力和土体内的高基质吸力）情况下测定裂隙土变形-渗流的试验仪器,验证了理论的正确性。该方法从理论上解决了动态变化裂隙土渗透-变形特性的难题。 3)基于非连续介质随机特性、动态演化规律及多相多场耦合理论,提出了地质灾害预测方法和多元控制理论,发展并集成了连续介质-非连续介质的渗流多元控制技术体系,突破了涉及非连续介质的地质灾害预测主要依赖工程经验的局限。 以非连续介质多场多相流固耦合理论为基础,刻画模型及参数中客观存在的不确定性,提出了基于贝叶斯理论的地质灾害预测方法和多元控制理论。在岩土工程变形与稳定分析中,任何一种计算模型都是对实际问题的一种近似或者简化,模型自身的误差和参数不确定性总是同时存在的,而且岩土工程模型误差相当显著,不考虑模型误差得到的结果将会明显偏离真实的状态,对岩土工程带来不利的影响。本项目基于贝叶斯理论提出了能同时考虑模型中参数不确定性和模型误差的计算方法,解决了长期困扰地质灾害预测中模型误差识别的难题。建立了地质灾害分析多元控制理论和技术体系,揭示了灾害分析过程中的信息分配规律,即对灾害发生影响越大的参数分配的信息越多。该方法可以同时对变形参数和渗流参数进行反演,从而有效地解决了灾害预测与控制中参数未知的难题。