關于裂隙巖體滲流的熱學效應

關于裂隙巖體滲流的熱學效應分析簡介：基于裂隙巖體所賦存的復雜的地質(zhì)環(huán)境，本文在闡述滲流理論的基礎上對裂隙巖體滲流的熱學效應進行了初步的分析；裂隙巖體中存在的滲流，影響巖體溫度的分布；通過分析，明確了滲流對溫度的影響機理，加深了巖體滲流對溫度的影響因素的認識。關鍵字：裂隙巖體，滲流溫度溫度場熱學效應分析1、引言隨著人類工程和開采活動的日益增加，其影響越來越多地涉及到地下裂隙巖體，并且人類工程和開采活動與裂隙巖體之間的相互作用有著日益加劇的趨勢，這使得人們對裂隙巖體的工程及開采特性備加關注。隨著工程實踐和科學研究的深入，人們已逐漸認識到裂隙巖體所賦存地質(zhì)環(huán)境的復雜性及其所誘發(fā)地質(zhì)災害的多變性，于是劉繼山、仵彥卿、柴軍瑞、黃濤等國內(nèi)一些專家學者在不同程度、不同角度對裂隙巖體賦存地質(zhì)環(huán)境中各個因素之間相互影響作用的課題進行了有意義的探索和研究。裂隙巖體中存有地下水，地下水在巖體中會產(chǎn)生滲流，在復雜的地質(zhì)環(huán)境中，不同的因素之間隨著時間、空間而發(fā)生著復雜的動態(tài)變化，其中裂隙巖體中滲流的熱學效應（滲流對溫度的影響機理）是一個比較重要的影響方面。2、裂隙巖體地下水滲流的基本理論對于裂隙巖體滲流的熱學效應的分析，首先應先了解巖體滲流的基本理論。一般情況下，巖體的各個裂隙中均含有水，而地下水在巖體中會產(chǎn)生滲流，所謂滲流是指含空隙（孔隙、裂隙等）介質(zhì)中流體（液體、氣體）通過空隙的流動[1]。地下水的流動是最典型的滲流現(xiàn)象，裂隙巖體中地下水的滲流特性體現(xiàn)了滲流理論的主體特征。2.1達西（Darcy）定律達西定律的最初表達式[2]（Darcy，1855年提出）：式中，為滲流速度，K為滲透系數(shù)，J為水力坡降,為滲透水頭H沿滲流方向的梯度。上式表明，滲流速度與水力坡降成線性關系，因此達西定律也被稱為現(xiàn)行滲透規(guī)律。假設巖體中的滲流以裂隙滲流為主，忽略其間巖塊的滲透作用，那么裂隙的分布就相對比較密集，表征單元體比較小，視裂隙巖體為等效連續(xù)介質(zhì)，用連續(xù)介質(zhì)的方法描述巖體的滲流問題，并考慮巖體的非均質(zhì)性和各向異性，以滲透系數(shù)張量來描述巖體裂隙的滲透性能。本人根據(jù)矢量及張量的定義和連續(xù)性方程將達西定律進行了推廣，可得下式：式中，為滲流速度矢量，為介質(zhì)的滲流系數(shù)張量，為水力坡降矢量。上式的展開式為：==－2.2費克（FICK）定律對溶質(zhì)或壓縮性較大的氣體在介質(zhì)空隙中的運動，可采用張蔚榛(1996年)關于費克定律[3]公式：=式中，為擴散通量或氣體流量,為擴散系數(shù),為濃度(或密度)沿擴散方向的梯度。透棚爬2.3堡顫立方定律堅單直傷平滑裂隙絮中的滲流欠滿足立方蕉定律親[4]秤，為了更糾好的描述刷裂隙介質(zhì)仗的滲流規(guī)賢律，本文趴引用了田楚開銘、萬嘴力院（久198養(yǎng)9牛年）著作米中的立方肅定律的公葉式：==轎式中虎，耕為通過單封直平滑裂土隙斷面的販單寬流量興，票γ及和譜分別為流糾體的容量唉和動力粘雪滯系數(shù)，灑為裂隙的趨隙寬，父為沿裂隙依方向帥的水力坡餃降，匙=茶為裂隙的極等效滲透載系數(shù)，打為滲流水黑頭搜沿裂隙方橫向典的梯度，蕩=虹雕－氏。缺對于販實際的粗紋糙不規(guī)則怨的裂隙及印充填裂隙功，須對立堡方定律進爬行修正偵[5]徐。裂3手、巖體溫幕度場分布圓通常關把人類工椅程活動所渠涉及的巖漆體內(nèi)的溫更度分布和槳熱狀態(tài)稱北為巖體溫墾度場，巖茄體溫度場挑的分布一掙方面受制暗于地殼淺犁層溫度分括布和熱狀澆態(tài)的控制馳，；另一迅方面受巖河體工程和疾外界條屢件易(泳包括地下傷水滲諒流墳)脫的影響。比理論和實懇驗研究表蹤明，熱力繁的傳遞（永即傳熱）羊一般有三勁種方式：拜傳導、對矮流和輻射日。工程巖衰體中溫度珍場的分布周是以傳導慈和對流為蘿主實現(xiàn)的倆，而對流僅則是以地餓下水的滲去流運動為闊基礎進行族的。劫為了欣使巖體溫鍛度場分布閑的描述更秒加具體化郊、形象化顧，本人根泡據(jù)熱量平流衡原理，讀把傳導型商傳熱方程織、因地下斯水參與引垮起的對流侵項及通過駕地下熱源盯區(qū)因輻射懶增加的內(nèi)體熱源項進屢行了重新軌組合，引留用了黃濤盼等放（鈴199勺9隨年）關于制巖體溫度濱場的分布俯模型我[6]樸，如下式馳：盛C顛a分+返c瞇v培i向=阿+都c剛(狹－效)q(慣1)鈴式中給，刑為巖體的碑熱動力彌裳散系數(shù)張咱量冊；特x根i步、夫x羅j蠢為笛卡爾題坐標，萄,萌=后1本，密2松，揚3祥并遵循求道和約定；情為時間；馳為巖石的脹熱容量沾；叢c啞攔為地下水亭的熱容量咐；裁v香i膛為滲透速辱度狐；擱q糞為單位體渠積含水巖這體中源匯青流量；檢為地下水崗溫佩;杠為源匯項瀉溫度。賽4湯、裂隙巖拌體中滲流飾的熱學效剩應分析案裂隙視巖體滲流但的熱學效價應即巖體牲中滲流對先溫度的影詳響機理。壘當裂隙巖儲體中有滲店流發(fā)生時槍，一方面鏡，地下水宵的滲流運策動促成了母巖體與地報下水體之鍵間發(fā)生熱姑傳導的熱縮量傳遞與武交換。另巴一方面，肝地下水作胸為裂隙巖枕體中熱量耍交換的載鍛體，通過耀地下水本榆身的滲流望運動而產(chǎn)凍生熱對流構(gòu)的熱能轉(zhuǎn)瀉移過程。秋以上兩個及方面的熱煌能轉(zhuǎn)移，盛為達到地鉗下水體與頸裂隙巖體燥二者溫度凳分布的均宅衡，最終區(qū)導致裂隙建巖體溫度拿場分布的五總體衰減無，即巖體良溫度值的蜂總體降低捉。薄在一垮向?qū)岬募谇闆r下，籍當裂隙巖威體中存在錢滲流時，壇熱量包括目兩部分：阿一部分是駐由于巖體褲本身的熱挺傳導作用次，等于－查；另一部翠分是由滲厲流夾帶的亮熱量，等叔于央，因此在桂總結(jié)朱伯斧芳等路（絕197蠢6歇年）關于額熱傳導原豈理的基礎嚼上柴軍瑞接（勇200乖1錘年）在其累著作中總觀結(jié)了熱撇流量的公穗式為懶[7][規(guī)8]慮：沿－無(2)天式中茫，介為沿一維墻坐標跑軸郵x耽方向的熱游流跟量判;膜為水的比舌熱；神為水的密栗度；誰為巖體介郊質(zhì)的導熱濤系數(shù)；話為滲流速牢度；敲為溫度。肅本人處對該公式丑進行了分網(wǎng)析，認為各吸熱的熱固源可作為福負的熱源執(zhí)，將公式牛兩邊取負跳號，并兩胞邊同時作客微分處理惑，得到了錢在單位時財間內(nèi)流入旗單位體積氣的凈熱量役為：裂－扁(3)似根據(jù)國熱量平衡解原理，這塵個熱量必三須等于單瘋位時間內(nèi)享裂隙巖體勻介質(zhì)溫度奸升高所吸扯收的熱量區(qū)，而單位憑時間內(nèi)裂羽隙巖體介馬質(zhì)溫度升待高所吸收掘的熱量塑，故唇，即：(4)爬式中銷，糾為巖體介談質(zhì)的比熱甲，擴為巖體介乘質(zhì)的密度斤。肯為了刮更全面的細對滲流影宰響下的溫儉度場進行卸分析，本盛人對式宇（降4賓）進行了跡推廣：瘦如果質(zhì)溫度只隨膏平面內(nèi)的虛兩個位置但坐標而變屯，即溫度固沿膚z象方向是常霞數(shù)，預，則溫度啟場是兩向?qū)⒌?，推得波滲流影響爐下的二維李導熱方程組：(5)駱同理促，三向?qū)嚐岬那闆r暈下，在不銀考慮源（掀匯）項離的情況下票，可推得鹽考慮滲流花影響的三狹維導熱方襪程：(6)蔽由票（售6烈）式可以麻看出，溫落度場的分塵布顆與滲流速躁度場的分班布民有密切的趁關系；滲鈔流速度越全大，對溫胳度場的影伐響也就越警大。而滲舊流速度場協(xié)的分布又鐮由滲流場惑水頭的分鐵布婦決定，即疼。所以式敲（鍛6憲）定量地擱反映了滲撈流對溫度搞的影響機韻理。慶5鄰、結(jié)束語杠通過懲對地下裂容隙巖體滲格流的熱學題效應的分愛析可以看光出，地下諒水在巖體律中會產(chǎn)生醒滲流，地拼下水的滲餡流運動直螞接影響了透巖體與地異下水體之撐間發(fā)生熱奴傳導的熱或量傳遞與纏交換，同階時地下水滴本身的滲港流運動通使過熱對流塔的方式進患行了熱能薦轉(zhuǎn)移，這侍些因素影乖響了裂隙面巖體的溫呆度場分布晚，而且地答下水在裂亭隙巖體中菠的滲流運鬼動大大降酷低了巖體杰中的溫度論分布值，維地下水在膠裂隙巖體料中的滲流幕速度的大抬小直接控帶制了巖體餡溫度的變恒化幅度，經(jīng)因此，滲由流對溫度美的影響是料非常明顯候的，對裂垮隙巖體滲李流的熱學斜效應的分引析研究具癢有很實際望的意義，干這還有利惹于加深對第滲流影響估溫度分布暫的因素的炸認識濕。弦參考文獻艘童擦[1]嶄喬朱詩鰲，妄壩工技術貨史，北京麻：水利電視力出版社壽，凱1995扯舅得[2]狐且祁慶和，居水工建筑得物，北京某：水利水需電出版社便，歸1986都晃孩[3]匯地張蔚榛，復地下水與渠土壤水動報力學，北最京：中國蓋水利電力麻出版社物，惠1996群梢惜[4]千韻田開銘、嘩萬力，各粱向異性裂復隙介質(zhì)滲慎流性的研什究與評價替，北京：章學苑出版賄社拜，翼1989蒙常缸[5]毅疑忤彥卿、腫李俊亭、席張倬元，露地下水動風態(tài)觀測網(wǎng)該的優(yōu)化設回計，成都奔：成都科外技大學出龜版社劍，澆1993賄垮鹽[6]屈禿黃濤、