溶质浓度分布的预测方法、存储介质和计算机设备技术

本发明专利技术提供一种溶质浓度分布的预测方法、存储介质和计算机设备。该方法包括：S100：构建三维离散裂隙网络模型；S200：确定该模型的截面上的裂隙开度分布，并确定截面上每个特征单元的裂隙初始开度；S300：确定每个特征单元的水压力，并水压力确定水流速；S400：确定每个特征单元新的裂隙开度；S500：比较每个特征单元的新的裂隙开度和与其对应的裂隙初始开度，当至少一个特征单元的新的裂隙开度不满足预设条件时，将新的裂隙开度作为该特征单元的新的裂隙初始开度，返回执行S300，当每个特征单元的新的裂隙开度均满足预设条件时，执行S600；S600：确定三维裂隙岩体的溶质浓度分布。能够为深部地下岩石工程成功建设和安全运行提供重要的理论基础。

【技术实现步骤摘要】
溶质浓度分布的预测方法、存储介质和计算机设备
本专利技术涉及裂隙岩体渗流与溶质运移的数值模拟领域，尤其涉及一种溶质浓度分布的预测方法、存储介质和计算机设备。
技术介绍
近年来，随着地下资源的开发和利用，高放废物地质处置、CO2地质封存、页岩气开采以及增强型地热系统等重要工程均涉及三维裂隙岩体中的渗流和物质运移问题。在裂隙岩体中，原岩的孔隙率通常比较小(<1％)，故其渗透性通常可忽略，而裂隙岩体的渗流及溶质传输通道则主要由分布在其中的裂隙网络所提供。受人为或自然扰动的影响，地应力重分布会导致裂隙开度显著变化，进而对裂隙岩体中的地下水渗流和溶质传输过程产生影响。所以，全面深入的理解力学过程影响下的溶质(如放射性核素)传输过程是深部地下岩石工程成功建设和安全运行的重要理论基础。相较于孔隙岩体，裂隙岩体具有高度的非均质性，这导致对裂隙岩体中力学-渗流耦合过程的数值模拟面临巨大困难。目前，用于描述裂隙岩体中力学-渗流耦合作用的模型主要包括等效连续体模型和离散裂隙网络模型。相对于等效连续体模型，离散裂隙网络模型可以更真实地刻画单裂隙的局部行为以及复杂裂隙网络的宏观行为，并能很好地刻画由于裂隙随机分布和开度不均引起的渗流各向异性和非均质性，并因此得到了广泛的应用。粒子追踪方法，即随机行走模拟方法，将溶质视为大量粒子的集合，这些粒子的分布即可视为溶质的分布，该方法通过模拟大量粒子的运动来模拟溶质运移过程。粒子追踪方法是模拟裂隙岩体中流体与溶质运移的常用方法。其适用范围比较广泛，且非常适合模拟裂隙岩体中的溶质运移过程。裂隙岩体中的力学-渗流耦合作用是通过应力对裂隙的法向压闭、张开和剪胀作用，显著改变裂隙的开度和水力传导特性，进而影响渗流场。反过来，渗流场通过渗透压力影响裂隙的应力场和变形。因此，在裂隙岩体溶质运移问题中，需要考虑应力和渗流相互作用下的裂隙中的平流和基质扩散过程。现有技术中的方案只针对孔隙介质或单条裂隙等简单情况，且并未考虑力学-渗流的耦合作用，缺乏对复杂裂隙网络尤其是三维裂隙网络中溶质运移过程的研究。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种溶质浓度分布的预测方法、存储介质和计算机设备，以解决三维裂隙岩体中考虑力学-渗流耦合作用下预测溶质浓度分布的问题。第一方面，本申请的实施方式提供一种三维裂隙岩体溶质浓度分布的预测方法，包括以下步骤：S100：获取三维裂隙岩体的裂隙网络几何统计参数，根据裂隙网络几何统计参数构建三维离散裂隙网络模型；S200：截取三维离散裂隙网络模型的截面来表征三维裂隙岩体的裂隙面，利用网格将所述截面划分为若干个特征单元，基于傅立叶积分法确定三维离散裂隙网络模型的截面上的裂隙开度分布，并根据所述截面上的裂隙开度分布确定所述截面上每个特征单元的裂隙初始开度；S300：根据立方定律构建三维裂隙岩体的渗流模型，根据每个特征单元的裂隙初始开度，利用三维裂隙岩体的渗流模型确定每个特征单元的水压力，并根据每个特征单元的水压力确定每个特征单元的水流速；S400：对于每个特征单元，根据裂隙初始开度和水压力，基于刚块弹簧法确定新的裂隙开度；S500：比较每个特征单元的新的裂隙开度和与其对应的裂隙初始开度，当至少一个特征单元的新的裂隙开度和与其对应的裂隙初始开度的差值的绝对值大于或等于预设阈值时，将新的裂隙开度作为该特征单元的新的裂隙初始开度，返回执行S300，当每个特征单元的新的裂隙开度和与其对应的裂隙初始开度的差值的绝对值均小于预设阈值时，执行S600；S600：基于粒子追踪法，确定基质岩石中的溶质浓度，并根据基质岩石中的溶质浓度以及每个特征单元的水流速和新的裂隙开度，确定三维裂隙岩体的溶质浓度分布。在一个实施例中，基于傅立叶积分法确定三维离散裂隙网络模型的截面上的裂隙开度分布，包括：确定三维离散裂隙网络模型的截面上的裂隙初始开度与特征单元的指定顶点的空间坐标之间的指数协方差函数；对所述指数协方差函数进行采样，确定采样协方差序列；对采样协方差序列进行傅立叶变换，得到谱密度函数；根据谱密度函数，确定振幅谱；确定相位谱；根据振幅谱和相位谱，确定复傅立叶系数；对复傅立叶系数进行傅立叶逆变换，得到三维离散裂隙网络模型的截面上的裂隙开度分布。在一个实施例中，裂隙初始开度与特征单元的指定顶点的空间坐标之间的指数协方差函数的表达式为：其中，C(k)表示裂隙初始开度与特征单元的指定顶点的空间坐标之间的指数协方差函数，σ2表示方差，λ表示相关长度，|k|表示所述截面上两特征单元的指定顶点之间的距离；采样协方差序列的表达式为：{C(k)；k＝1,…,N}其中，N表示采样数，k表示第k个特征单元；谱密度函数的表达式为：其中，S(j)表示离散谱密度函数，j表示频率；振幅谱的表达式为：其中，A(j)表示振幅谱；相位谱的表达式为：其中，表示相位谱，Uj表示均匀分布于[0,1]的随机变量；复傅立叶系数的表达式为：其中，表示复傅立叶系数，i表示复数单位，R(j)表示实部，为偶数，I(j)表示虚部，为奇数；三维裂隙岩体的裂隙开度分布的表达式为：其中，z(k)表示第k个特征单元的裂隙初始开度。在一个实施例中，确定每个特征单元的水压力，包括：利用下式确定每个特征单元的水压力：其中，pm和pn分别表示特征单元m和特征单元n的水压力，Qmn表示特征单元m和特征单元n之间的流量，Rmn表示特征单元m和特征单元n之间的流阻，υ表示水的动力粘度，Δx和Δy分别表示特征单元的长度和宽度，bm和bn分别表示特征单元m和特征单元n的裂隙初始开度。在一个实施例中，根据每个特征单元的水压力确定该特征单元的水流速，包括：利用下式确定每个特征单元的水流速：其中，vm表示特征单元m的水流速，υ表示水的动力粘度，表示特征单元m的压力梯度，bm表示特征单元m的裂隙初始开度。在一个实施例中，对于每个特征单元，根据裂隙初始开度和水压力，基于刚块弹簧法确定新的裂隙开度，包括：基于简化Barton-Bandis模型，根据每个特征单元的水压力确定每个特征单元中裂隙的法向位移；基于Coulomb滑移准则，确定每个特征单元中裂隙的剪胀量；根据每个特征单元的裂隙初始开度、裂隙的法向位移和裂隙的剪胀量，确定该特征单元的新的裂隙开度。在一个实施例中，利用下式确定每个特征单元中裂隙的法向位移：un′m＝(σn′m-pn′m)/kn′m其中，σn′m表示特征单元m中的裂隙法向应力，un′m表示特征单元m中裂隙的法向位移，pn′m表示特征单元m的水压力，kn′m表示裂隙的法向刚度。在一个实施例中，基于Coulomb滑移准则，确定每个特征单元中裂隙的剪胀量，包括：根据每个特征单元所承受的切向应力，确定每个特征单元中裂隙的切向位移；根据每个特征单元中裂隙的切向位移，确定每个特征单元中裂隙的剪胀量。在一个实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维裂隙岩体溶质浓度分布的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS100：获取三维裂隙岩体的裂隙网络几何统计参数，根据裂隙网络几何统计参数构建三维离散裂隙网络模型；/nS200：截取三维离散裂隙网络模型的截面来表征三维裂隙岩体的裂隙面，利用网格将所述截面划分为若干个特征单元，基于傅立叶积分法确定三维离散裂隙网络模型的截面上的裂隙开度分布，并根据所述截面上的裂隙开度分布确定所述截面上每个特征单元的裂隙初始开度；/nS300：根据立方定律构建三维裂隙岩体渗流模型，根据每个特征单元的裂隙初始开度，利用三维裂隙岩体渗流模型确定每个特征单元的水压力，并根据每个特征单元的水压力确定每个特征单元的水流速；/nS400：对于每个特征单元，根据裂隙初始开度和水压力，基于刚块弹簧法确定新的裂隙开度；/nS500：比较每个特征单元的新的裂隙开度和与其对应的裂隙初始开度，/n当至少一个特征单元的新的裂隙开度和与其对应的裂隙初始开度的差值的绝对值大于或等于预设阈值时，将新的裂隙开度作为该特征单元的新的裂隙初始开度，返回执行S300，/n当每个特征单元的新的裂隙开度和与其对应的裂隙初始开度的差值的绝对值均小于预设阈值时，执行S600；/nS600：基于粒子追踪法，确定基质岩石中的溶质浓度，并根据基质岩石中的溶质浓度以及每个特征单元的水流速和新的裂隙开度，确定三维裂隙岩体的溶质浓度分布。/n...

【技术特征摘要】
1.一种三维裂隙岩体溶质浓度分布的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：获取三维裂隙岩体的裂隙网络几何统计参数，根据裂隙网络几何统计参数构建三维离散裂隙网络模型；
S200：截取三维离散裂隙网络模型的截面来表征三维裂隙岩体的裂隙面，利用网格将所述截面划分为若干个特征单元，基于傅立叶积分法确定三维离散裂隙网络模型的截面上的裂隙开度分布，并根据所述截面上的裂隙开度分布确定所述截面上每个特征单元的裂隙初始开度；
S300：根据立方定律构建三维裂隙岩体渗流模型，根据每个特征单元的裂隙初始开度，利用三维裂隙岩体渗流模型确定每个特征单元的水压力，并根据每个特征单元的水压力确定每个特征单元的水流速；
S400：对于每个特征单元，根据裂隙初始开度和水压力，基于刚块弹簧法确定新的裂隙开度；
S500：比较每个特征单元的新的裂隙开度和与其对应的裂隙初始开度，
当至少一个特征单元的新的裂隙开度和与其对应的裂隙初始开度的差值的绝对值大于或等于预设阈值时，将新的裂隙开度作为该特征单元的新的裂隙初始开度，返回执行S300，
当每个特征单元的新的裂隙开度和与其对应的裂隙初始开度的差值的绝对值均小于预设阈值时，执行S600；
S600：基于粒子追踪法，确定基质岩石中的溶质浓度，并根据基质岩石中的溶质浓度以及每个特征单元的水流速和新的裂隙开度，确定三维裂隙岩体的溶质浓度分布。


2.根据权利要求1所述的三维裂隙岩体溶质浓度分布的预测方法，其特征在于，基于傅立叶积分法确定三维离散裂隙网络模型的截面上的裂隙开度分布，包括：
确定三维离散裂隙网络模型的截面上的裂隙初始开度与特征单元的指定顶点的空间坐标之间的指数协方差函数；
对所述指数协方差函数进行采样，确定采样协方差序列；
对采样协方差序列进行傅立叶变换，得到谱密度函数；
根据谱密度函数，确定振幅谱；
确定相位谱；
根据振幅谱和相位谱，确定复傅立叶系数；
对复傅立叶系数进行傅立叶逆变换，得到三维离散裂隙网络模型的截面上的裂隙开度分布。


3.根据权利要求2所述的三维裂隙岩体溶质浓度分布的预测方法，其特征在于，裂隙初始开度与特征单元的指定顶点的空间坐标之间的指数协方差函数的表达式为：



其中，C(k)表示裂隙初始开度与特征单元的指定顶点的空间坐标之间的指数协方差函数，σ2表示方差，λ表示相关长度，|k|表示所述截面上两特征单元的指定顶点之间的距离；
采样协方差序列的表达式为：
{C(k)；k＝1,…,N}
其中，N表示采样数，k表示第k个特征单元；
谱密度函数的表达式为：



其中，S(j)表示谱密度函数，j表示频率；
振幅谱的表达式为：



其中，A(j)表示振幅谱；
相位谱的表达式为：



其中，表示相位谱，Uj表示均匀分布于[0,1]的随机变量；
复傅立叶系数的表达式为：



其中，表示复傅立叶系数，i表示复数单位，R(j)表示实部，为偶数，I(j)表示虚部，为奇数；
三维裂隙岩体的裂隙开度分布的表达式为：



其中，z(k)表示第k个特征单元的裂隙初始开度。


4.根据权利要求1所述的三维裂隙岩体溶质浓度分布的预测方法，其特征在于，确定每个特征单元的水压力，包括：
利用下式确定每个特征单元的水压力：



其中，pm和pn分别表示特征单元m和特征单元n的水压力，Qmn表示特征单元m和特征单元n之间的流量，Rmn表示特征单元m和特征单元n之间的流阻，υ表示水的动力粘度，Δx和Δy分别表示特征单元的长度和宽度，bm和bn分别表示特征单元m和特征单元n的裂隙初始开度。


5.根据权利要求1所述的三维裂隙岩体溶质浓度分布的预测方法，其特征在于，根据每个特征单元的水压力确定该特征单元的水流速，包括：
利用下式确定每个特征单元的水流速：

...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志宏，刘桂宏，陈跃都，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11