中国岩土热-流-固耦合研究现状与展望

"我国岩土热-流-固耦合研究进展 ∗ 刘建军 (武汉工业学院多孔介质力学研究所，湖北武汉430023)" 岩土热-流-固耦合研究是一个涉及多学科交叉的复杂领域，主要探讨在地表或地下环境中，岩石和土壤受到温度变化、流体流动以及结构变形相互影响的物理过程。在中国，随着能源开发、基础设施建设和环境保护等领域的快速发展，这一领域的研究受到了越来越多学者的关注。 在煤炭开采过程中，热-流-固耦合效应尤为显著，由于开采活动导致的地温变化和地下水流动，可能引发地层的稳定性问题，如矿井火灾、地压变化和地面沉降。石油工程中，尤其是在深井钻探和油藏工程中，温度、压力和流体流动的相互作用对于油藏的开采效率和环境安全至关重要。水利水电工程中，水库蓄水后的温度分布变化和水力梯度会引起岩体的应力重分布，可能导致滑坡、裂缝的产生。在工程地质和建筑工程中，建筑物基础下的土壤受温度变化和地下水流动影响，可能会影响建筑物的稳定性和使用寿命。 我国学者在热-流-固耦合研究中采用了一系列的方法，包括数值模拟、实验研究和现场监测。数值模拟方面，广泛采用了有限元、有限差分和离散元等计算方法，以解决复杂的非线性问题。实验研究则通过实验室内的模拟实验，对岩土的热传导、渗透性和弹性模量等参数进行测定，以验证理论模型。现场监测则利用传感器技术实时监测地温、地下水位和地应力的变化，为理论研究提供实际数据支持。 在宏观方程方面，热-流-固耦合的研究通常涉及到连续介质力学中的热传导方程、流体力学中的纳维-斯托克斯方程以及固体力学中的应力应变关系。这些方程在考虑耦合效应时，需要结合边界条件和初始条件，通过求解得到各物理量的时空分布。此外，研究人员还致力于发展更适用于复杂地质条件和工程实践的耦合理论和简化模型。 展望未来，热-流-固耦合的研究将继续向以下几个方向发展：一是深入理解地质环境中的复杂耦合机理，特别是非线性、非均匀性和非稳态过程；二是发展更加精确和高效的数值模拟方法，以应对更大规模、更高精度的工程问题；三是强化实验研究，提升实验设备和技术，以获取更可靠的基础数据；四是推动现场监测技术的进步，提高对地下环境变化的实时监控能力；五是将耦合理论与风险评估、灾害预测和环境保护相结合，为工程决策提供科学依据。 我国岩土热-流-固耦合研究在理论探索、应用实践和技术开发等方面都取得了显著进步，这为解决各类工程问题提供了重要的理论支撑，也为我国在地球系统科学和可持续发展领域奠定了坚实的基础。随着研究的深入，该领域有望为保障国家能源安全、生态环境保护和重大工程建设发挥更大的作用。