温度场和渗流场耦合对恐龙化石风化破坏的影响

刘凤臣，于学峰，贾超，杜圣贤，宋香锁，杨斌，张尚坤

(1.山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；2.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250013)

0 引言

古生物化石保护得到人们越来越多的关注，恐龙化石在古生物化石中最为重要[1]，然而它同样经历着大自然的风化破坏，研究发现，温度和水是其中的两大主要因素[2-4]。

岩体温度场与渗流场耦合分析是岩体水力学科中重要的研究内容，在大量的人类工程及开采活动中，如地下水开采、石油开采、地热开发、地质灾害治理、大型水利工程等领域得到广泛的应用[5-18]。恐龙化石及围岩受日照影响，在其表面和内部形成温度场，同时化石及围岩内部本身存在一定孔隙水，形成渗流场。该文将岩体水力学中温度场与渗流场的耦合关系运用到恐龙化石及围岩中，研究恐龙化石及围岩中温度场与渗流场如何相互影响、相互作用对化石及围岩造成风化破坏。

1 温度场与渗流场耦合基本方程

该文渗流场采用多孔介质布里克曼方程[19-24]，与温度场相结合。

(1)多孔介质模型传热的数学模型为：

(1)

(ρCp)eq=θpρpCρ·p+(1-θp)ρCρ

(2)

keq=θp+(1-θp)k

(3)

式中：ρ—液体密度(kg/m3)；Cp—液体等压热容(J/K)；k—热传导系数(W/(m2K))；u—速度场；Y—比热比，等压热容与等容热容之比；(ρCp)eq—等效体积等压热容；θp—材料的体积分数；kp—固体材料的热传导系数；ρp—固体材料密度(kg/m3)；Cρ·p—固体材料的比热容(J/(kg·K))。

(2)多孔介质流动的数学模型是由连续性方程和动量平衡方程组合而成，它们一起构成了Brinkman方程：