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为解决裂隙岩体在热 - 水 - 力（THM）耦合过程中的力学行为模拟问题，研究人员开发三维非连续介质数值模拟器 TOUGH-3DEC，融合 TOUGH2 与 3DEC，经解析解和实验验证，其能较准确反映小尺度非连续岩体 THM 耦合过程，为地质 Repository 等研究提供工具。
在地下工程领域，高放废物地质处置库等设施对岩体的长期水力和机械稳定性要求极高。然而，结晶岩在应力集中下易产生大量不连续面，开挖等外部扰动会引发不连续面的扩展、变形，形成流体运移通道，而热 - 水 - 力（THM）耦合过程显著影响岩体的水力特性，如表征渗透率的水力孔径变化。传统数值方法在模拟复杂裂隙网络的 THM 耦合行为时存在局限性，难以同时兼顾多相多组分流体流动与非连续介质的力学响应，因此开发能准确描述裂隙岩体 THM 耦合过程的数值工具至关重要。
韩国研究人员开展了相关研究，开发出 TOUGH-3DEC 模拟器，该研究成果发表在《Geomechanics for Energy and the Environment》。此模拟器通过耦合积分有限差分法程序 TOUGH2 和离散元法程序 3DEC，实现了对多孔介质和非连续介质中 THM 耦合过程的模拟，为裂隙岩体的 THM 行为研究提供了新手段。
研究中主要采用的关键技术方法包括：基于 3DEC 构建含裂隙的非连续模型，并将其转换为 TOUGH2 所需的有限体积单元；通过固定应力分裂法实现 THM 过程的顺序耦合迭代，在每个时间步长内，TOUGH2 进行热 - 水分析，3DEC 进行力学分析，两者通过数据传递实现耦合；利用解析解（如 Terzaghi 单轴固结解、Sneddon 裂缝张开解）和实验室尺度实验（如 GREAT 细胞实验）对模拟器进行验证。
验证研究
- 单轴固结实验：通过模拟饱和多孔介质在轴向荷载下的孔隙压力消散和位移过程，将 TOUGH-3DEC 结果与 Terzaghi 解析解对比，发现孔隙压力分布和垂直位移均与解析解高度吻合，验证了模拟器在热 - 力（HM）耦合分析中的准确性。
- 裂缝张开模型：模拟单一裂缝在恒定流体压力注入下的法向位移，结果与 Sneddon 解析解一致，中心处法向位移为 21μm，表明模拟器能准确描述水力作用下裂缝的力学行为。
- 空心圆柱体加热实验：通过模拟空心圆柱体在内外壁温度差下的热扩散和热应力分布，温度场和径向、切向、轴向应力结果均与 Nowacki 解析解相符，验证了热 - 力（TM）耦合模块的有效性。
应用：GREAT 细胞实验
- 完整岩体力学实验：利用 GREAT 细胞对合成 PMMA 树脂圆柱体施加多轴应力，模拟轴对称和真三轴应力条件下的周向应变，结果与实验测得的光纤应变数据吻合，验证了模拟器在复杂应力场下的适用性。
- 裂隙岩体力学实验：对含非对称内部裂隙的树脂样品进行模拟，发现裂隙的存在显著影响周向应变分布，尤其是在裂隙表面附近出现应变突变，且断裂法向刚度越低，应变突变越明显，结合实验结果推断样品断裂法向刚度超过 100GPa/m。
- 裂隙岩体热 - 水实验：模拟恒定速率流体注入下的裂缝渗透率变化，结果表明渗透率与施加的法向应力呈指数关系，断裂法向刚度越高，渗透率下降越小，初始孔径越大，渗透率越高，其中初始孔径 15μm 的模型与实验结果完美匹配。
结论与讨论
TOUGH-3DEC 通过集成 TOUGH2 和 3DEC 的优势，具备三维显式分析、处理大量不连续面、模拟多相多组分流体流动、灵活调整本构模型等特点，能较准确地反映小尺度非连续岩体的 THM 耦合过程。然而，该模拟器也存在一定局限性，如小尺寸网格分析效率低、时间步长需手动调整、难以模拟裂隙的产生和扩展等。
尽管如此，TOUGH-3DEC 在深部地热系统、CO?地质封存、高放废物地质处置库等领域具有广阔的应用前景。它可基于多种本构模型评估不连续面的机械稳定性，考虑地热流体和注入 CO?对不连续面的热 - 水力影响，尤其适用于模拟地质处置库多屏障系统中天然屏障的裂隙存在及膨润土因裂隙导致的非均质性饱和、侵蚀等过程。随着并行模拟模块的增强，其有望进一步扩展到现场尺度的模拟，为相关领域的研究和工程应用提供更可靠的数值支持。
