（岩土工程专业论文）裂隙岩质边坡渗流场与应力场耦合分析及工程应用.pdf

摘要 渗流场和应力场的分布特性及耦合情况，是影响节理裂隙岩质边坡稳定性的重要 因素。本文把裂隙岩体看作是离散网络模型，分析了其饱和非饱和渗流特性，并建立 了相应本构关系。把断裂力学与损伤力学相结合，分析讨论了裂隙的起裂扩展及损伤 演化，并建立了渗流场一应力场耦合方程。具体研究内容有以下几个方面： l 介绍研究了含裂隙岩体的裂隙性状及力学特性，为裂隙岩体的渗透性分析、断裂损伤 分析及渗透与应力耦合关系分析提供基础； 2 研究了岩体节理裂隙面的变形与渗透性，推导出裂隙岩体的渗透张量表达式； 3 从断裂力学及损伤力学的理论出发，建立了节理裂隙岩体的等效柔度张量和损伤张 量，分析了水对裂隙强度的影响及边坡卸荷对裂隙扩展的影响；研究了渗透张量随 裂隙损伤断裂发展的演化，提出了考虑渗透水压力的裂隙损伤扩展的本构模型。 4 建立了边坡裂隙网络饱和非饱和渗流模型，并推导了控制方程，分析研究了降雨入渗 及非饱和渗流特性，建立了相应的分析数学模型。探讨了饱和，非饱和渗流对裂隙岩 质边坡稳定性的影响机理。 5 对边坡裂隙中渗流对裂隙壁的作用力、外力对裂隙渗流的影响及岩体自重应力对裂 隙渗透系数的影响进行了分析研究，提出了渗流、应力及损伤的耦合分析模型。 6 对曾多次出现滑坡的裂隙岩质边坡进行了大量的现场工程地质调查，对边坡岩体的 结构特性及岩石的物理力学性质进行了现场和室内试验，利用前面的理论方法和模 型，从定性和定量两个方面分析了降雨及开挖卸荷对该边坡稳定性的影响。 关键词裂隙岩体，渗流一应力耦合分析，非饱和渗流，损伤演化，边坡稳定性 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o na n dc o u p l i n gc o n d i t i o no fs e e p a g ef i e l d sa n ds t r e s sf i e l d sa r ei m p o r t a n t i n t t u e n e t i a if a c t o r si nf r a c t u r e dr o c ks l o p es t a b i l i t y b a s e do nt h ef r a c t u r en e t w o r km o d e l ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs a t u r a t e ds e e p a g ef l o wa n du n s a t u r a t e ds e e p a g ef l o wa r ea n a l y s e d ，a n d t h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o ni se s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t ot h et h e o r i e so ff r a c t u r em e c h a n i c sa n d d a m a g em e c h a n i c s , t h ed a m a g ee v o l u t i o na n dc r a c k s i n i t i a t i n g c r i t e r i o no ff r a c t u r er o c k m a e sa r ed i s c u s s e d ，a n dc o u p l i n ge q u a t i o nb e t w e e ns e e p a g ef i e l d sa n ds t r e s sf i e l d si sp u t f o r w a r d t h er e s e a r c hw o r ki n v o l v e ss e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w s ： 11 r b ep h y s i c o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ff r a c t u r e si nr o c km a s s a r ei n t r o d u c e da n d r e s e a r c h e d ，w h i c hp r o v i d e s as o u n db a s i sf o r a n a l y z i n g t h e p e r m e a b i l i t y ，f r a c t u r e - d a m a g e ，a n ds e e p a g e s t r e s sc o u p l i n go f f r a c t u r e d r o c km a s s 2d e f o r m a t i o na n ds e e p a g er u l eo f j o i n t sa n df r a c t u r e sa r es t u d i e d ，a n dp e r m e a b l et e n s o r e q u a t i o n o f f r a c t u r e dr o c km & q sh a sb e e nd e v e l o p e d 3b a s e do nt h et h e o r i e so ff r a c t u r em e c h a n i t sa n dd a m a g em e c h a n i c s ，t h ee q u i v a l e n t f l e x i b i l i t yt e n s o ra n dd a m a g et e n s o rf o rt h ej o i n t e dr o c km a s s e sa r ed e d u c e d ，a n dt h e e f f e c t so fw a t e ro nf r a c t u r er o c ks t r e n g t ha n du n l o a d i n go nf r a c t u r e p r o p a g a t i o n a r e a n a l y s e d t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n s e e p a g e t e n s o ra n d d a m a g ep r o p a g a t i o n o ft h e f r a c t u r e sh a v eb e e ns t u d i e d t h ef r a c t u r ed a m a g ec o n s t i t u t i v em o d e lc o n s i d e r i n gs e e p a g e p r e s s u r e i ss e tu p 4f r a c t u r en e t w o r km o d e lo fs a t u r a t e d - u n s a t u r a t e ds e e p a g ea n di t sc o n t r o le q u a t i o ni ss e tu p r a i ni n f i l t r a t i o na n du n s a t u r a t e ds e e p a g ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y s e da n dr e s e a r c h e d t h e i n f l u e n c em e c h a n i s mo fs a t u r a t e d - u n s a t u r a t e ds e e p a g eo n f r a c t u r e dr o c ks l o p es t a b i l i t ya r e d i s c u s s e d 5s e e p a g ef o r c ea c t i n go nf i s s u r ew a l la n dt h ei n f l u e n c eo f s t r e s so ns e e p a g ea r ea n a l y s e d ： t h e s e e p a g e - s t r e s s d a m a g ec o u p l i n g m o d e li sp u tf o r w a r d 6t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dr o c ks t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o c ks l o p ew h e r e s e v e r a ll a n d s l i d e sh a dh a p p e n e da r ei n v e s t i g a t e dt h ep h y s i c o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h e r o c kl n a s sa r et e s t e do n - s r ea n dl a b o r a t o r y t h ei n f l u e n c eo fr a i na n du n l o a d i n go nt h e r o c ks l o p es t a b i l i t yi sa n a l y s e dq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l yb yu s i n gt h et h e o r i e sa n d m o d e l sd e s c r i b e da b o v e k e y w o r d s ：f r a c t u r e dr o c km a s s ，s e e p a g e - s t r e s sc o u p l i n ga n a l y s i s ，u n s a t u r a t e ds e e p a g e ， d a m a g ee v o l u t i o n ，s l o p es t a b i l i t y ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 天然岩体中存在大量的不连续的地质结构面，如节理、断层、裂隙、岩层层面、 片理面等，而这些含有大量节理裂隙的岩体又是坝基、边坡、地下硐室等岩土工程中 广泛遇到的一类复杂的介质。裂隙岩体中流体对岩体的作用是影响岩体稳定性的重要 问题。众多岩土工程中都必须了解岩体中裂隙水渗流的规律，因此关于节理裂隙岩体 的力学特性及其水力学特性是目前研究的热门课题。 岩体介质破坏的直接原因是由于岩体中原有节理裂隙( 纹) 或新生裂隙的扩展或 滑移。在许多岩土工程中，如岩质边坡、地下隧道等，岩体介质中的渗透水压力与节 理裂隙的相互作用，是引起这类岩体介质失稳破坏的重要原因。 过去，人们的研究基本上集中在孔隙介质中的孔隙水的渗流，直到本世纪5 0 年代 初期，才开始着手对裂隙岩体的水力性质以及其中流体的流动进行定量的评价，并逐 步认识到裂隙岩层中流体流动的状态和基本水力参数是与多孔介质不同的，从而建立 了相应的裂隙岩体水力学模型。 国内外发生的岩土工程事故中，相当一部分是由于水在岩土介质中的渗流导致岩 体大面积失稳而造成的，3 0 4 0 的大坝失事是由于水渗透引起的。有关资料表明，9 0 以上的边坡破坏与地下水作用有关。 在节理裂隙岩质边坡中，地下水位至地表部分是未被水充满的非饱和带，因此有 地表水入渗的裂隙岩体渗流是一个饱和非饱和渗流过程。岩质边坡中的水压力和水流 分布是影响边坡变形和稳定的重要因素之一。对于人工开挖形成的露天岩质边坡，一 方面由于开挖卸荷，引起边坡岩体应力状态的改变，同时，岩体内的部分节理、裂隙 出露地表，这些都将引起边坡岩体的构造及物理力学性质发生变化，进而引起边坡岩 体中地下水性态的改变；另一方面，在边坡开挖形成的深切割地形条件下，旱季地下 水位通常是很低的，形成了深厚的非饱和区，在继之而来的雨季强降雨过程中，非饱 和区的水份运动将对降水入渗补给过程以及地下水压力分布发生影响。在降雨条件下， 雨水从地表向下入渗，在地下水位以上的非饱和区会形成上层滞水，从而增加了以往 饱和渗流模型所无法考虑到的对岩质边坡的稳定和排水的不利因素，即上层滞水区的 2 裂隙岩质边坡港流场与应力场耦合分析及工程应用 形成，不仅降低了岩体的力学强度指标，而且增加了暂态水荷载，极易导致滑坡：另 外，依据饱和渗流模型计算结果而设计的排水孔对上述上层滞水区起不了作用。因此， 研究裂隙岩质边坡的饱和非饱和渗流场及其与应力场的耦合关系，对裂隙岩质边坡的 稳定性分析和处理，有重要意义。 1 2 国内外研究现状及文献评述 在水利、水电工程中，广泛进行了坝基、坝体、边坡与渗流相互作用的研究。最 早研究水在多孔介质中的流动规律，可以追溯到1 8 5 6 年，法国科学家达西( d a r c y ) 发表了流体在多孔介质中流动规律的实验结果，达西定律本身并没有反映出渗流与孔 隙介质应力应变状态之间的关系。研究在特定岩性和结构条件下的液体渗流过程，难 题之一就是确定渗透系数。模拟岩层中的应力、温度条件在实验室量测渗透率，为获 得变形一流动特性的耦合关系提供了重要的方法，但由于流体在多孔介质中流动的复 杂性，大多数学者受到测试手段的限制，因而采用不同的方法测量水在岩石中的传输 特性。例如稳态法、脉冲法、周期加载法等。早在四十年代，苏联学者b o no 皿bko ( 1 9 4 1 ) 及稍后一些j iom1 4 3c ( 1 9 5 1 ) 曾对裂隙水力学进行试验研究，提出了最早的成果，但 对岩体渗流特殊性及其重要性的认识始于六十年代。众所周知，1 9 5 9 年末，设计精巧 的法国m a l p a s s e t 拱坝在初次蓄水即遭全坝溃决，其原因是缺少对岩体渗流规律的认 识。据b e l l i e r 和l o n d e ( 1 9 7 6 ) 分析，左岸拱推力方向与岩体结构面平行，岩体应力不 能扩散，拱座小条带内应力过分集中，使岩体在该部位渗透系数减为初始值的1 1 0 0 ， 渗水受阻，水压力增大，坝肩沿断层滑移而失稳。1 9 6 3 年意大利v a j i o n t 拱坝上游左 岸大滑坡( j a e g e r 。1 9 7 9 ) ，同年我国梅山连拱坝右岸基岩出现大量漏水险情( 汝乃华， 1 9 8 8 ) ，以及很多岩体滑坡事故都与岩体渗流直接有关，这些工程事故促进了裂隙岩体 渗流研究工作。 j o n e s “1 ( 1 9 7 5 ) 、s n o w “1 ( 1 9 6 8 ) 、g a l e 。1 ( 1 9 8 2 ) 、k r a n z “1 ( 1 9 7 9 ) 等学者在不同的实 验条件下，对各种岩石进行了渗透实验，均得到了相应的经验公式。w i s o n 和 w it h e r s p o o n ( 1 9 7 4 ) 、o h l 3 i s h ( 1 9 8 5 ) 、o d a ”1 ( 1 9 8 5 ) 等学者先后应用数值模型，采用 有限元的方法研究了裂隙岩体渗流问题。z i m m e r m a n “1 ( 1 9 9 3 ) 对单相流体一裂i 辣耦合非线 性扩散方程进行了深入的研究。 在国内，8 0 年代末、9 0 年代初，随着大型水利工程的勘察修建，黄河水利委员会、 长江流域规划办公室三峡勘察大队先后引进技术，在黄河小浪底水电工程和三峡水刹 第一章绪论3 工程做了现场三段压水试验，求岩体裂隙渗透张量。中国地质大学田开铭教授、万力 博士( 1 9 8 8 年) 对裂隙水研究做了大量工作。南京水利科学研究院毛昶熙教授9 1 ( 1 9 9 1 年) 、北京水利科学研究院张有天教授“”( 1 9 8 0 年) 和河海大学钱孝星教授“”“等对裂隙 水运动和求解方法提出了一些独到的见解。 周创兵等m 1 ( 1 9 9 7 ) 研究了地应力对裂隙岩体渗透特性的影响。郑少河，赵阳升等 “”( 1 9 9 9 ) 对三维应力作用下天然裂隙渗流规律进行了实验研究。李定方，万力“” ( 2 0 0 0 ) 、张家发，李思慎，叶自桐1 ( 1 9 9 8 ) 、张有天，周维垣“”( 1 9 9 9 ) 等学者， 就渗流对裂隙岩质边坡的影响进行了研究。王媛，速宝玉m 1 ( 2 0 0 2 ) 对单裂隙面渗流特 性及等效水力宽度进行了研究。国内外还有其他学者在裂隙岩体渗流方面做了大量研 究工作n 9 1 “。 i 2 1 边坡岩体中地下水压力作用机理 边坡岩体中的地下水产生的水压力包括静水压力和动水压力。静水压力是对孔隙 水压力、裂隙水压力及浮托力等的总称。为区别一般水体中的静水压力和地表作用于 非透水边坡面上的静水压力，并考虑边坡岩体中可能赋存在地下水的持点，可统称这 类静水压力为空隙水压力或广义孔隙水压力。任一单位面积所受的静水压力： p = y w h ( 卜2 一i ) ，。为水的容重，五为水柱高度，力的方向垂直于作用面( 一般为岩体结构面) ，属于面 力；动水压力系由地下水的水力梯度使地下水在运动过程中施加于岩体上的力，亦称 渗透压力，是一种体积力。在均质各向同性的条件下，单位体积作用于岩体上的动水 压力为： d = ，。j ( 1 2 2 ) ，为水力梯度，力的方向与水的渗流方向一致，而在各向异性的条件下，力的方向与水 力梯度的矢量方向一致。 岩体边坡中的地下水压力主要表现在静水压力和动水压力两方面，其作用效果使边 坡结构体的稳定性降低。当潜在崩滑体( 或结构体) 相对不适水时，广义孔隙水压力作 用于岩体结构面( 潜在破坏面) 上，表现在三个方面：( 1 ) 降低该面的正应力，减小摩阻 力，进而降低崩滑体的抗滑力；( 2 ) 动水压力沿边坡l 临空面产生的分量增加了下滑力； ( 3 ) 孔隙水压力的“水楔作用”推动了裂隙的扩展进程，进而破坏岩体，使边坡发生渐 4 裂隙岩质边壤渗流场与应力场耦台分析及工程应用 进性破坏。 岩体结构面中地下水压力的重要作用是降低结构面的有效抗剪强度。在饱水的结构 面中，某一点的应力状态决定于自重应力、构造应力、地下水压力、温度应力及其他 附加应力，作用在该结构面上某一部分的应力是通过岩石接触点和水体来传递的。若 水体传递的正应力等于结构面的孔隙水压力，根据o t 曲线，当不考虑孔隙水压力 作用时，结构面上正应力盯。的大小与抗剪强度f ，的关系符合c o u l o m b 强度定律： 7 ，= c + 口f g 伊 ( 1 2 3 ) 式中，g 猾别是结构面的粘聚力和摩擦角。当有孔隙水压力p 作用时，基于t e r z a g h i 的有效应力原理，结构面上的有效法向正应力降低，则抗剪强度为： ，= c + ( 仃一p ) t g 妒 ( 卜2 4 ) 显然，结构面的抗剪强度至少降低了p 留伊。孔隙水压力p 愈大，则抗剪强度降低幅度 愈大( 图1 - 2 1 ) 。如果考虑地下水对结构面& 椎的降低作用( 对有充填物的结构面， 通常是巨大的) ，结构面抗剪强度的减小幅度则更为显著。 圈卜2 1 水对岩体中应力状态的影响示意图 l2 2 单一裂隙渗流规律研究 在单裂隙面的渗流特性方面，前苏联学者l o m i z e ( 1 9 5 1 ) 1 、r o m ( 1 9 6 6 ) ，法国学者 l o u i s ( 1 9 6 9 ) 等首先进行了平行板裂隙的水流实验，证明了立方定律，即缝隙中的流量 与隙宽的三次方成正比。而实际天然情况下的裂隙面大多是粗糙不平的。 l o m i z e ( 1 9 5 1 ) 、l o u i s ( 1 9 6 9 ) 、n e u z z l ( 1 9 8 1 ) 、b a r t o n 1 、w a l s h 1 、周创兵等相继 对粗糙裂隙的水流特性进行了研究，根据对粗糙性定义的不同，分别提出了相应的修 正立方定律。l o m i z e ( 1 9 5 1 ) 在室内进行光滑等宽平行板单裂隙水力学实验，证明了 单裂隙岩体中地下水运动的立方定律： 第一章绪论 5 k ，：丝i 1 2 l( 1 - 2 - 5 ) g = 毒j ，l 式中：k ，为裂隙的渗透系数；q 为裂隙的单宽流量；b 为裂隙张开度；，为沿裂隙方 向的水力梯度；为水的运动粘滞系数；f 为重力加速度。 实际岩体裂隙的隙宽是变化的，影响裂隙隙宽的因索有：裂隙隙面粗糙度、裂隙 的充填程度以及岩体所处的应力状态。处于一定应力环境下的裂隙面两壁是凸凹不平 的，两壁面的形状是不一样的，否则压力的存在早使这些裂隙闭合。在实际中，对 粗糙裂隙水流问题处理，一般采用两种修正方法：一是修正裂隙隙宽。 w i t h e r s p o o n ( 1 9 8 1 ) 建议对典型裂隙测得其最大隙宽b 。及宽度频率分布函数，用相应 公式求得裂隙的等效宽度；另一种方法是运用岩体裂隙粗糙度( j o i n tr o u g h n e s s c o e f f i c i e n t ) ) 来修正单裂隙水流公式。“。 若裂隙中存在充填物时，给相应的流量公式乘以充填物的渗透系数；若充填物的 渗透系数难于确定，在实际裂隙测量时，若发现裂隙充填，测量裂隙隙宽时应去掉充 填部分宽度，测得未充填的裂隙隙宽，代入相应裂隙流量公式中计算裂隙渗流量。 变形岩体中单裂隙渗流是指岩体受正应力或剪应力作用时，岩体中裂隙发生变 形，主要是裂隙隙宽改变，从而影响裂隙渗流规律。应力环境对裂隙隙宽影响的情况 有：在沟谷或河流岸坡上的岩体，由于沟谷或河流下切，造成边坡岩体应力释放回弹 而产生卸荷节理，这种应力环境的改变引起裂隙隙宽增大；岩体从地表向地下深处， 自重应力逐渐增加，岩体裂隙隙宽逐渐变窄，以至闭合；在工程活动作用下，岩体应 力场发生改变，从而使岩体裂隙隙宽改变。因此，研究变形岩体中单裂隙渗流特征， 具有重要的理论和实际意义。 l o u i s ( 1 9 7 4 年) 在试验的基础上，提出了裂隙岩体渗透系数与正应力( n o r m a l s t r e s s ) 之间的关系式，即： k ，= 畔e x p ( - a c r ) ( 卜2 6 ) 式中，足：为盯= 0 时裂隙岩体渗透系数；a 为待定参数。 仵彦卿( 1 9 9 5 ) 在研究某水电站坝址岩体的渗流与应力关系肘，根据实验数据得 出了之问具有分形关系，即： k ，= x 0 ，盯一d i( 1 2 7 ) 6 裂敬岩矮边城谤漉场与斑力塌耦台势辑及王程应用 式中，d ，为岩体裂隙分布的分维数。 当岩体中仅存在单一裂隙，且裂隙面上承受正应力( a ) 和水流渗透压力( p ) 作用时， 擎裂隙渗流速度公式霹表示为： 矿= 罄j ，e x p 一( 仃刊】 限2 哪 式中，岛为裂隙初始隙宽；p 为裂隙中渗透水压力；y 为地下水的比重；其它符号意义 阍前。 1 2 3 裂隙岩体渗流场的数值模拟 渗滚计葵即是在已翔定惩条转下求鲻渗滚控露l 微分方程，跌获褥渗滚场瘩头努毒 和渗流量簿渗流要素。边坡岩体的渗透破坏、库坝浸润线的变化殿坝基扬压力的确定、 者俸中石演渗流、缝下工程熬茨渗浚；等无不与渗流诗冀有关。键由于甏藏岩俸渗流 介质的非均质性和各向异性特性、边界条件和几何形状的复杂性、初始条件的不确定 褴等因素制约着解析法在渗流计募中的广泛应用”3 。 自从1 9 7 0 年w w i t t k e 用有限元法计算裂隙水的水流及1 9 7 2 年k r i z e k 等用有限 麓分法计算了各种裂隙网络系统内的流势分布，开创了数值计算方法在渗流计算中应 用戆历史。嚣蘸，数值计箨方法纛论在渗漉理论分撰及工程应用审均褥到了广泛皮震。 数值计算方法主鬻包括有限元法、边界元法、有限解析法、有限麓分积分法等。 有袋嚣法毒疆元浚放渗流豹玛溪器两弱毪戮 凄蒺蚤彝买性、麸警瑟滔麓瑙复 杂岩基的三维渗流分析、从理论研究到实际工程威用均怒岩体渗流计算中理论研究最 成熟、应用最广涎笳数值计算方法。 边界元法张有天等和d t n u m b e r 等利用边界元法在岩体渗流计算方馘做出 了较大的贡献”3 。由于边界元法仅需对渗流域边界进行离散及采用无限介质中点荷 载或点源豹理论聪为基本公式，故翻有限元法相比具有糖度高、计算工髂爨少等优点， 且可直接处理无限介质问题。该法特别邋用于无限域或半无限域问题。然而，边界元 法龟舂其不是之缝：对多拳牵奔囊瓣蘧及蘩线性弱越熬处攥不方矮；我数方程缎悉数矩 阵为满阵( 单一介质) 和块阵( 多种介质) ，因此，面对裂隙岩体的非均质各向异性特性， 边界元法癍爝不瑟活。 有限解析法有限解析法已被用于求解l a p l a c e 方程、热传导方程及 n a v i e r s t o k e s 方程。基本思路是将整个渗流区域分割成肖限的小单元，在任一，j 、单元 第一章绪论 7 上将非线性方程线性化，并给出单元上满足边界点变量值的边界函数，用分离变量法 求其解析解，且在单元中心取值，可得每个节点与周围节点之间的代数方程式。该法 的难点是需要求出单元解析解，克服这一难点的关键是边界函数的选取。任大春。2 1 对 有限解析法在岩体渗流中的应用进行了探讨。 1 2 4 裂隙岩体渗流与应力耦合作用 水在岩体中的渗透是水流在渗透力作用下的一种运动形式，水流因水分子之间的摩 阻和水流与土骨架的摩阻而损失能量，尤其是后者，易使土颗粒作功，产生位移，导 致土体压缩而变实。这种土体由于渗透产生的体积缩小现象称为渗透压密。而土体的 固结过程实际上是土体中水体的排出而使有效应力增加的过程，对饱和土或密实土在 正常荷载的作用下，孔隙体积变化很小，因此渗透系数比较稳定，即应力场对它的影 响不大，而对岩体渗流则不然，应力与渗流之间存在着非常明显而重要的耦合关系“3 3 5 】 由于裂隙岩体渗流可概化为裂隙网络流，而应力场的变化主要导致岩体的裂隙变 形，所以裂隙面对岩体渗流具有决定性的影响。裂隙的渗透能力取决于裂隙的平均开 度，渗透张量受应力场的影响。水对岩体具有力学的、物理的、化学的等各种作用， 这些作用会影响岩体的强度和变形特性，侵蚀岩体，并且在岩体中以体积力的形式作 用一个渗流力场。渗流水对岩体具有两方面的作用：其一是各种作用导致岩体强度的 降低，其二是附加的渗流力使岩体的变形发生变化，应力调整，降低岩体的稳定性。 而在岩体上修筑工程结构物后，边坡开挖卸荷，地基回弹等应力系统调整使岩体所发 生的变形，也会导致岩体渗流特性的变化，从而又导致岩体渗流场的变化。这种岩体 应力与渗流之间形成的相互作用关系，称作渗流一力学耦合作用 ( p e r c o l a t i n g - m e c h a n i ci n t e r a c t i o n ) 。 1 2 5 节理裂隙岩体损伤力学研究 损伤力学( 包括宏观损伤力学和细观损伤力学) 着重研究各种载荷条件下材料和结 构中各类损伤( 如弹性、塑性；脆性、延性；蠕变、疲劳；静力、动力等) 随变形而发 展并最终导致破坏的机理、过程和规律。近年来，损伤力学已迅速发展成为固体力学 和工程技术界的一个研究热点，并在诸如复合材料科学、岩体力学等众多领域得到应 用，显示出良好的发展前景。“。 8裂簸卷囊逸壤渗瀛嫣与巍力场耩台势辑及工程痤瘸 d r a g o n ，k r a j c i n o v i c 和c o s t i n 。”等最早将损伤力学皮用于岩石材料。凌建明o ”等 又将其应用延伸到节理裂隙岩体。目前，岩体损伤力学研究的方法多以节理裂隙的几 何绞计特缎为基破，通过损伤张爨来反映裂隙的嚣向异性效应，然后应髑宏蕊损伤力 学的方法建立节理裂隙岩体的弹( 攫) 性损伤模型。研究内容包括节理岩体损伤张鼹的 定义、弹( 鍪) 缝撩痿( 薮爱) 摸型豹建立、考建损经戆爨瞧强度爱测、擐经与渗滚戆辍 合以及岩体损伤本构关系、损伤演化方程的探讨等。 节理鬻体豹镄饶税瑾癍获宏鼹饔缀躐( 徽鬟) 灏方面避行研究，并力求将两者结合 起来加以分析。节理岩体的宏观损伤破坏一般由原有裂隙的起始扩展到失稳扩展( 对应 予初始损伤的演化发展过程) ，在宏观贯邋性破裂黼形成戳后，将导致最终的失稳和破 坏。这一点己为大量实验瑷象和工程实践所验证。但是，对此过稔中损伤演化的缎节， 尤其是细观损伤的演化机理、特征及其作用却并不十分清楚，而真正要掌握岩体的损 揍骧蓼捉疆，更疑基本意义夔还蹩缨鼹接经特鬈瓣臻讨，毽为岩体豹宏淡损褒浚铯过 程是以岩桥，尤其是裂隙端部及其附近的细观损伤机理为基础的，宏观损伤特征只是 坌黉观损伤臻莱豹宏器表溪。疑缀辫损痿撬淫鑫茇可馥为臻经交灌、损伤演纯，疆及 考虑损伤的强度理论赋予较真实的几何形象和物理过程，并由此分析宏观的非弹性变 形、损伤演化发鼹和断裂等问题。 1 2 6 裂隙岩体边坡非饱和渗流研究 边竣稳定性翳控割因素是岩体结构瑟懿撬剪强度。岩 零结橡甏努嚣类：磋结梭瑟及 软结构面。微风化及新鲜岩体中的结构颟如无充填物可视为便结构面，这类结构面的 挠赘强瘦蒸本不受永龚孽影响。砉体串熬意漉震 串壤耪豹断层、瑟阗锘动带浚及节理袭 隙等为软结构面。充填物质遇水软化，使结构面抗剪强度显著降低。 自8 0 年代戳来，国井对这一闯题的研究丑趋活跃，溺内在这方面的研究也受到有 关学科的熏视。对于岩石节理饱和渗漉，渗透参数与流体性质和节理几何特征有关， 在某一应力状态下可作为常数处联。岩石节理饱和渗流规律可用立方定理或广义立方 定理。1 以及沟接澈模型撼述嘲。艇对于j # 饱和渗滚，本、气或渡莓滚体避过节璎网络 遴动，其渗透特性远比单相饱和渗流复杂。岩石节理非饱和渗透参数不仅与流体性质 移节理懿晁薅特缝有关，霖基还与瓷窝发有关。辍然过去在多我余矮l i 镶和渗浚垂 究 方面己积累了较多经验，但多孔介质非饱和渗流理论能谮应用于耢石节理非饱和渗流 磷究，商霄待深入探讨w 。 第一章绪论 9 降雨的入渗，一方面使岩体抗剪强度降低( 在饱水状态下抗剪强度有时比天然状 态下下降2 2 1 一4 2 2 ) “，另一方面在岩体地下水位抬高过程中使非饱和区的渗流 荷载逐渐加大，这就使原来稳定的裂隙岩质坡产生大规模的塌滑。降雨首先使岩体表 部饱和，雨水通过裂隙向地下深部渗透过程中，在地下水位以上非饱和区形成渗流荷 载，其荷载的分布与大小不仅与裂隙开度和地下水位密切相关，更与降雨强度和历时 有关。当降雨过程长，降雨量又较大时，就会在非饱和区形成暂态的饱和区，产生较 大的暂态渗流荷载，并且这种荷载又是作用在岩体上部，对边坡稳定更为不利。 1 2 7 边坡稳定性分析方法评述 目前边坡稳定性评价方法多种多样，但由于边坡稳定受多方面因素影响，而各 因素具有不确定性( 模糊性、随机性、信息不完全性和不确定性) 和复杂性，边坡稳定 评价不能仅依赖于单一方法。常用的有如下几种分析方法： 有限元方法有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用得最早的方 法，也是目前最广泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、 粘塑性等问题。其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体 的应力、应变大小和分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺 点，可近似地根据应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制；但它还不能很好地求 解大变形和位移不连续问题，对于无限域、应力集中等问题的求解还不理想“”。 离散单元法自从c u n d a l l 首次提出离散单元d e m ( d i s t i n c t e l e m e n tm e t h o d ) 模型以来，这一方法已在岩土工程和边坡问题中得到日益增长的应用。离散单元法的 一个突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移，分离与倾翻等大位移的同时，又能 计算岩块内部的变形与应力分布。 d d a 方法由石根华与g o o d m a n 提出的块体系统不连续变形分析( d i s c o n t i n u o u s d e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 是基于岩体介质非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方法 【 】 还有f l c ( f a s tl a g r a n g i o na n a l y s i so fc o n t i n u e ) 数值分析方法1 ；自适应有 限元法：数值流形方法n m m ( n u m e r i c a lm a n i f o l dm e t h o d ) 与无单元法；神经网络法： 遗传算法等。 裂隙岩质边坡渗流场与应力场耦台分析及工程应用 1 3 研究内容与研究思路 本文主要结合节理裂隙岩质边坡的工程实际，在研究讨论了节理裂隙的物理力学 性质的基础上，分析了裂隙岩体的渗流特性，根据断裂损伤力学理论，分析了节理裂 隙岩体边坡的损伤扩展机理，推导建立了相应的本构方程，并考虑了裂隙水压力及边 坡开挖卸荷对裂隙岩体的开裂损伤影响。分析了降雨入渗及非饱和渗流特性，并建立 了相应的分析数学模型。采用裂隙网络模型，分析了裂隙岩质边坡中，渗流、应力及 裂隙壁变形的相互影响关系，建立渗流场与应力场的耦合数学模型。对实际节理裂隙 露天岩质边坡进行了大量的现场工程地质调查及岩体、岩石、节理面的相关物理力学 性质测试，分析了降雨及开挖卸荷对该边坡稳定性的影响机理和影响程度，并提出了 相应的处理对策。 具体研究内容如下： 1 介绍研究了含裂隙岩体的裂隙性状及力学特性，为裂隙岩体的渗透性分析、断裂损伤 分析及渗透与应力耦合关系分析提供基础； 2 研究了岩体节理裂隙面的变形与渗透性，裂隙岩体的渗透性，推导出裂隙岩体的渗透 张量： 3 从断裂力学及损伤力学的理论出发，建立了节理裂隙岩体的损伤张量和等效柔度张 量，分析了水对裂隙强度的影响及边坡卸荷对裂隙扩展的影响；研究了渗透张量随 裂隙损伤断裂发展的演化，提出了考虑渗透水压力的裂隙损伤扩展的本构模型。 4 建立了边坡裂隙网络饱和非饱和渗流模型，并推导了控制方程，分析研究了降雨入渗 及非饱和渗流特性，建立了相应的分析数学模型。探讨了饱和非饱和渗流对裂隙岩 质边坡稳定性的影响机理。 5 对边坡裂隙中渗流对裂隙壁的作用力、外力对裂隙渗流的影响及岩体自重应力对裂 隙渗透系数的影响进行了分析研究，提出了渗流、应力及损伤的耦合分析模型。 6 对曾多次出现滑坡的裂隙岩质边坡进行了大量的现场工程地质调查，对边坡岩体的 结构特性及岩石的物理力学性质进行了现场和室内试验，利用前面的理论方法和模 型，从定性和定量两个方面分析了降雨及开挖卸荷对该边坡稳定性的影响。 第二章岩体的裂隙性状及力学特性 第二章岩体的裂障性状及力学特性 岩体的节理裂隙及空隙是地下水赋存场所和运移通道。岩体节理裂隙的分布形状、 大小、连通性以及空隙的类型，影响岩体的力学性质和岩体的渗透特性。岩体中节理 面的空间分布取决于产状、形态、规模、密度、张开度和连通性等几何参数。 2 1 岩体裂隙的几何特性 天然节理裂隙的表面起伏形态非常复杂，但是从地质力学成因分析，岩体总是受 到张拉、压扭、剪切等应力作用形成裂隙，这种作用不论经历多少次的改造，其结构 特征仍以一定的形貌保留下来，具有一定的规律性。 裂隙面形态特征的研究越来越受到重视，在确定裂隙面的导水性质及力学性质方面， 其作用越来越大。近几十年来，国内外许多学者从事这方面的研究“，积累了大量 的经验。 2 1 1 裂隙面形态及模型 裂隙面的形态主要反映裂隙面的面积接触率、表面粗糙程度、充填和胶结程度。 裂隙面的形态规模按大小可分为两级：第一级凹凸不平度称为起伏角度，常用相对于 平均平面的起伏高度或起伏角表示，如图2 - 1 1 所示，它反应了裂隙面总体起伏特征； 第二级凹凸不平度称为粗糙度，它反映了裂隙面上次级微小起伏现象。b a r t o n ( 1 9 7 8 ) 建议采用粗糙度系数朋f 表征裂隙面粗糙程度。彤虽然被广泛应用，但它有三个方面 不足：( t ) 因它是针对裂隙面提出的，所以严格的讲，它不适用于有充填物的其它不 连续面；( 2 ) 它是描述裂隙面线形态的，而整个裂隙存在方向性问题；( 3 ) 它是一种 经验数据，应用时不可避免地出现人为因素的影响。 图2 - 11 裂隙凹凸不平度 1 2 裂隙岩质边坡渗流场与应力场耦台分析及工程应用 岩体裂隙的重要表现就是节理起伏形态及节理张开度。对于节理裂隙的起伏形态及 张开度常用的描述方法有： ( 1 ) 平行板模型认为裂隙是由光滑、平直、无限长的平行板构成的，如图2 - 1 2 所示，平行板间无充填介质，水流为粘性不可压缩流，且为定常层流。根据流体力学 基本原理，通过裂隙面的单宽流量q 为 q = 告 ( 2 - 1 - 1 ) 此式即为著名的立方定律，式中：b 为裂隙宽度；y 为液体密度；u 为水流运动粘滞系 数；j ，为沿裂隙面方向的水力坡降。 当流体为水时，式( 2 - 1 一1 ) 可表示为： q = 面g b 3j ，(2-1-2) 式中：g 为重力加速度，其它符号意义同前。 l o m i z e ，r o m m ，l o u i s “”等分别以平行玻璃板( 光学光滑) 模拟裂隙，相继对单条 裂隙水流在层流时立方定律式( 2 - 卜2 ) 的有效性进行了验证。 图2 - 1 2 裂隙平行板模型 ( 2 ) 沟槽流模型由于岩体中的真实裂隙面是粗糙的，许多裂隙面并非平直，部分 缝隙还可能被充填物堵塞或者为垂直于裂隙面的法向应力作用而闭合，绝大部分水流 将集中在张开度较大的少数沟槽内，t s a n g ( 1 9 8 7 ) 将这一现象称为沟槽流，从而提出 了沟槽流模型，见图2 - 1 - 3 。 图2 - 1 3 袈隙沟槽流模型 第二章岩体的裂隙性状及力学特性 ( 3 ) 正弦模型研究表明0 2 “，对于天然裂隙的粗糙表面，可视为由多种波长和 幅值谱系构成的凹凸不平的形貌，此时如果直接用立方定律来求解其渗流参数就会出 现误差。因此对于波浪形裂隙，可用理想化的正弦模型来描述裂隙面的几何形态。 对于一个理想铰合的几何剖面，可用图2 - 1 4 表示。图中反映出剪切和法向变形 所引起裂隙开度分布的变化，假如沿曲线的横截面裂隙开度没有变化，隙壁波幅为k ， 剪切位错为n ，波长为九，则沿z 方向任意位置的裂隙开度6 为。“： 咖讣n ( 竿) 一 ( 2 - 1 - 3 ) 图2 - 1 4 正弦裂隙模型示意图 ( 4 ) 锯齿模型该模型可用来描述岩体中含锯齿状结构面的裂隙性质，见图2 一卜5 。 图215 锯齿形裂隙模型 ( 5 ) 分形几何理论由m a n d e l b o r t ( 1 9 7 7 ，1 9 8 2 ) 创立的分形几何可定量描述自 然界中粗糙的、不规则的几何边界。研究认为邮1 ，断裂面的形成经历了微观到宏观的 一个断裂过程，在微观水平上岩石断裂可能是岩石的沿晶和穿晶断裂造成的，它形成 了晶粒尺度上的粗糙性，而宏观尺度上的粗糙性可能存在于一个相当大的尺规范围， 因此岩石的断裂面是一种自然分形，岩石断裂面的几何形状可由分形维数进行定量描 述。 2 1 2 裂隙面的产状与规模 1 4 裂隙岩质边坡渗流场与应力场耦合分析及工程应用 裂隙面的产状是描述裂隙面在三维空间中方向性的几何要素，它是地质构造运动的 结果，因而具有一定的规律性，即成组定向，有序分布。根据地质勘察结果，应用赤 平极射投影方法可将岩体中的裂隙概化为几组优势结构面。每一组优势结构面都具有 大致相同的产状。大量优势结构面的不同产状组合，就决定了岩体结构的方向性，即 各向异性特征。在同一次地质构造运动过程中，在同一地区形成的优势结构面往往具 有大致相同的产状。 裂隙面产状是研究裂隙岩体渗透性和力学性质的重要指标，是渗透张量和损伤张 量计算中的一个重要几何参数。在实际测量中，一般用裂隙面产状要素表示。裂隙面 产状要素通常有两种表示方法：( 1 ) 产状要素法；( 2 ) 法线矢量法。产状要素法通常 表示为旺 b ，为倾向，d 为倾角：法线矢量法是用裂隙面法向矢量的方向余弦表示裂 隙面产状的方法，它是渗透及应力耦合分析中常用的方法。 如图2 - 1 6 所示的坐标系，设x 1 轴负向与地理北( n ) 一致，x 2 轴正向与地理东 ( e ) 一致，x 。轴正向朝上。设裂隙面倾斜矢量为万，法向矢量为亓，则法向矢量方向 余弦可用产状要素表示为： 玛= 一c o s a s i n p l 行：= s i n 口s i n ( 2 1 4 ) 吩= c o s , 8j 影 图2 - 1 6 裂隙面法向矢量的坐标表示 裂隙面的规模是一个较难描述和测量的参数，一方面因为裂隙的形状是未知的，因 此不能确定用何种参数来定义裂隙面的大小；另一方面裂隙面的规模不象裂隙的产状、 间距等参数能在岩石暴露面上直接测出来。在岩体三维渗流与损伤分析中，大多数学 第二二章岩体的裂隙性状及力学特性 者把均质结晶岩体中的结构面视为圆盘状，在层状介质中则多视为长方形。对于圆盘 状裂隙，一般用圆的半径或直径作为裂隙面的特征长度。 2 1 2 裂隙面的问距和密度 裂隙面的间距和密度是表示岩体中裂隙发育密集程度的指标。在表征岩体完整性、 强度、变形以及在渗透张量计算中都需要用到裂隙面的间距和密度。 裂隙面间距是指同一组裂隙在法线上两相邻面间的距离，常用s 表示。对同一组裂 隙一般认为裂隙问距相等。在实际野外测量中，布置一条测线，应尽量使测线与裂隙 组走向垂直。分组逐条测量裂隙与裂隙之间的距离，即可求出裂隙组的平均间距。 裂隙面的密度按物理意义的不同可分为三种：线密度、面密度和体密度。 裂隙面的线密度是指该组裂隙面法线方向上单位长度内裂隙面的条数，常用械示。 线密度九与裂隙面的间距s 成反比关系，以组裂隙面为例： 五一1 _ j ! 一( 2 - 1 5 ) 2 i 2 可一 一a ， o 己- s i n a ，j c o s 瞩- p ) l 式中：l 为