（岩土工程专业论文）高边坡岩土饱和非饱和渗流模型研究及其工程应用.pdf

摘要 摘要 饱和非饱和渗流问题的研究近年来成为现代岩土力学的一个重要分支， 其原因是该领域的研究涉及到诸多工程应用，如水利水电工程、石油二次开 采、核废料处置等等。目前该领域在数学模型、室内外实验、计算程序三个 方面取得了一定的进展。就岩体介质而言，针对这几个方面，存在以下几个 问题：一是饱和非饱和渗流力学参数很难确定，特别是裂隙岩体非饱和渗流 机理还不明确，如何选择合理的渗流数学模型也有待研究；二是非饱和岩土 介质的力学参数的研究，目前主要是通过室内外试验确定，如何将多尺度力 学实验与宏观力学性质相结合，还少有深入的分析；三是饱和非饱和渗流场 与应力场耦合问题，将两场耦合结果应用于工程实际还缺少深化。本文研究 工作主要基于上述三个难点和科学问题，致力于岩土介质渗流机理与模型的 构建，以及相关力学参数的研究，并将研究结果应用于降雨作用下的高边坡 稳定性评价。 论文的主要研究成果和研究工作归纳如下： 1 、对当前岩土饱和非饱和渗流数值模型、饱和非饱和力学参数，及其 降雨入渗边坡稳定性的基础理论、已有成果和研究现状进行综述。特别是单 裂隙渗流模型和影响单裂隙渗流的水力参数研究现状，以及降雨影响下的非 饱和高边坡稳定性研究状况。在分析现有研究成果不足的基础上，提出了一 些待研究的问题。 2 、根据岩体结构面的几何参数和力学参数统计值，建立由平行四边形 描述的岩体三维裂隙网络，在岩体结构宏观分区的基础上研究r e v ，借助于 分形几何方法，将分维数作为表征岩体r e v 的指标；运用逾渗理论，定量 研究裂隙网络连通性，推导了基于分形维数表达的裂隙岩体渗透张量的理论 公式；在此基础上研究裂隙岩体渗透张量的等效条件和尺度效应，并提出基 于分形维数的裂隙岩体渗透表征单元体的确定方法。 3 、在岩体三维裂隙网络以及分形维数计算的基础上，基于毛细吸持理 论和s i e 印i n s 虹空间的假定，建立用分维数表示的，并考虑最小裂隙开度影 响的裂隙岩体渗流毛细压力一有效饱和度关系曲线，将该表达式与 b r o o k c o r e y 非饱和模型对比。对裂隙开度和裂隙密度进行敏感性分析，研 究不同范围内，相对渗透率、有效饱和度与裂隙开度的关系。 4 、从非饱和岩土介质的受力机理出发，借助于非饱和岩土介质的微观 物理模型，推导由毛细吸力引起的基质吸力与附加有效应力的解析表达式， 探讨了非饱和土中水膜作用对总基质吸力的影响。分不同饱和度，分析了非 摘要 饱和介质中总基质吸力组成。结合试验资料，研究介质含水量、颗粒半径对 非饱和抗剪强度的影响，验证了模型的合理性。 5 、运用本文发展的岩体等效渗透张量，以及非饱和渗流本构模型，在 饱和非饱和渗流理论基础上，采用商业软件a b a q u s ，对古水水电站坝前堆 积体边坡进行饱和非饱和非渗流实例计算，重点研究降雨入渗边坡非饱和区 形成的暂态水压，水分运移过程，以及降雨强度和降雨持时等因素下影响下 饱和非饱和渗流场的变化规律。 6 、基于降雨作用下古水水电站坝前堆积体渗流场计算结果，采用考虑 基质吸力作用的非饱和岩体抗剪强度理论，研究非饱和强度随基质吸力的变 化规律，建立了渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型，应用非饱和流固 耦合有限元方法进行降雨入渗影响的边坡稳定性评价。 关键词：饱和非饱和渗流；岩体水力等效；渗透张量；非饱和抗剪强度；附加有 效应力；高边坡工程 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es e e p a g ei ns a t u r a t e d - u n s a t u r a t e dg e o t e c h n i c a lm e d i ai sa 1 1i m p o n a l l t s c i e n t i f i ci s s u e ，w h i c hc o n c e m e dm a i l yp r o j e c t 印p l i c a t i o n s u pt on o w ，c e r t a i n a d v a i l c eh a sb e e nm a d eo nm a t h e m a t i cm o d e l ，i ns i t ue x p e r i m e n ta n dc o m p u t e r c o d e h o w e v e r ，a c c o r d i n gt og e o t e c h n i c a lm e d i a ，m r e ep r o b l e m ss t i l ln e e dp r o c e e d ：( 1 ) t h es a t u i a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g em e c h a l l i c a lp a r 锄e t e r sa r ed i 伍c u l tt od e t e m l i n e d ， a n dt h es e e p a g em e c h a l l i s mi nf a c t u r er o c km a s si ss t i l lu n c e n a i n ，s oh o wt oc h o o s e t h es u i t a b l em a t h e m a t i c a lm o d e ls h o u l d b er e s e a r c h e d ；( 2 ) t h er e s e a r c ho nt h e m e c h a n i c a lp a r 锄e t e r so fu 1 1 s a t u r a t e dg e o t e c l m i c a lm e d i 啪i sm o s t l yd e t e 肌i n e db y i n s i t ue x p e r i m e n ，a i l dt h ec o m b i n a t i o no fm u l t i - s c a l em e c h a l l i c a lt e s ta n dm a c r o m e c h a n i c a lp r o p e i r t yi sl a c ko fp r o f o u n da i l a l y s i s ；( 3 ) t h ec o u p l i n gp r o c e s so fs t r e s s f i e l da l l ds a t u r a t e d u n s a t w a t e ds e e p a g ef i e l ds t i l lf o c u s e do nm e o r ya n a l y s i s ，t h e c o m p u t a t i o nr e s u l ti sd i 伍c u l tt og u i d et h ep m c t i c a lp r o j e c t t h er e s e a r c h 、v o r ki nt 1 1 i s t h e s i si sb a s e do nt 1 1 ea b o v et 1 1 r e es c i e n t i f i cp r o b l e m s ，f o c u s e do nt h ee s t a b l i s h e do f s e e p a g em e c h a n i s ma n dm o d e lo fg e o t e c h n i c a lm e d i u ma 1 1 dt h er e s e a r c ho fr e l e v a n t m e c h a n i c a lp a r 锄e t e r s t h er e s e a r c hr e s u l ti sa p p l i e di nt h es t a b i l i t ) ，a n a l y s i so fs l o p e u l l d e rr a i n f m l t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dr e s u l ti sa sf o l l o w s ： 1 、r o c ka n ds o i ls a t u r a t e d u n s a t u r a t e dn u m e r i c a lm o d e l s a t u i l a t e d - u n s a t u r a t e d m e c h n i c a l p a r 锄e t e r s ，a n dt h e o 巧 a b o u ts t a b i l i t yo fs l o p eu n d e rr a i n f a l la r e s u m m a r i z e d ，w i t l lt h ee m p h a s i so ns i n g l ef r a c t u r en o w m o d e lt h e o r ya 1 1 dt h ef a c t o r so f a 目e c t i n go ns i n g l e舶c t u r eh y d r a u l i cp a r u n a t e r s o n t h eb a s i so ft h e e x i s t i n g a c h i e v e m e n t ，t h er e s e a r c ht h o u g h t 锄dm e t h o di nt h et h e s i si sp u tf o r w a r d 2 、b a s e do nt h es t a t i s t i cf e a t u r eo ff r a c t u r eg e o m e t r i ca j l dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r ， 也et h r e ed i m e n s i o n 触c t u r en e t 、v o r kw h i c hs i m u l a t i o nm e t l l o db yf i n i t et e t r a g o n p l a n ei se s t a b l i s h e d r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a r ) ，v o l u m eo nm eb a s i so ft 1 1 ee v a l u a t i o n o fs t a t i s t i c a lh o m o g e n e i t yo fr o c km a s ss t n l c t u r ei ss t u d i e d ，f r a c t a ld i m e n s i o ni s r e g a r d e da si n d e xt 0d e f i n er o c km a s sr e v s c a l ei n d e x 。t h ec o i m e c t i v i 妙o ff h c t u r e n e 似o r ki sr e s e a r c h e dq u 锄t i t a t i v e l yb yp e r c o l a t i o nt h e o r y ，a 1 1 dt h et 1 1 e o r yf o 肿u l ao f s e e p a g et e n s o ro ff h c t l l r e dr o c km a s si sd e d u c e d 0 nt h eb a s i so ft h o s e 、v o r k ，t h e e q u i v a l e n tc o n d i t i o n s ，t h es c a l ee 腩c to ft e n s o rf o n np e 珊e a b i l 时o f 翩c t u r e d r o c ki s s t u d i e db ya p p l y i n g 疔a c t a lg e o m e t r ma n dt h em e t h o dt od e t e l l m i n et h ei e vb a s e do n i v t h e 矗a c t a ld i m e n s i o ni sp u tf o ，a r d 3 、b a s e do nt h r e ed i m e n s i o n 触c t u r en e t w o r ko fr o c km a s sa n dc o m p u t a t i o no f 仔a c t a ld i m e n s i o n ，a 1 1 do nt h eb a s i so ft h ec 印i l l a d rt h e o r ) ，a n ds i e 印i n s l ( is p a c e h y p o m e s i s ，t h e 矗a c t a jm o d e lf o ru n s 咖r a t e dh y d r a u l i cp a r 锄e t e r si n 纳c t u r e dr o c k m a s s e so fm n c t i o nb e t w e e nc 印i l l a d rp r e s s u r e ， e 疗、e c t i v ew a t e rs a t u r a t i o na n dr e l a t i v e p e 咖e a b i l i t yw i t hm i n i m 啪纳c t u r e 印e m 鹏c o n s i d e r e d c o m p a r e dp r o p o s e da n d t h e b r o o k - c o r e ym o d e lu n d e rd i 脓r e n tc a p i l l a r yp r e s s u r e ，t h es e n s i b i l i t ya n a l y s i so f f r a c t u r ea p e m l r ea n d 仃a c t u r ed e n s i t ya tc e r r t a i nr a n g e si sp r o c e e d e dt 0s t u d yt h e r e l a t i o nb e t w e e nr e l a t i v ep e r m e a b i l i t ) ，f r a c t u r ea p e n u r ea n de 行e c t i v es a t u r a t i o n 4 、 o r i g i n a t e d舶mt h e s t r e s sm e c h a j l i s m ， b ym e a n so fm i c r 0m o d e lo f 岫s a n 删e ds o i lm e d i a ，t h ea 1 1 a l y t i c a le x p r e s s i o no fc 印l l i a ws u c t i o nc a u s e db y c 印i l l a r ys u c t i o na n da d d i t i o n a le 廊c t i v es t r e s sa 虢c to nm a t 血s u c t i o ni sd e d u c e d c o m b i n e dw i t ho ns i t et e s t ，t h ei n f l u e n c eo fm o i s t u r ec o n t e ma n dp a n i c l er a d i u st ot h e u n s a t u r a t e ds h e a r s t r e n g t hi s 蚰j d i e d ，w h i c hp r o v e s m o d e l sc o 仃e c t n e s sa 1 1 d r e a s o n a b l e n e s s 5 、u t i l i z e dt h ee q u i v a l e n ts e e p a g et e 】勰o ra n dc o n s t h l t i v em o d e lo fu n s a n l r a t e d s e e p a g ei nt h et h e s i s ，w i t ht h eh e l po ff i n i t ee l e m e n t s o f h v a r ea b a q u s ，t h es a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g ec o m p u t a t i o no ft a l u so nt h e 自d mo fg u s h u iw a t e rp o w e rs t a t i o n i sp u r s u e d t h er e s e a r c he m p h a s i z e do nt h ep r o c e s so ft r a n s i e n tw a t e rp r e s s u r ei nt 1 1 e u n s a t u r a t e dz o n eo fs l o p ea n dt h ep r o c e s so fm o i s t u r et l j a n s f e r r i n gd 嘶n gt h er a i n f a u i n n u e n t t h ea l t e r a t i o nl a wo fs a t 咐t e da 1 1 du n s a t u r a t e ds e e p a g ef i e l du n d e rm u l t i i n n u e n c ef a c t o r si sa l s ob es t u d i e d 6 、b a s e do nm ec o m p u t a t i o n a lr e s u l to fs e e p a g ef i e l d ，a c c e p t e ds h e a rs t i e n g t h t h e o r yo fu n s a t u r a t e dr o c km a s s ，t h ea l t e r a t i o nm l eb e t w e e nu n s a t u r a t e ds t r e n g t ha n d m a t r i xs u c t i o ni ss t u d i e d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lt oc o m p u t et h es l o p es ta _ b i l i t y i n n u e n c e db ys e e p a g ef o r c ea n dm a t r i xs u c t i o ni ss i m u l a t e d锄dt h ef a i l u r e m e c h a n i s mt r i g g e r e db yr a i n f a l li n f i l t r a t i o ni sa n a l y z e d k e y w o r d s ： s a t u r m e d u n s a t u r a t e ds e e p a g e ；r o c kh y d r a u l i ce q u i v a l e n c e ；p e 衄e a b i l i t y t e n s o r ；u n s a t u r a t e ds h e 2 l rs t r e n 舒h ；a d d i t i o n a le n e c t i v es t r e s s ；h i g hs l o p e e n g m e e n n g v 前言 i o 刖舌 岩土介质饱和非饱和渗流问题涉及到众多工程应用领域，因而近年成为 岩土力学的一个重要研究内容。目前饱和非饱和渗流研究在数学模型、原位 试验、多场耦合等领域取得了突破性的进展，但饱和非饱和渗流水力学参数， 岩土介质的非饱和力学参数的研究有待深入开展。岩体渗流问题往往是影响 工程效益乃至工程成败的关键问题，研究岩体饱和非饱和水力参数，探索饱 和非饱和渗流影响下边坡渗流场的变化机理，对深入理解渗流机制和评价高 陡边坡的稳定性具有重要意义。 本文着眼于岩土介质渗流机理的分析与渗流模型的构建，对饱和非饱和 岩体的等效渗透系数，非饱和渗流本构模型，以及非饱和岩土体抗剪强度进 行了深入的研究，并应用于降雨作用的边坡稳定性评价。所做的研究对于深 入理解岩土介质饱和非饱和渗流机制，和评价高边坡渗透性及稳定性影响等 工程实践具有参考价值。论文主要创新性工作归纳如下： l 、借助于分形几何法，建立了岩体r e v 指标，应用于岩体渗透系数的 等效问题。基于逾渗理论，推导出岩体渗透张量，从裂隙自相似角度解释了 渗透系数张量的尺度效应。 2 、建立了可以考虑最小裂隙开度影响的岩体非饱和渗流本构模型。将 裂隙几何特征与岩体的非饱和渗流特征相联系。讨论了裂隙开度及裂隙密度 对非饱和渗流水力参数的影响。 3 、推导出毛细吸力引起的基质吸力与附加有效应力的解析表达式，通 过相关试验资料分析，分析了含水量、颗粒大小对非饱和抗剪强度的影响， 从细观力学机制上对试验结果作出了解释。 4 、运用本文发展的饱和非饱和渗流本构模型，采用考虑基质吸力作用 的非饱和岩体抗剪强度理论，对古水水电站坝前堆积体进行降雨入渗下的边 坡稳定性评价。 本文的研究获得以下基金项目资助： 国家重点基础研究发展规划项目( 9 7 3 项目) 灾害环境下重大工程安全性基础研究第七 课题( 2 0 0 2 c b 4 1 2 7 0 7 ) ； 国家自然科学基金( 5 0 5 3 9 1 1 0 ) 主要符号 符号意义 彳 6 d g h 主要符号士雯何丐 面积 裂隙开度 分形维数 重力加速度 总水头，水头 裂隙中水头 水头初值 斜率 水力梯度 渗透系数 渗透系数张量 岩体结构面渗透系数 渗透率 裂隙间距 面裂隙率 孔隙度 外法线方向 量纲 l 2 l l r 2 l l l l t 。l l t l l 2 l 压强 m l 1 r 2 凰 ， j k 置 蟛 七 l 腿 巾 玎 p 河海大学博士论文 逾渗概率 毛细压力 流量 含水量 饱和度 总应力 抗剪强度 裂隙开度 基质吸力 水一气表面张力 密度 渗流速度 ml 1 r 2 l 3 t l m l 1 t 2 m l 1 t 2 l m l 1 r 2 m l l r 2 m l 3 ，t l 工j 1 风 q 缈 仃 r r & c p y 学位论文独创性声明： 本人所提交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人依据发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 么超主墨 2 。8 年月日 论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本文电子文 档的内容和纸质论文的内容完全一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授 权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ! i 圣至笙 2 0 0 8 年 月日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 问题的提出 裂隙岩体渗流作为一个重要的科学研究和工程应用问题，近几十年来得到了 国内外学者的广泛性关注和持续性研究。我国一些大型水利水电工程、岩石工程 的兴建，以及欧美等发达国家地热开采、石油天然气开发、环境评估、地下存储 等重大问题的工程实践，最根本的理论基础是岩体力学性质与岩体渗流机理。着 眼于裂隙岩体渗流机理与模型的构建，以及相关数值方法的研究，具有重要的理 论价值和广泛应用前景。 1 9 0 3 年阿尔伯达州的龟山发生了大滑坡，造成7 0 余人的伤亡，淹没铁路2 3 0 0 多米；1 9 5 4 年建成的坝高6 6 5 米的法国马尔巴塞( m a l p a s s e t ) 双曲拱坝，在扬压 力的作用下，左坝肩部分岩体产生了不均匀变形和滑动，并于1 9 5 9 年1 2 月初次 蓄水时全坝溃决，造成5 0 0 余名士兵死亡，直接经济损失达6 8 0 0 万美元；1 9 6 3 年 1 0 月9 日，当时世界上最高的拱坝，2 6 3 m 高的意大利v a j o n t 拱坝在蓄水时，左岸发 生大型滑坡，事故引起的涌浪造成l o n g a r o n e 镇上2 5 0 0 人死亡1 5 1 。这几次事故使 人们逐渐认识到，岩体渗流问题往往是影响工程效益乃至工程成败的关键问题。 近二十年来，国际范围内开展了一系列大型水利水电工程、石油的二次开发 工程、核废料处置工程、高埋深高地下水位隧洞工程。就特大型隧洞而言：在建 的有锦屏二级引水隧洞，直径1 2 m ，长约1 8 k m ，最大埋深2 5 0 0 m ，工程区域存在 高地应力并且岩溶地下水发育；即将开工的有南水北调西线工程，引水线路必然 穿越得巴颜咯拉山区域地质背景复杂，环境条件恶劣，最长输水隧洞达7 8 i ( i i l ；拟 建的有联接西伯利亚与阿拉斯加的白令海峡隧道，水下部分全长1 0 3 1 锄【6 】。该类工 程的关键问题是在高应力和高外水压等复杂条件下的水力耦合作用是影响围岩稳 定性与工程安全的关键问题。 水利工程必然涉及到很多渗流问题。如坝体与岩基的接触面间的接触冲刷现 象，坝肩的绕坝渗流现象，地下厂房的围岩渗流问题，过大的集中流量和流速对 坝基的冲刷破坏，过高的孔隙压力对坝基稳定性的影响，水位变化对堤防渗流场 的影响导致局部迫降过大，天然降雨或者泄洪雾化雨对边坡稳定性的影响等等。 与其它岩石工程相比，这类工程所处地多位于我国西南区域，不仅规模巨大，而 且地理环境独特，岩体赋存环境及其复杂，在安全性经济性评价方面存在许多理 论和技术问题。目前分析渗流对水利工程的稳定性问题，大多基于多孔介质渗流 河海大学博士论文 概念模型，采用有限元数值模拟计算渗流场，主要集中于饱和区域的地下水流运 动。事实上，众多工程实例和科学研究表明，岩体渗流与土体渗流有着本质区别。 岩体中结构面的不连续性、岩体介质的非均匀性、各向异性以及赋存环境的复杂 性，导致了岩体渗流的不连续性、非均匀性、各向异性以及与应力相互影响的特 点。由于裂隙岩体的表征单元体很大甚至有可能不存在，经典的连续介质模型有 时候难以应用，而裂隙的空间分布又很复杂，故裂隙岩体饱和非饱和渗流的理论 分析计算均比多孔介质复杂。 总地来说岩体一般意义上的渗流研究包括4 方面的内容： ( 1 ) 单裂隙渗流理论的研究：即研究裂隙面开度变化及粗糙度导致的裂隙渗透 性的改变，同时水的湿化作用对结构面力学性质的影响也需要被认真考虑。 ( 2 ) 裂隙岩体渗流概念模型的研究：目前裂隙岩体的渗流研究中等效连续的方 法依然占据着主导地位，原因有两个：一方面是地质信息的“有限性 ，另一方面 是精确计算的“不可能性”。前者决定了岩石工程的稳定性，后者决定了渗流的计 算结果的准确性【_ 7 1 。目前等效连续方法和相应的数值方法均获得了很大程度的发 展，成为岩体渗流分析的主要方法。 ( 3 ) 裂隙岩体非饱和渗流本构关系的研究：即毛细压力一饱和度及相对渗透率的 关系曲线。 ( 4 ) 裂隙岩体渗流数值模拟方法的研究：数值模拟建立在上述3 方面的基础之 上，目的是认识渗流作用的规律，并应用于实际工程。比如对边坡工程来说，目 前的数值程序能够模拟出地下水位以上的非饱和区孔隙水压力暂时升高，产生暂 态的附加水荷载的现象，以及地表入渗引起的裂隙岩体力学强度指标降低，导致 边坡失稳。 本文旨在分析裂隙岩体饱和非饱和渗流机理，探讨采用等效连续介质理论分 析裂隙岩体水力学问题时涉及的基本内容，从裂隙网络自相似的角度出发，构建 岩体非饱和渗流本构模型，讨论非饱和力学参数的影响，并研究地表入渗( 降雨) 作用下边坡裂隙岩体饱和非饱和渗流，以及渗流场影响下岩质边坡稳定性等问题。 1 1 2 理论与工程价值 世界各国大规模的工程建设，推动了岩体力学的持续发展。目前，岩体力学 不仅应用范围广泛，且基础、研究内容、研究方法均取得了可喜的成绩。其中具 有代表性且尚未很好的解决的重要问题包括：裂隙岩体广义多场耦合问题、裂隙 岩体介质类型与数值分析方法选取问题及岩体力学参数取值问题。一方面，这三 个问题集中体现了岩体力学与工程发展过程中，人们对岩体这一研究对象的认知 水平的提高，另一方面，岩体力学的任何突破性进展，必然伴随着对岩体结构、 2 第1 章绪论 特性等内在规律认识的不断加深，并通过这三个问题的进展体现出来。 作为裂隙岩体广义多场耦合问题的一个分支，裂隙岩体饱和非饱和渗流问题 反映在，岩体的地质环境中，岩体力学性质和岩体渗透性能的相互联系和相互作 用。深入开展岩体力学性能与渗流机制的研究，有助于加深对岩体变形、破坏机 制、渗流机制以及荷载作用下岩体储水性质和导水演化机制的认识【8 】，它最终可以 帮助我们从多场多尺度角度加深对岩体变形破坏机理及稳定性的认识，增加对岩 石工程和地质灾害的评估、预测能力。在水电工程中，渗流的概化模型可以帮助 工程师理解高地应力和高地下水位的高坝复杂岩基，岩体高边坡，地下洞室或者 深埋隧洞工程施工中开挖、加固、防渗等各种现象。在石油的二次开采和二氧化 碳的地下封存中，渗流研究可以优化开采和封存方案，帮助工程师更为准确地预 测开采量以及更为合理地评估抽油和回灌引起的地质灾害。在核废料地下处置中， 渗流研究是成功解决问题的关键，它不仅在处置场的设计和施工中起到了决定性 的作用，而且对处置场的总体特性分析和安全性分析也起到了不可替代的作用。 岩体介质类型与数值分析方法是研究岩体各场相互作用的手段，而岩体参数 是所有场之间相互作用的桥梁和纽带。这是裂隙岩体广义多场耦合理论之间的又 一重要内容。本文开展的工作围绕裂隙岩体饱和非饱和渗流研究进行，以建立系 统模型为基础，重点研究岩体饱和非饱和水力参数，讨论岩体饱和非饱和渗流影 响下边坡渗流场的变化机理，以及渗流场引起的边坡稳定性。所做的工作对深入 理解渗流机制和评价高陡边坡的渗透性以及稳定性的影响等工作实践具有参考价 值。 1 2 相关理论回顾及研究现状 1 2 1 单裂隙渗流基本理论 1 2 1 1立方定律的应用及修正 单裂隙渗流运动规律是预测复杂裂隙岩体渗流模型和渗流规律的基础。早期 研究单裂隙渗流是基于平行板模型，将天然裂隙理想为一组光滑的，无限延展的， 有固定宽度2 6 的平行板，研究单裂隙在不可压缩流体在稳定状态、等温过程中的 单相饱和渗流。如图1 1 所示。 根据质量守恒定律，一般流体的运动方程为： 兰 + ( y v ) 矿= 一厶+ 二v 尸 ( 1 1 ) a l p 式中，矿为流体运动的速度矢量；厂为作用在单位质量流体上的质量力矢量； 疋为流体的动力压力矢量；p 为流体的密度；尸为流体的应力张量。 河海大学博士论文 图1 1 平行板模犁示意图( 摘自t a i s h e n gl j o u 【9 】) f i g1 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no ft h ep a r a i l e lp i a t em o d e l ( a r e ri 刈) 由平行板裂隙的假定条件，式( 1 1 ) 简化为适合单裂隙水流的泛定方程，即： 盟：土鲨 ( 1 2 ) 一= 一一 1 1 ， 匆1p 孤 单裂隙渗流的边界条件为 ii 矿：i y ：；2 0 ，p ：i y ：一；2 0 1 3 以上( 1 3 ) 式构成单裂隙水流稳定运动的数学模型，用解析法求解得到单裂隙中 水流沿x 方向流动的流速分布函数 圪= 去芸( 4 y 2 珂) ( 1 4 ) 令水流压力梯度，p ：一罢，又由于尸：y ( 日一z ) ，则 护一篆= 一半= 川 ( 1 5 ) 于是式子( 1 4 ) 变成 屹2 云以( 6 2 - 4 y 2 ) ( l 6 ) 式中，为裂隙中水力梯度，7 为流体的容重，为流体的动力粘滞系数。 当y = o 时，最大流速为。缸：譬， 5 “ 。 则通过裂隙断面的单宽流量为： 9 = 乇以6 弘却2 陟= 老以 ( 1 7 ) 式( 1 7 ) 就是光滑、平行裂隙的立方定律，描述了宏观单裂隙渗流规律，由公式 看出，裂隙的单宽流量与裂隙隙宽的立方成j 下比，从而得出流经单裂隙的水流平 均流速为 y ：塑，：k ，式中k ，：塑，即为裂隙的渗透系数。 1 2 7 ， 1 2 由于较为简单，立方定律和光滑平行板模型在预测裂隙中渗流中已得到了广 4 第l 章绪论 泛应用【l o ，1 1 1 。l o m i z e 【1 2 1 以平行玻璃板模拟裂隙，证明了层流时立方定律的有效性。 r o m m 研究了微裂隙和极微裂隙的情况，提出只要隙宽大于0 2 优，立方定律总 是成立的。b o i n o t t 【1 3 】总结出广义立方定律实效的临界水力隙宽是5 0 肌。然而天 然裂隙并非完全光滑平直，也不是纯粹孔隙，裂隙的开度是变化的，裂隙面的粗 糙度、裂隙的填充度均是影响裂隙开度空间非均匀性的因素。许多试验研究和现 场研究【1 4 。18 】均表明，将裂隙视为典型的一对光滑平行板不足以量化裂隙渗流的特 点。并且，学者们研究发现，考虑裂隙表面粗糙度影响时，流体与岩体壁之间除 了摩擦阻力外还存在岩体壁面的吸附作用力，立方定律预测流量比未考虑时小【1 9 j ， 空隙的几何形状对流量的影响也不是很重要【2 ，此外，在法向应力作用下，裂隙 面的接触面积增大，裂隙空隙压缩，开度分布具有非均匀性，其真实水流通道沿 裂隙开度偏转并出现沟槽性【2 ，当法向应力值大于1 0 m p a ，平行板模型不再适用 【1 4 2 2 ，2 3 1 。 综合上述研究成果可以发现，平行板模型不能真实反映裂隙流动状态的主要 弊端在于没有考虑空间裂隙的粗糙型和裂隙开度的变化。为此，有学者从建立更 精确的概念模型角度出发研究单裂隙渗流规律。当前对粗糙裂隙渗流的描述使用 较多的是修正的立方体定律，即考虑裂隙粗糙面的复杂性对裂隙开度修正。主要 有以下几种方法： ( 1 ) 裂隙面粗糙性修正方法 c o o k ，a m 【2 4 1 的研究数据分析表明，可以用摩擦系数修正立方定律说明裂隙表 面的粗糙性和渗流途径的曲折性。l o m i z e 、l o u i s l l 2 j 通过对仿天然裂隙的试验研究， 以裂隙表面的凸起高度函数或凸起的高度的概率密度函数来描述裂隙表面的粗糙 性，裂隙面凸起高度越大，修正系数越大，但是该方法需精确量测裂隙面上每一 测点的凸起高度，对于已知裂隙面可行，但不适合于实际工程应用l z 5 。 节理粗糙度系数j i 汇( j o i n tr o u g l l l l e s sc o e f f i c i e n t ) 是工程中常用来描述裂隙 面粗糙性的一个重要几何参数。裂隙的过流能力直接与裂隙面的起伏程度及裂隙 表面积大小有关，用j r c 值修正在一定程度上可以反映这两方面的影响。b a n o na n d b a n d i s 【2 6 】通过大量实验得出力学开度屯( 即裂隙产生压缩变形时的最大闭合变形 量) 、等效水力开度与j r c 之间存在既：傩：s ( k 既) 2 的关系，将得到的跣应用 于立方定律即得到用j r c 修正的立方定律。该方法的关键是如何获得j l 地。 ( 2 ) 裂隙面丌度函数修正法 该方法假设单裂隙为沟槽模型，将裂隙开度的非均匀性概化为一系列非连通 的具有常开度的渗流通道【2 l ，2 7 。2 9 】，裂隙开度服从某一概率分布，用不同参数( 如平均 对数丌度值和标准差) 表征，再用随机方法描述其空间相关性。该方法关键在于裂 河海大学博士论文 隙开度的概率分布函数的确定，可以根据单孔压水试验和快速收敛示踪法获得2 9 1 。 实验发现，裂隙开度尺寸可用对数正态分布或者截尾的g a 咖a 分布【3 l 】表示。 g e n t i e r 吲( 1 9 8 6 ) ，g a l e 【3 3 】( 1 9 8 2 ) ，h a l ( a m i 【3 4 】( 1 9 9 6 ) 假定密实岩体裂隙渗流发生在一定 数目扭曲且相互交错的沟槽中，裂隙开度密度分布服从伽马分布，用沟槽的有效 宽度、长度以及开度的空间相关长度来表征沟槽流的特点，由地质统计方法生成 裂隙平面的离散开度场。 单裂隙开度变化也可以用分形几何方法表刎3 5 ，3 6 1 。b r u s h ( 2 0 0 1 ) 【3 7 1 认为单裂隙 两壁面问的复杂空间形状由开度分布场和中心面分布场叠加而成，两者分别表征 隙壁的分离程度和波动程度。其开度场符合正态或对数正态分布，中心面符合正 态分布，参数可以通过试验获得。 另一种方法是假定表征裂隙几何形状的开度函数，直接采用开度函数来修正 立方定律。该方法的关键是如何获得开度函数的表达式。t s a n ga j l d w i t h e r s p o o n 【1 9 1 ( 1 9 8 1 ) 认为裂隙开度变化与相互接触部分相关，假定渗流通道与裂隙 平行，渗流沿张开裂隙，相互接触区无渗流，得出含尺寸修正系数厂的修正公式。 e l s 、o n ha n dg o o d m a n 【3 8 】建议用标准正弦曲线或锯齿形曲线近似表征隙壁的几何 形状，再根据隙壁发生压缩或错位的程度得到开度的函数表达式，进而计算出矿 的几何平均值。 例如对于正弦曲线有 ，、， 五 盖_ c ( 矿) ，( 6 3 ) 2 去胪出咖 ( 1 8 ) 丑丑为两个方向的波长 ( 3 ) 裂隙面接触率修正法 该方法简化了立方定律的修正问题，避免考虑裂隙面上每一点处凸起或开度 的分布情况，认为法向作用力下，裂隙空隙压缩，裂隙隙壁曲率增大，接触面积 发生变化，导致流量减小。总体裂隙接触部分的情况可采用投放吸附性元素方法， 根据吸附性元素的吸附量来推算。1 w a i 【3 9 l 通过试验首先发现裂隙粗糙性对裂隙水流 的规律影响主要与隙面面积接触率有关。w a l s h 【4 0 】模仿热传导的原理，推求裂隙曲 率增大的影响，提出修正因子；尝，该修正因子中，d 为给定法向应力下，裂隙 l + d 凸起接触面积与总面积的比值。当接触面积增加时，因子值降低从而引起渗透性 降低。周创兵【4 1 】通过数学推导，将修正因子取为l d ，得出了相似结论。因此， 裂隙曲率引起渗流的变化取决于丌度的分布和关联性。 6 第1 章绪论 1 2 1 2单裂隙渗流与应力的关系 立方定律证明了通过裂隙面的流量与开度的三次方成正比，可见开度的微小 改变就会引起渗流量的重大变化。而裂隙开度的大小受到裂隙面上应力的控制， 所以通过裂隙面的流量大小与应力大小密切相关。同时，渗流水压直接影响裂隙 面上有效应力，因此在单裂隙面渗流与应力之间存在相互作用，这一特性即称为 耦合效应【4 2 1 。单裂隙渗流与应力关系的建立，是裂隙岩体渗流场与应力场耦合分 析研究的基础和关键环节【4 3 1 。建立单裂隙渗流与应力耦合关系般从以下三个方 面入手：单裂隙受法向应力时的渗流特性；单裂隙受剪切应力时的渗流特性； 单裂隙受复杂应力作用时的渗流特性。 ( 1 ) 单裂隙受法向应力时的渗流特性 对单裂隙受法向应力的渗流特性的研究，多采取直接试验的方法建立单裂隙 渗透系数与法向应力的关系式，即七，：( ) 。如l o u i s 根据钻孔试验结果建 立七，= p 1 叮，式中为初始渗透系数，盯为法向压力。 k r a n z 【4 5 】通过完整及裂隙花岗岩的室内试验提出 k 一i 叹一旦pi ( 1 9 ) l 口 j 式中舛为侧压力，p 为空隙压力。 n e l s o n m 提出砂岩裂隙渗透系数经验公式 = 彳+ 印， ( 1 1 0 ) 式中p 为有效压力 j o n e s m 认为碳酸盐类岩石的渗透系数与正应力的关系 七，彳= q 0 ( 成一p ，) ” ( 1 1 1 ) 式中彳为过水面积，见为总压力，p ，为内部孔隙压力。 刘继山【4 8 】研究了单裂隙和两正交裂隙受正应力时的渗流公式 毛：( 1 + 与鍪q ) 3 ( 1 1 2 ) 肇 式中如为岩体分类指数，群为初始孔隙率，岛，乞分别为对应方向的渗透 系数及应变。 以上单裂隙应力渗流公式均是考虑了岩体类型，并在特定条件下的得到的， 反映了法向应力对裂隙渗透性的影响。在法向应力作用下，裂隙的透水性随着应 力或者变形的增加而减小，法向应力增大到一定程度后，渗透系数趋近于一个常 数。但式( 1 1 2 ) 显示，随压力增大，渗透量趋于零，这是与实际不符的。g a l e 【3 3 】的 河海大学博上论文 渗透试验也指出，即使裂隙表面张开度等于零，但依然存在残余流动。i 、砌【3 9 】通过 试验发现，当应力达到2 0 m p a 时，裂隙岩体渗透性已接近完整岩块，但其渗透性 却远远大于完整岩块。从力学机理来讲，裂隙随法向应力增大而逐渐闭合，导水 通道逐渐减小；但由于裂隙面的凸凹不平，不可能完全闭合，因而渗透系数最终 将趋近于一个常数，如图1 2 窨 籁 瞩 缎 簸 法向应力曲 2 一 氟 1 瓣 缎 殛 剪切位移( u ) 图1 2 单裂隙的应力一渗流耦合