（水工结构工程专业论文）岩体离散裂隙网络非稳定渗流场与应力场耦合分析.pdf

摘要 岩体离散裂隙网络非稳定 渗流场与应力场耦合分析 学科名称：水j ：结构工程 作者姓名：何杨 导师姓名：柴军瑞教授 答辩日期：2 0 0 7 3 作者签名：， 可物 导师签名：垆冒唧 摘要 裂隙岩体渗流场与应力场耦合研究是岩体力学中一个很有意义的课题。裂隙岩体渗流特性主 要由岩体裂隙网络结构决定。裂隙隙宽的改变引起对裂隙渗流的影响，而渗流场变化反过来引起 岩体麻力场变化，即为渗流与应力的耦合作用。本文在充分认识国内外岩体渗流应力耦合研究发 展及现状的基础上，对裂隙岩体渗流场与应力场相互作用等进行研究。渗流场数值分析采用离散 裂隙网络法，应力场数值分析采用有限元法，运用双场迭代法进行裂隙岩体非稳定渗流场与应力 场耦台分析。研究成果主要有以下几个方面： 1 、裂隙岩体渗流应力耦合模型研究。以现有岩体渗流应力耦合计算模型，分析各种数学模型的 优缺点及其适用范围。吸收现有岩体力学在该领域的研究成果，分析应力与隙宽、渗透力等之间 的关系，建立耦合分析模型。 2 、用离散裂隙网络法对裂隙岩体渗流场进行非稳定渗流分析。对裂隙岩体渗流场运用离散裂隙 网络法在裂隙等开度和不等开度两种不同情况下进行了非稳定渗流数值分析。岩体中的裂隙是 根据裂隙各种参数的概率随机模型用蒙特卡罗方法编制程序来进行模拟。 3 、对于裂隙网络岩体非稳定渗流场与应力场耦合作用，二维裂隙岩体和三维裂隙中的裂隙分别 采用不同的单元进行了模拟，并编制了二维、三维非稳定渗流程序与渗流应力耦合程序，对裂隙 岩体进行t 程实例分析。 4 、裂隙岩体渗流与应力耦合作用对某高坝工程坝区岩体稳定性的影响研究。首先对裂隙岩体非 稳定渗流场与应力场耦合模型的建立及其机理分析与研究，然后根据某高坝工程坝i ! ：岩体的力学 参数及渗流作用情况对坝基岩体渗流应力耦台进行分析。渗流场数值分析采用离散裂隙网络法， 应力场数值分析采用有限元法，并运用双场迭代法进行裂隙岩体非稳定渗流场与麻力场耦合分析。 结果表明在进行耦台分析时，岩体内部水头要比不考虑耦合时稍小，岩体应力偏大，h 岩体内部 水头的滞后效应较为明显。 关键词：非稳定渗流，渗流应力耦合，裂隙岩体，渗流模犁，数值分析 a b s t r a c t c o u p l e du n s t e a d ys e e p a g ea n ds t r e s sf i e l d sl n d i s c r e t ef r a c 丁u r er o c km a s s s u b j e c t ：h y d r o p o w e re n g i n e e r i n g d a t eo fd e f e n e e ：m a r c h 。2 0 0 7 a u t h o r ：h e ，y a n g a u t h o rs i g n a t u r e ： a d v i s o r ：p r o f c h a i ，j u n i s i g n a t u r e ：易彳 冼膨竹 。d 舭脚 a b s t r a c t c o u p l e da n a l y s i sr e s e a r c ho fu n s t e a d ys e e p a g ea n ds t r e s si nf r a c t u r e dr o c km a s s e si sav e r yv a l u e d t a s kf o rd i s c u s s i o n t h es e e p a g ei nr o c km a s sm a i n l yr e f l e c t e da sf r a c t u r ef l o w w i t ht h ec h a n g i n go f b o u n d a r yh y d r a - h e a d ，t h ew i d t ho ft h ef r a c t u r ei n c r e a s e do rr e d u c e d ，w h i c ha f f e c t st h ef r a c t u r ef l o w c o n v e r s e l y , t h ec h a n g eo fs e e p a g ef i e l da f f e c t st h es t r e s sf i e l d t h ei n t e r a c t i o no f t h et w of i l e di sc a l l e d c o u p l i n g o nt h eb a s i so f e x i s t i n gs t u d i e si nt h ef i e l do fs e e p a g eo f r o c km a s sb o t ha th o m ea n da b r o a d ， t h et h e s i sh a sc o n d u c t e dab r o a ds t u d y t h ed i s c r e t ef r a c t u r en e t w o r km e t h o di su s e di ns e e p a g ef i e l da n d t h ef e mi su s e di ns t r e s sf i e l d ，t h e ni t e r a t i v em e t h o di su s e di nt h ec o u p l i n gu n s t e a d ys e e p a g ea n ds t r e s s f i e l d sn u m e r i c a la n a l y s i s t h ep a p e ri sw r i t t e nb ye m p l o y i n gs u c hm e t h o d sa sf i e l do b s e r v a t i o n ，m o d e l t e s t ，t h e o r yr e s e a r c ha n dn u m e r i c a la n a l y s i s t h em a i nr e s e a r c h e sa sf o l l o w s ： 1 s t u d yo nt h ei n t e r a c t i o no ft h es e e p a g ea n ds t r e s so bf r a c t u r e dr o c km a s s a n a l y z e da n du s e dt h e r e s u l to ns t u d yf i e l do f v i s i b l er o c km a s sm e c h a n i c s b a s e do ns t u d yp r o p e r t i e so fr o c km a s sm e c h a n i c s ， a n a l y s i st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s s e sa n do s m o t i cr a t i o ，a n dc r e a t e dt h em o d e lo f c o u p l i n g 2 t h ed i s c r e t ef r a c t u r en e t w o r km e t h o di su s e di nu n s t e a d ys e e p a g ef i e l d t h ep r o g r a m sa r em a d ea n d p r o v e db a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h eu n s t e a d ys e e p a g ei nt h ef r a c t u r en e t w o r kt oa n a l y s i st h e t w oe x a m p l ew h i c ha p e r t u r ei st h es a i n ea n dd i f f e r e n t ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h ef r a c t u r en e t w o r ki nt h e r o c km a s si ss i m u l a t e db yt h em o n t e - c a r l om e t h o d 3 c o u p l e du n s t e a d ys e e p a g ea n ds t r e s sf i e l d si n2 - da n d3 - df r a c t u r en e t w o r kr o c km a s sa r eu s e d d i f f e r e n te l e m e n t st os i m u l a t i o n t h ep r o g r a m st oa n a l y s i su n s t e a d ys e e p a g ea n dc o u p l i n gf i e l d si n f r a c t u r er o c km a s sa r cm a d eb yt h er e s e a r c hg r o u p 4 s t u d yt h ei n t e r a c t i o no ft h es e e p a g ea n ds t r e s so nt h er o c km a s ss t a b i l i t yo fh i g hd a m f h ec o u p l i n g m o d e lo fu n s t e a d ys e e p a g ea n ds t r e s so nf r a c t u r e dr o c km a s sa r ec r e a t e d b a s e do nt h ed y n a m i c s p a r a m e t e ra n dt h ec o n d i t i o no ft h ei n t e r a c t i o no ft h es e e p a g eo nap r o j e c to fh i g hd a m ，a n a l y s i sc o u p l e d u n s t e a d y s e e p a g ea n ds t r e s sf i e l d so rt h ed a mf o u n d a t i o ns t a b i l i t y t h ed i s c r e t ef r a c t u r en e t w o r km e t h o d i su s e di ns e e p a g ef i e l da n dt h ef e mi su s e di ns t r e s sf i e l d ，t h e ni t e r a t i v em e t h o di su s e di nt h ec o u p l i n g 塑主堡兰垄兰堡主兰堡笙查 u n s t e a d ys e e p a g ea n ds t r e s sf i e l d sn u m e r i c a la n a l y s i s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a t , c o n s i d e r e d t h ec o u p l i n gt h eh y d r a u l i ch e a di nt h ef r a c t u r er o c km a s si sl o w e rt h a nu n c o n s i d e r e dt h ec o u p l i n g e s p e c i a l l yi nt h eu n s t e a d yc a s e ，t h eb y s t e r e s i so f t h es e e p a g eh e a dd i s t r i b u t i o ni sm o r eo b v i o u st h a nt h e # t e a d yc a s e k e yw o r d s ：u n s t e a d ys e e p a g e ，c o u p l e do fs e e p a g ea n ds t r e s s ，f r a c t u r er o c km a s s ，s e e p a g em o d e l ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈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，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：盔雪茎玺岁游争月j 日 学位论文使用授权声明 本人4 复l趁在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位沦文的部分使用权，即：【) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位沦文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位沦文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校圃网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：! 坠塑导师签名： 7 w 孵7 月；日 第一章绪论 1 绪论 1 1 引言 裂隙岩体渗流，即裂隙岩体中的流体通过裂隙的流动，是一种与人类的一些工程活动 密切相关的现象，是岩体水力学问题研究的主要内容之一。裂隙岩体渗流的相关理论在水 电工程、矿山工程、建筑工程、环境工程以及石油工程等方面都有着重要的指导意义 早在1 8 5 6 年，法国工程师d a r c y 为了解决城市的给水问题，用均质砂土进行了一系 列的恒定渗流试验，总结出了线性渗流的定律，即达西定律，这是对于土体渗流最早的研 究。1 8 8 9 年，俄国数学家，诺科夫斯基对渗流问题进行了研究，并导出了渗流的微分方 程，指出了数学上渗流与热传导的相似性。以后的1 0 0 多年，建立在达西定律基础上的经 典渗流理论成功地在工程实践中得到了广泛应用 近代的连续介质力学是建立在质点或“表征体积单元”的基础上的，这实际上是把离 散型的多孔介质抽象为由表征体积单元组成的连续介质。只要单元体和研究区域相比足够 小时，可采用连续介质渗流理论，即认为研究区域是由一系列单元体组成的连续介质。对 于土体、孔隙型岩体和裂隙特别密集型岩体可以满足要求，而且精度较高，达到了工程应 用的要求。 然而，岩体渗流有着与孔隙介质渗流不同的特点。由于构造、风化、卸荷等作用，天 然岩体中存在着大量的裂隙。这些裂隙长短大小不一，在渗流中作为流动的通道。裂隙岩 体与孔隙型介质最大不同在于：孔隙在三个方向上延伸，而裂隙在两个方向上延伸，在这 两个方向比第三个方向上大得多；孔隙的延伸长度比研究区域小得多，而裂隙的延伸很大 甚至可以贯穿整个研究区域，其大小变化很大。这必然导致裂隙岩体中渗流截然不同于孔 隙型介质。由于孔隙介质十分成熟的理论和工程经验，使得近代的工程设计仍把岩体视为 与土体类似的孔隙型介质，用连续性介质渗流理论进行分析。直到1 9 5 9 年著名的法国 m a l p a s s e t 拱坝的溃坝事件及对其原因的探求中，才发现裂隙岩体渗透系数对应力场比较 敏感是造成溃坝的重要原因。1 9 6 3 年，意大利v a j i o n t 拱坝左岸滑坡引起约2 5 0 0 人丧生。 通过事件的调查分析得出：由于渗透压力引起的岩体变形破坏是滑坡的主要原因。这些事 实都表明土体渗流和岩体渗流有很大的差别，必须深入研究满足并反映裂隙渗透特性的非 连续介质渗流理论。 天然岩体中存在着大量的裂隙，这些缺陷不但大大改变了岩体的力学性质，如变形模 量及强度参数、岩体呈各向异性等，也严重影响岩体的渗透特性。裂隙岩体的渗流场受应 力环境的影响很大，而渗流场的改变反过来又对应力场产生影响，这种相互影响就是渗流 场与应力场的耦合作用。 尽管人们逐渐认识到渗流应力耦合的重要性，但目前的试验研究和理论方法都还不 成熟。虽然国外的研究比较早，其试验分析、理论研究方面也已取得了比较长足的进步， 但是，由于问题的复杂性和众多的不确定因素，而现有的数学模型却过于简化，所以实用 西安理工大学硕士学位论文 性比较差。在国内这方面的耦合分析研究，也才刚刚起步。 近十多年来，随着西方工业发达国家核电等核工业的不断发展，常需要大量核废料进 行深埋处理。所以，评价核废料深埋对地下水环境的污染和处理核废料的选址等都要求对 裂隙岩体渗流应力耦合作深入细致的研究。另外，对于石油二次开采也迫切要求进行裂隙 岩体渗流应力问题实验和理论的研究。其数学模型出现了更精确的离散裂隙岩体模型，它 以可以模拟裂隙岩体渗流而得到深入发展。 1 2 裂隙岩体渗流的特点 1 2 1 裂隙岩体的渗透特性 地表岩体中包含着各种不连续面，在地质科学中被分类称为节理、断层、地层错动面、 卸荷裂隙、风化裂隙等等。这些不连续面具有一些共同的特点，比如都可以近似看作面状 的、都是在空问上不连续的等等，因而都可以作为地下水流动的快速通道。这些不连续面 在水力学意义上是没有本质区别的，一般将其统称为裂隙( 有一些学者将其统称为节理) ， 把包含有裂隙的岩体称为裂隙岩体，把裂隙之间的岩块称为岩石基质。 对于裂隙岩体渗透性的定性表述存在两种不同的观点。一种观点认为在岩体中，由于 基质的孔隙度比裂隙的总孔隙度大很多，而其渗透性比裂隙的渗透性小很多，因此基质是 流体的储存空间，而裂隙为流体提供流动通道，形成两个彼此独立而又相互联系的水动力 学系统。另一种观点认为对于大多数裂隙岩体来说，渗流主要受裂隙所形成的网络的控制， 而不是受岩石基质本身控制，可以流动的地下水主要储存于裂隙中。只有在少数孔隙度很 高的砂岩和砂砾岩中，基质中的渗流才是重要的。 持有第一种观点的主要为石油工程师。由于裂隙性储层开采的需要，石油工程师最早 开始了对裂隙岩体渗流的研究。他们发现裂隙性储层不能用传统的连续介质模型等效，而 认为其渗透性符合第一种观点，并据此提出了模拟裂隙岩体渗流的双重介质模型。对于埋 藏较深的裂隙性储层来说，第一种观点是正确的。这是由于：首先，具有一定储量的储层 的基质孔隙率都是相对较高的，如大部分裂隙性储层都是孔隙率相对高的碳酸盐岩；其次， 由于埋藏较深，裂隙性储层中的裂隙张开度相对于地表要小很多。储层中的裂隙张开度在 1 0 2 0 0 a n 之间变化，根据统计资料其最常见的范围是l o 4 0 a n 。而位于地表的裂隙的开 度通常是大于0 1m m ；最后，深埋于地下的储层中都承受着巨大的压力。这样，在油井 采油的初始阶段，裂隙系统由于其渗透性高，其内部的压力的降低和重新分布很快；而岩 石基质由于渗透性低，将仍然保持原先的高压力，因此在基质和裂隙之间将会产生一个压 力差。正是这个压力差驱动原油从岩石基质流向裂隙系统。v a n g o l f - r a c h t 认为，当流动稳 定后，双重介质系统中向一口井的流动实际上是一种只通过裂隙网络的流动，而每个基质 岩块中的流动将变成向它周围的裂隙作定常流。因此在裂隙性储层中，岩石基质的作用相 当于一个原油的储备库，而并不参与裂隙网络中的快速的流动“。在低孔隙率水平下，其 之所以能够成为一个储备库并能在可以接受的时间内向裂隙中提供原油，与储层中存在的 第一章绪论 高压力和高压力差是分不开的。根据第一种观点提出的双重介质模型已经成为裂隙性储层 的基本模型之一，并在工程实践中得到了成功的应用。 但是适用于裂隙性储层的第一种观点并不能直接套用于以浅表岩体为研究对象的水 利等学科中。在浅表岩体中，除了砂岩、灰岩、页岩等少数几种岩石外，大部分岩石基质 的孔隙率是很小的。其渗透性与含有裂隙的同类岩体的渗透性相比往往小几个数量级，如 表1 1 ，存在于地表岩体中的压力也是相当小的2 。这样在饱和的岩体中，岩石基质内部 虽然也被水所饱和，但是很大一部分是不能自由流动的吸附水，其余部分的水体虽然可以 自由流动，但是在如此低的渗透系数下，其响应通常的水压力变化而达到平衡所需的时间 尺度远比普通的水力边界条件发生变化的时间尺度大得多。因此，对于大多数地表岩体来 说，不考虑岩石基质中的渗流是恰当的，这样，对这些岩体来说离散裂隙网络模型是适用 的、有效的。 表1 - 1 一些岩石及岩体的渗透系数( 孙广忠，1 9 8 8 ) t a b l e1 - 1t h e p e r m e a b i l i t y c 墒c i e n t f o r s o m e k i n d s o f r o c k a n d r o c k m a s s ( s t m g u a a g - z | h o n g ，1 9 8 8 ) 岩石类别 渗透系统( c m s ) 岩体类别渗透系数( c r a s ) ( 实验室测定) ( 现场测定) 砂岩1 0 1 0 l o脉状混合岩3 3 x l o - 花岗岩5 i 1 0 - 1 1 - 2 x 1 0 - 1 0页岩 o 7 x l o - 板岩7 x 1 0 1 “1 6 x 1 0 - 1 0片麻岩1 2 x 1 0 1 9 1 0 - 3 角砾岩4 6 x1 0 ”伟晶花岗岩0 6 x l o 灰岩 7 x 1 0 一o - 1 2 x 1 0 1 褐煤岩1 7 x 1 0 3 x 1 0 1 白云岩4 6 x 1 0 “1 2 x l 矿砂岩 1 0 - * 硬泥岩6 x 1 0 - 7 。2 x 1 0 泥岩 l 矿 细砂岩2 x 1 0 7始新统石灰岩1 0 1 0 。 综上所述一般岩体是已固结的坚硬岩石，并且在地质历史中经历了多次变形与破坏。 具有纵横交错的结构面，岩体渗流以裂隙渗流为主，具有以下几个特点： ( 1 ) 岩体的渗透系数非均匀性十分突出 岩体的渗透性大小取决于岩体中结构面的性质及岩块的岩性。岩体中岩块和裂隙之间 的渗透性相差几个数量级造成非均匀性，另一方面裂隙在空间上的分布差异也是造成渗透 系数非均匀性的原因之一1 3 | 。 ( 2 ) 渗透系数各向异性十分明显 岩体渗流以裂隙导水、微裂隙和岩石孔隙储水为其特色。水在裂隙内的渗透具有明显 的方向性，沿裂隙面的渗透系数显然要比垂直裂隙面方向的渗透系数大得多。 ( 3 ) 应力环境对岩体渗流场的影响显著 西安理工大学硕士学位论文 岩体中的裂隙在荷载作用下产生变形，而渗流量与裂隙张开度的高次方成正比，较小 的裂隙变形会引起渗透系数和渗流量较大的改变，渗流作用力也会发生重大变化，从而又 影响了岩体的应力场。 ( 4 ) 岩体渗透系数的影响因素多，影响因子难确定 影响渗透系数的因素除了裂隙张开度处还有连通度、粗糙度、吻合度、起伏度以及是 否有填充物等等，此外还有不连续面( 层面) 的倾向、倾角、方位、问距、延伸性等等。 这些影响因素使得渗透系数具有很强的随机性。 ( 5 ) 岩体裂隙网络渗流具有定向性 在裂隙网络中，水流的流动具有一定的方向，总是从能量较高的地方流向能量较低的 地方，并且岩体中每一条裂隙的流动方向大致相同。 ( 6 ) 裂隙中的流动符合达西线性定律 在层流状态下，裂隙中渗流与裂隙隙壁性质关系不大，无论壁面的相对粗糙度多大， 在雷诺数小于1 8 0 0 范围内，用光滑裂隙渗流公式结果十分吻合。 ( 7 ) 在裂隙交叉处，具有偏流效应 裂隙水流经过张开度大小不等裂隙交叉处时，绝大部分水流偏向张开度较大的裂隙一 侧流动。 1 2 2 渗流数值模型的研究现状 在数学上处理岩体渗流主要有以下三种模型：等效连续介质模型，裂隙网络模型，双 重介质模型。 等效连续介质模型把裂隙渗流平均到岩体中，即可得到等效连续介质模型。该模型可 采用经典的孔隙介质渗流分析方法，使用上方便。对于岩体稳定渗流，只要岩体渗流的样 本单元体积( r e v ) 存在且不是太大，应尽量采用等效连续介质模型作渗流分析。孔隙岩 体以及破裂岩体一般都作为连续介质处理。由于连续介质模型的形式简单，计算方便，因 而应用比较广泛。对于裂隙岩体的连续介质模型中的渗流，处理方法是将裂隙中的水流平 均到岩体中，从而得到岩体渗透系数张量。其中心问题也就是如何得到渗透系数张量。对 于孔隙介质以及被多组裂隙分割的破裂岩体，运用连续介质模型是必要也是适当的。然而 由于自然状态下岩体裂隙分布十分复杂，渗透系数张量确定比较困难；对于岩体中存在的 尺寸较大的裂隙，也当成连续介质来处理则是明显不合适的。 裂隙网络模型在搞清每条裂隙的空间方位、隙宽等几何参数的前提下，以单个裂隙水 流基本公式为基础，利用流入和流出各裂隙交叉点的流量相等来求其水头值。这种模型更 接近实际，计算出来的结果更可靠，但处理起来难度稍大。随着近年来计算机的发展，使 得裂隙网络数值计算得到很快的发展。当岩体中岩块的渗透性和裂隙的渗透性相比非常小 时，可以忽略岩块的渗透性，认为水流只在裂隙网络中定向流动，从而形成岩体裂隙网络 渗流模型。对离散网络渗流模型的研究，存在两个方面的问题”1 1 ：( 1 ) 单一裂隙水力 学是裂隙岩体渗流研究的理论基础，单一裂隙的水力学模型选取是否适当，直接影响到分 4 第一章绪论 析结果是否正确。裂隙网络水力学假定在三维空间中岩体裂隙为平面，这些裂隙平面在空 间相互交叉，从而形成了复杂的三维裂隙网络。( 2 ) 裂隙平面之问通过交线建立水力联 系，除去与其他裂隙面无交线的裂隙面外，将各裂隙剖分成平面单元即可进行三维网络渗 流分析“。在平面上，裂隙由具有一定张开度的线段来表示，这些线段在平面内相交， 就形成了二维裂隙网络。按照l o u i s 提出的线素法，平面网络由线单元组成，从各线单元 流向共同结点的流量和为零，从而建立方程求解n “。 双重介质模型除考虑裂隙网络外，还将岩块视为渗透系数较小的连续介质，研究岩块 孔隙与岩体裂隙之间的水交换。这种模型接近实际，但数值分析工作量也较大。双重介质 渗流模型是把岩体看作由孔隙和裂隙组成的双重介质空隙结构，孔隙介质和裂隙介质均布 在渗流区域内，形成连续介质系统。在该系统内，孔隙介质储水，裂隙介质导水，由于裂 隙介质的导水作用，在双重介质系统内形成两个水头，即孔隙介质中水头和裂隙介质中水 头，两种介质之间通过水流交换项联系。双重介质可分为狭义双重介质和广义双重介质。 狭义双重介质被定义为孔隙介质与裂隙介质共存于一个岩体系统中形成的具有水力联系 的含水介质；而广义双重介质则被定义为等效连续介质与非连续裂隙网络介质共存于一个 岩体系统中形成的具有水力联系的含水介质。这里的连续介质可以是均质各向同性或非均 质各向同性的孔隙介质，也可以是由密集裂隙构成的具有非均质各向异性渗流特点的裂隙 网络介质；非连续介质是连通或部分连通的裂隙网络介质。广义双重介质模型的定义考虑 到裂隙系统的发育特征和分布规律，更重要的是考虑了裂隙岩体渗透机制。王恩志”2 1 根 据岩体裂隙系统发育规律及其渗流特征，提出了双重裂隙渗流原理，将裂隙网络渗流理论 模型变成能详细描述主次裂隙系统渗流机制的裂隙渗流实用模型。 1 3 裂隙岩体渗流一应力耦合研究现状 1 3 1 岩体力学分析中考虑结构面的数值方法 针对裂隙岩体结构的复杂性和多样性，研究者们也提出了多样的数学和力学模型，采 用不同的数值方法来分别模拟岩体中的各个组件，取得了很多的研究成果。 岩体中存在的结构面控制着岩体的力学性态，因此，建立符合岩体性态的本构模型及 选取相应的力学参数，必须考虑岩体中结构面的作用。按照结构面的相对大小，考虑结构 面作用的方式有三种： ( 1 ) 节理单元法 用节理单元模拟岩体结构面是r e g o o d m a n ”3 最先提出来的，以一种无厚度的四结 点单元来表示，随后又有人提出了更精确的六结点节理单元“。在三维空间问题中，又 可根据裂隙节理厚度的大小，分别用三维曲面节理单元和三维曲面夹层单元来进行模拟， 二者的区别在于夹层单元考虑了夹层中面切线方向的两个正应力。用节理单元来模拟结构 面是一种比较精确的数值方法，但存在着节理的刚度系数难以实际测得的问题。由于采用 节理单元也可以考虑渗流，因此，用节理单元模拟岩体结构面进行岩体应力一渗流耦合分 5 西安理工大学硕士学位论文 析，是一种比较理想的数值方法。 ( 2 ) 把裂隙岩体视为离散体 这种方法中，具有代表性的有离散单元法与块体理论( 如d d a ) 等。目前在离散单 元法中，虽然已经引入了水压的作用，但还没有考虑水压与应力之间的耦合关系“” ( 3 ) 把裂隙岩体视为连续介质 利用各种数值方法，考虑裂隙对岩体的力学作用，等效的把裂隙贡献均布到整个岩体 中去，从而得出等效连续介质模型，进行力学分析，这样处理的好处是，可以根据现有的 经典连续介质理论来分析问题，方便地得到问题的数值解。其代表性方法有变形叠加法， 断裂力学法和损伤力学法“”。这些方法可以用来考虑岩体中细微裂隙的作用，还处在 积极的探索中，有待于在实际中经受检验。 1 3 2 耦合分析方法研究 a 单一裂隙渗流应力耦合机理研究 在裂隙渗流应力耦合分析中，最为关键的是单一裂隙面渗流与应力关系的建立。对单 一裂隙渗流应力耦合作用进行机理性研究，一般从以下三个方面入手：直接从试验总结出 渗透特性和应力的经验公式；根据裂隙面的法向、切向变形公式间接导出渗透特性与应力 的关系；提出某种理性概念模型来解释渗流与应力的耦合规律。 在直接经验公式的研究中，野外观察和实验研究表明，孔隙压力的变化会引起有效应 力的变化，明显地改变裂隙张开度、流速和流体压力在裂隙中的分布，裂隙水流量随裂隙 正应力增加而降低很快。进一步研究还发现，应力渗流曲线还有回滞现象。随着卸载次 数的增加，裂隙渗透能力降低，经过几次加载、卸载循环后，应力- 渗透曲线基本稳定。 基于这一发现，有人提出用经验模型来描述渗透性随应力的变化”“1 。 间接公式中表明在法向应力作用下，裂隙面将发生一定的闭合或张开，根据已有的法 向变形经验公式，再利用等效水力隙宽与力学隙宽之间的关系来建立渗透特性与应力的关 系式”“1 。 为了解释应力作用对裂隙面渗透性的影响机理，许多学者提出各种渗流应力耦合模型 并进行相应的数值理论分析。如洞穴模型、凸起模型以及洞穴凸起结合模型。g a n g i 首 先提出钉床模型，将裂隙面上的凸起比拟成具有一定概率密度分布形式的钉状物，并以钉 状物的压缩来反映应力对渗流的影响”。w a l s h 则将描述裂隙力学变形性质的洞穴模型 进行了推广，用来描述应力对裂隙面渗透特性的影响”。但对于这两种模型具有一定 的局限性，不能兼顾解释高应力下裂隙面的渗流、力学性质。t s a n g 和w i t h e r s p o o n 嗍在 上述两种模型的基础上提出了洞穴凸起结合模型，该模型将裂隙面看成是由两壁面凸起 部分之间的洞穴构成的集合体，以洞穴模型反映裂隙面的变形性质，以凸起模型反映裂隙 面的渗流性质，认为随着应力的增加，不仅引起洞穴直径的减小，还引起凸起接触面积的 增加，该模型很好的解释了单裂隙面渗流、力学及其耦合特性。 以上模型一般只考虑正应力作用下的裂隙渗流水力特性，而未考虑剪切变形的影响。 6 第一章绪论 j e s a k i 砑就岩体的剪切变形渗流耦合进行过试验，并对参数取值进行了研究。国内耿克 勤”1 对剪切变形与渗流耦合也进行了试验探讨，认为在不同压应力作用下裂隙面由于剪 切变形会使渗流量发生先减少( 相应于剪缩) ，后来又增大( 相应于剪涨) 的变化。裂隙 面剪切变形对渗透系数的影响取决于裂隙面的几何形态、剪切位移和法向应力的大小。 b 裂隙岩体渗流应力耦合分析数值方法研究 对岩体渗流应力耦合分析，国内外许多学者提出了不同的耦合计算方法，主要有等效 连续法和离散法。而耦合模型的计算方法依赖于耦合场的物理环境和边界条件，所以根据 对耦合项处理方法的不同又可分为迭代耦合法和直接耦合法。 迭代法通常包含两个或多个分析模块，不同的模块模拟不同物理环境中的变量演化过 程，各个模块的计算结果互为外加荷载或边界条件。这种方法通过两场分开计算，然后进 行两场间交叉迭代计算，最后达到求解的目的。陈平、张有天”以裂隙渗流理论和变形 本构关系为基础进行了渗流耦合分析，裂隙的渗透系数采用经验公式。此法在计算方法上 容易实现，可以利用已成熟的固体变形场和流体渗流场的求解程序。 直接法根据耦合模型涉及的所有物理变量，建立与各变量相应的刚度矩阵、影响矩阵 并形成总耦合矩阵，以及相应的耦合荷载向量。直接法的物理意义清晰直观，计算过程中 的参数易于控制调整。耦合模型的物理环境及相应的偏微分控制方程一般不少于两个，而 且对于同一个单元结果，不同的物理交量往往具有不同的属性和自由度数。由此给出相关 的数值计算，尤其是组刚过程中的编码带来一定的难度。此外，这种方法在处理多相流和 非线性介质时，很难把握方程的收敛性。 国内很多学者对以上的计算方法进行深入的研究。王嫒”2 提出一种考虑岩体渗透性 随应力变化，且适用于裂隙岩体渗流场和应力场耦合分析的四自由度全耦合法。杨志锡。， 等运用直接耦合法进行了各向异性饱和土体的渗流耦合分析和数值模拟。n o o r i s h a d ”等 用等效连续法将土体固结分析方法用于建立岩体渗流与应力耦合关系，进而用有限元方法 研究了非连续介质中的固液两相介质的耦合问题。这一方法忽略了渗透性随应力的变化， 同时用节理单元处理如同断层一样的几个主要不连续面，确实是一种有效手段，但是小的 节理虽然不能单独在渗流中起重要作用，而它们连通后却也成为主要渗流路径，所以同样 需要考虑这样一些裂隙在渗流分析中的作用。 o d a “基于以下两个基本假定来用一个等效模型解决固体和液体两相介质的耦合的： 裂隙的特性正如弹性连续介质中的微小缺陷：每一个裂隙都能用由两个弹簧连接的平行平 板流体力学等效模型来代替。裂隙与大尺寸的相关岩体相比通常是足够小，同时考虑了正 应力和剪应力的作用。将裂隙岩体渗透张量与弹性张量统一用裂隙网络几何张量表示，建 立了较严密的耦合关系，最后给出渗流应力耦合分析的一组控制方程。由于o d a 理论以 统计分析为基础来模拟裂隙网络的影响，处理起来较为复杂。 陶振字”1 等对岩体渗流与应力用迭代法进行耦合分析以研究水库诱发地震。库区岩 体渗透发生的动水压力会改变岩体的原始应力状态，丽动水压力又直接依赖于水库水深、 7 西安理工大学硕士学位论文 水文地质条件、岩体的渗透张量及其组合等。常晓林3 7 基于渗透主轴与应力主轴保持重 合的假定进行了推广，得到了弹性各向同性介质的耦合关系式。陈胜宏”1 采用充填模型 进行了耦合分析，认为节理面岩壁之间是一种具有某种变形和渗透特性的均匀物质。段小 宁啪根据裂隙面的法向变形法则得到裂隙隙宽与应力的关系，基于离散裂隙介质模型进 行了耦合分析。 大多数学者在进行裂隙岩体渗流应力耦合分析时，采用将渗流场和应力场分开计算再 交叉迭代求解来达到耦合分析的目的。王媛提出了四自由度全祸合分析方法，是将裂隙岩 体渗流场和应力场作为同一场进行考虑，联立裂隙岩体满足的渗流方程和应力方程，建立 起同时以节点位移和节点渗流水压力为未知量的耦合有限元方程组，通过求解方程组，同 时得到应力场和渗流场。对于裂隙较密的岩体，等效连续法较为有效，但岩体裂隙稀疏时， 该法无效。另外对于地下厂房和高边坡问题，该方法也难以找到令人信服的危险区和危险 面。 文献 4 0 1 论述了模拟大型裂隙岩体的热、水力和力学耦合问题的等效连续方法和离 散法。采用离散单元法时，由热平衡方程、块体和不连续体的力学动力方程以及不连续体 的水力方程组成控制方程。离散单元法求解较为繁琐，而且随着裂隙数量的增加，该方法 甚至不可行。目前离散法还不成熟，研究成果少。而对地下厂房、边坡等工程的安全稳定 分析用离散法似更为合理，因此在离散法上需要作迸一步的研究，不但理论上有意义，而 且也有实际工程的应用价值。 总体来说，由于岩体裂隙介质本身的形成过程、几何特性及力学行为的复杂性，至今 裂隙岩体渗流理论仍未成熟，其内涵比孔隙介质渗流理论丰富，各种工程渗流问题要求解 决的新问题。目前在研究裂隙岩体渗流问题要注意以下几点： ( 1 ) 还没有完全搞清楚裂隙岩体渗透机理，仍需要加强裂隙岩体渗流基本理论研究。 ( 2 ) 无论哪一种模型或方法来求解渗流问题，均需要可靠的地质力学资料和渗流参 数，即使再准确的数学模型，再精确的计算过程，也不能弥补基本参数不准确给研究和工 程所造成的无意义性。 ( 3 ) 由立方定律知道，裂隙隙宽微小的变化就会引起渗透性的很大改变，因工程施 工造成的裂隙面开裂、压缩及剪切膨胀变形，都有可能导致渗流场性态的宏观突变。因此 要重视渗流场与应力场耦合关系的研究。 ( 4 ) 当渗流是非稳定渗流时，裂隙岩体中的水压力随着时间变化，使得岩体内部渗 流场改变而引起应力场的改变，以及由此可能引发的岩体失稳还有待研究。 1 4 本论文研究的意义和主要内容 渗流场与应力场耦合作用是岩体力学中一个重要的特性。坝基或地下洞室及边坡工程 的性状都取决于水流作用以及它对结构物的影响。裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析对水 利水电工程、土木建筑工程、核废料深埋处理以及地热能开发等问题都具有重要的指导意 义。 第一章绪论 从岩体渗流力学的发展来看，非连续裂隙网络渗流模型的建立及其如何直接应用于工 程实际则是人们关注的焦点。连续介质渗流理论发展比较成熟，但却难以描述裂隙岩体所 固有的水力学特性。非连续裂隙网络渗流理论模型可确切描述岩体裂隙系统的空间结果及 其渗流特征。 岩体渗流场与应力场之间存在着耦合作用是直接影响工程正常运转和工程体稳定性 的重要因素。位移场、应力场受渗流荷载影响的同时，也影响着岩体中渗流水头的分布。 这是由于岩体中分布有众多的裂隙，应力作用会导致裂隙几何特性发生变化，如裂隙开度 的张开或闭合、裂隙粗糙性的改变等，从而引起岩体中水的性态的改变；水对岩体产生静 水压力和动水压力，这两种力叠加作用的结果可能使岩体引起劈裂扩展、剪切变形和位移， 增加岩体的空隙度和连通性，从而改变岩体的渗流性能，而引起整个岩体渗透性发生改变。 裂隙岩体渗流理论一直是国内外学者力图解决的重大课题。复杂裂隙岩体渗流应力 耦合关系研究也是岩体力学一个非常重要的研究方向，是一个很富有挑战性的课题，目前 国内外许多研究机构都逐步开展该课题的研究，研究结果尚不全面、不系统。尤其对于工 程实际问题，既要考虑到拟真性又要便于使用，还需要更加深入的研究、探讨。 本文主要致力于模拟裂隙岩体非稳定渗流的离散裂隙网络模型和基于有限元法应力 场模型两者之间迭代耦合的研究，并编制相应的计算程序，主要有以下工作： ( 1 ) 在阅读国内外各类文献的基础上，总结讨论裂隙岩体渗流数值模拟的基本理论、 研究现状和研究方法。主要有：单裂隙渗流的基本理论和各种模型，以及各种模型的特点、 应用条件和适用性等。 ( 2 ) 总结裂隙岩体渗流应力耦合的数学模型，并结合渗流特点、裂隙岩体特点分析 各种数学模型的优缺点和相对应用范围。 ( 3 ) 描述了离散裂隙网络的计算机随机生成技术。根据裂隙密度、产状、大小、张 开度概率随机模型，用蒙特卡罗方法编制了程序对其进行模拟。在此基础上对裂隙岩体进 行了非稳定渗流数值分析。在等开度和不等开度的两种不同情况下，比较分析了两种不同 结果对工程的适用性。 ( 4 ) 分别对二维、三维裂隙岩体渗流应力耦合编制程序进行分析研究。裂隙岩体渗 流场数值分析采用离散裂隙网络法，应力场数值分析采用有限元法，运用双场迭代法对裂 隙岩体进行非稳定渗流应力耦合分析。对于二维裂隙岩体的非稳定渗流应力耦合，编制了 二维渗流应力耦合程序进行分析。应力场中裂隙采用二维线性节理单元，渗流场中裂隙采 用线单元。对于三维裂隙岩体的非稳定渗流应力耦合，编制了三维渗流应力耦合程序进行 分析。应力场中裂隙采用夹层单元，渗流场中裂隙采用面单元。分别给出了二维、三维裂 隙岩体渗流应力耦合的结果。 ( 5 ) 在上述所编制程序的基础上，与某高坝工程实例相结合，对裂隙岩体进行非稳 定渗流应力耦合分析，并给出了三维非稳定渗流情况下对裂隙岩体的渗流场与应力场耦合 的结果。 9 西安理工大学硕士擘位论文 1 0 ( 6 ) 在总结本文研究工作的基础上，就本文应继续研究的问题进行了展望。 第二章单裂隙渗流与应力的耦合作用 2 单裂隙渗流与应力的耦合作用 流体在天然岩体中的储存和运动是一个相当复杂的问题。众所周知，裂隙是岩体渗流 的主要通道，它对岩体的水力行为起控制作用，因此人们对单裂隙的渗流特性给予了很大 的关注，无论是在实验上还是在数值模拟上都有较多的研究，本章着重讨论单裂隙的水力 特性。因为天然岩体自身结构就比较复杂，流体在其中的运动又难于观察和测试，所以人 类对于裂隙水运动规律的认识发展还很缓慢 对于单裂隙而言，影响其水力学特性的因素很多，主要的因素有：裂隙面的租糙程度、 裂隙的充填度、裂隙面的接触面积、水流的流速与流态，裂隙所处的应力环境等。其中最 主要的基本因素是裂隙的张开度，即裂隙的隙宽，它是裂隙岩体性质发生改变的关键性因 素之一。 2 1 单裂隙渗流的概念模型 岩体中存在着许多裂隙，它们的导水能力比岩石基质大好几个数量级，而且各级裂隙 之间的导水能力也不尽相同，所以研究单裂隙渗流是研究岩体裂隙渗流的基础。单裂隙是 裂隙系统最基本的单元，如图2 1 和2 2 所示，所有的裂隙渗流研究的起点都是单裂隙渗 流。 图2 - 1 光滑的平行