（岩土工程专业论文）裂隙岩体渗流应力耦合特性研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 地下水是影响岩体力学性质和岩石力学作用的重要因素之一。因为它在岩体 力学性质形成上是一种易变因素，所以它的力学作用结果并不容易确定。据统计， 超过9 0 的岩体工程的失事都与地下水的活动有关，故在岩体力学研究中必须充 分重视岩体中渗流与应力的耦合效应。 裂隙岩体渗流与应力耦合分析研究是岩体力学界一个很有意义但又十分复杂 的课题，本文采用理论结合相关实验结果的手段进行研究分析： 1 应用砂岩在全应力应变过程中渗透率的变化试验结果，建立了砂岩应力一应 变与渗透率之间的定性定量关系。研究表明：砂岩在全应力应变过程中，渗透率 变化的总体规律是在弹性阶段渗透率随应力的增大而略有降低，进入弹塑性阶段 后随着新生裂隙的扩展、贯穿，砂岩的渗透率先是缓慢增加然后急剧增大，在峰 前或峰后达到极大值，残余流动阶段原有裂隙开始压密闭合，渗透率开始降低。 2 为研究低渗透岩石的流固耦合渗流规律，对砂岩岩样进行了渗透与有效围压 的实验研究。对实验结果分析表明：低渗透岩石渗流过程中存在明显的流固耦合效 应：随着有效围压的增加，岩样的渗透率逐步下降，当有效围压开始卸载，岩样的渗透 率逐步得到恢复，但不能恢复到原始数据；低渗透岩石渗透率与有效围压之间的关 系可以用一元二次多项式来描述：岩样渗透率变化的原因主要缘自在有效围压作用 下岩石孔隙的变形特性。 3 建立了考虑渗透压作用下等效连续裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析的数 学模型。并依据模型计算结果对岩体工程渗流应力耦合提出一些合理的建议。 关键词：岩体力学，耦合，砂岩，渗流规律 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eu n d e r g r o u n dw a t e ri sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e st h ep r o p e r t yo f r o c km a s sm e c h a n i c sa n dr o c km e c h a n i c b e c a u s eo ft h ev a r i a b l ef a c t o ri nt h ef o r mo f t h ep r o p e r t yo fr o c km a s sm e c h a n i c s b a s e do nt h ed a t e ，t h e r ea r em o r et h a n 9 0 d i s a s t e r si ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gc o m ef r o mt h ea c t i o no fu n d e r g r o u n dw a t e r s ow es h o u l dp a ym u c ha t t e n t i o nt ot h em e c h a n i c a le f f e c t si nt h er e s e a r c ho f g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g c o u p l i n ga n a l y s i sr e s e a r c ho fs e 印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 y v a l u e db u tc o m p l i c a t e dt a s kf o rd i s c u s s i o n s i n c er o c k s e e p a g et h e o r i e s a r e u n d e r d e v e l o p e da sy e t ，at e s t i n gt e c h n i q u ei su s e dt os i m u l a t et h ee n g i n e e r i n gp r o b l e m 1 b yu s i n gt h et r i a x i a lr o c km e c h a n i c se x p e r i m e n t a ls y s t e m t e s t i n gs t u d yi sm a d e t oa n a l y z et h ec h a n g er u l eo fp e r m e a b i l i t yd u r i n gt h ew h o l es t r e s s s t r a i np r o c e s sa n dt h e p o r er a t i oa n dp e r m e a b i l i t yo fs a n d s t o n eu n d e rd i f f e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e s ，a n dt h e q u a l i t a t i v e a n d r e l a t i o n s h i p i se s t a b l i s h e da m o n gs t r e s s s t r a i na n d p o r er a t i o p e r m e a b i l i t yo fs a n d s t o n e i ti ss h o w nt h a td u r i n gt h ew h o l es t r e s s s t r a i np r o c e s s t h e p e r m e a b i l i t yr e d u c e ss l i 曲t l yw i t ht h ei n c r e a s e df r a c t u r e ，t h ep e r m e a b i l i t yo ft h er o c k i n c r e a s e ss l o w l ya tf i r s ta n dw h e ns h a r p l yr e a c h e st h em a x i m u mv a l u eb e f o r eo ra f t e r p e a kp o i n t a n da tr e s i d u a lf l o w a g es t a g et h ee x i s t e n tf r a c t u r ei sp r e s s e dc l o s e l y , a n dt h e p e r m e a b i l i t yb e g i n sd e c r e a s i n g t h ep o r er a t i oa n dp e r m e a b i l i t yd e c r e a s ea l o n gw i t ht h e a c c r e t i o no fc o n f i n i n gp r e s s u r e ，a n dc o n f o r mt ot h ec h a n g er u l eo fl o g a r i t h mf u n c t i o n 2 t h ee f f e c to ff l u i d s o l i dc o u p l i n go nt h es e e p a g ei n1 0 wp e r m e a b i l i t yr o c k sw a s m e a s u r e df o rs a n d s t o n eo na nf d e s - 6 41t r i a x i a ls y s t e m t h er e s u l t si n d i c a t e dc o u p l i n g b e t w e e nt h es e e p a g ea n dt h ep e r m e a b i l i t yi nl o wp e r m e a b i l i t yr o c k f o re x a m p l e ， i n c r e a s i n gp r e s s u r e sr e d u c e dt h er o c kp e r m e a b i l i t y t h ep e r m e a b i l i t yr e c o v e r e dt os o m e e x t e n tw h e nt h ep r e s s u r ew a sr e d u c e d ，b u td i dn o tr e t u r nt ot h eo r i g i n a lv a l u ee v e nw h e n t h ep r e s s u r ew a sc o m p l e t e l yr e l e a s e d t h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es e e p a g e a n dt h ee f f e c t i v ec o n f i r m i n gp r e s s u r ea n dt h er o c kp e r m e a b i l i t yw a sf i tb yap o l y n o m i a l c h a n g e si nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o r e sa n df r a c t u r e se x i s t i n gi nt h er o c ka st h e p r e s s u r ec h a n g e sa r ee x p e c t e dt ob et h em a i nc a u s e so ft h er o c kp e r m e a b i l i t yv a r i a t i o n 3 b u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hc o n s i d e r i n gs e e p a g ef i e l da n ds t r e s sf i e l d u n d e rs e e p a g ew a t e rp r e s s u r e 。a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f c o u p l e da n a l y s i so fs e e p a g e a n ds t r e s sc o u p l i n gi nr o c km a s sp r o j e c t ，t h ea u t h e n t i cd a t aa n dt h er a t i o n a l i z a t i o n p r o p o s a lw a sp r o p o s e d k e y w o r d s ：r o c km e c h a n i c s ，c o u p l i n gs e e p a g e ，s a n d s t o n e ，s e e p a g ef l o wl a w 1 1 湖班j 堂大茅 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：堡螽妖 日期：勾髀5 月2 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：名喙戤 日期：2 0 0 眸5 月2 0 日 指导教师签名：而彤孙 日期：瑚年f 月锄日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章引言 人类为了生存和发展，时时开展人类工程，一方面依托于地质环境，另一方 面又影响和改造地质环境：在人类工程活动中，一方面由于工程的开挖，工程荷 载施加于岩体之上，改变岩体内部应力场的分布，从而影响岩体的结构，引起岩 体中地下水性质及地下水力学特性的改变；另一方面，由于工程岩体的出现，改 变了区域性或局部地下水的补给、径流和排泄条件，形成人工干扰下的地下水渗流 场，进而地下水对岩体的力学作用的强度、作用的范围以及作用的形式亦发生改变， 最终影响裂隙岩体的稳定性 自法国m a l p a s s e t 拱坝失事( 1 9 5 9 年) 以来，人们逐渐认识到裂隙岩体渗流对工程 安全的重要作用在绝大多数岩体工程中，岩体裂隙与空隙中的地下水活动是影响 其稳定性不可忽视的因素据统计，9 0 的岩体工程失事都与地下水的活动有关。因 此，研究岩体中地下水的活动规律，己成为岩土工程界普遍关注的课题，在水 电工程、石油开采、地下工程、边坡工程等领域，都会遇到这一棘手问题。天然 岩体是多相的不连续介质，由于各种地质作用而被尺度、方向、性质均不同的裂 隙所切割。而存于裂隙岩体中的地下水，受地质构造、地形、地层、水文地质及 其他因素的影响，其中地质构造是导致裂隙岩体中地下水运动渗流的重要因 素之一。天然岩体的渗流能力于天然岩体中的断层构造、裂隙、空隙、洞穴的发 育情况有很大关系。分析研究天然岩体的水力学特性及其中水体的流动规律，已 成为水文地质、岩体力学、水工、采矿、石油、核电站等许多学科和工程领域中 的重要课题，并己形成一门新的分支学科岩体水力学( r o c kh y d r a u l i c s ) ， 获得了广泛的研究于应用，成为当前岩体力学的热点之一。 天然岩体中存在着大量的空隙和裂隙，这些缺陷不仅大大改变了岩体的力学 性质( 变形模量及强度参数降低，岩体呈各向异性) ，也严重影响岩体的渗透特 性。裂隙岩体渗流场一应力场的耦合分析是研究地下水活动规律的首要问题，也 是进行岩石力学分析的重要组成部分：地下水压的变化会引起岩体中应力分布的 改变，而岩体中应力的改变又引起岩体中孔隙( 裂隙的张开度) 的变化，从而反 过来又改变地下水流量与水压力。这样，地下水受应力场的控制，而应力场又受 到渗流的影响，就构成了应力场和渗流场之间的耦合关系。 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 i 裂隙岩体渗流研究发展的几个阶段 地下水在孔隙介质中( 均质土体) 中的渗透规律研究始于1 9 世纪中叶。1 8 5 6 年， 法国水力学者达西通过在砂柱中水的渗透试验，总结出著名的达西定律，与随后 另一位法国水力学家裘布依提出的裘布依微分方程和1 9 0 4 年布西涅斯克提出的非 稳定性微分方程，成为地下水动力学的理论基础。从此以后，到2 0 世纪初，法国、 德国、前苏联等学者对地下水动力学作了进一步发展，得出了许多具体的计算公 式2 11 9 3 5 年美国学者泰斯利用前人的试验资料和热传导方程第一次提出了实用的 非稳定井流公式，即著名的泰斯公式。2 0 世纪5 0 年代，雅可比、汉图什等对非稳 定渗流做了进一步发展。直到2 0 世纪7 0 年代还一直沿用土壤渗流力学来解决岩 体渗流问题。真正对岩体渗流特征的实质性研究始于m a l p a s s e t 拱坝失事以后， 从此，国外学者们做了大量的研究，获得了丰富的研究成果，对岩体渗流理论及 其应用做出了重大贡献们1 我国田开铭“1 、张有天1 7 1 杜延龄8 1 等较早开始裂隙岩体渗流研究，近年来，这一领域的研究成果迅速增长。裂 隙岩体渗流研究发展目前可大致归纳为四个阶段： ( 一) 不考虑渗流场和应力场之间的耦合作用。两场往往是分开单独考虑的， 对岩体进行力学分析时，水压力也作为荷载的形式作用在岩体上；而进行渗流分 析的时候，并没有考虑到裂隙岩体水力特性随应力变化的改变。 ( 二) 考虑渗流场和应力场两场之间的耦合作用，分别建立渗流场与应力场 的有限元方程，在进行渗流场的计算时，认为位移是已知的；而在进行应力场计 算时，认为水头是已知的，这样通过两场的迭代来达到耦合的目的。因此从方法 上该法尚不能称为真正的耦合分析方法，实际上是两场交叉迭代法。 ( 三) 为进行裂隙岩体渗流与应力真正意义上的耦合分析，将裂隙岩体渗流 场和应力场作为同一场进行考虑，将裂隙岩体满足的渗流方程和应力方程联立， 建立同时以结点位移和结点渗流水压为未知量的耦合有限元方程组，通过求解方 程组，同时解出应力场与渗流场中的各个未知量，这样避免了两场之间的迭代。 ( 四) 考虑渗流场和损伤场的耦合。裂隙岩体在开挖卸荷作用下，原有裂隙 产生损伤扩展连通，其作用除降低岩体的整体强度、增大变形外，还有可能形成 新的渗流裂隙网络，显著改变渗流场，从而改变岩体的压力场。这种渗透与岩体 损伤的相互关系是互为关联的，称之为裂隙岩体渗流场与损伤场之问的耦合效应。 这种耦合效应对于岩土工程，特别是高边坡和隧道工程而言，是造成失稳的重要 2 湖北工业大学硕士学位论文 因素。从国内外发展现状来看，目f i i j x , t 渗流场和损伤场的耦合问题研究则刚刚起 步阳1 1 0 1 。郑少河等n 在已有研究成果的基础上，深入研究了拉剪、压剪等复杂应 力下裂隙岩体渗流场与损伤场的相互作用机理及耦合机制，推导了初始损伤和损 伤演化的本构关系，分析了渗透压力对变形机制的影响机制，从裂隙变形角度出 发，定量分析了裂隙岩体断裂损伤效应对岩体渗透性的影响。最后基于两场的耦 合机理，建立多裂隙渗流一损伤的耦合模型。 1 2 2 耦合分析方法研究 1 - 2 _ 2 1 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f 应力增加而降低很快。进一步研究还发现，应力一渗流曲线还 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，应力一渗透曲线基本稳定。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2 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 己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 4 1 6 。 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、凸起模型以及洞穴一凸起结合 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u 。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 1 8 1 9 1 。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 “们在上述两种模型的基础上提出了洞穴一 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 3 湖北工业大学硕士学位论文 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。j e s a k in 1 1 就岩体的剪切变形一渗流耦合进行过试验，并对参数取值进行 了研究。国内耿勤乜2 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。 1 2 2 2 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，然后行两场间交叉迭代计算，最后达到求解的目的。陈平、张有天柚以 裂隙渗流理论和变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。此法在计算方法容易实现，可以利用己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，且对于同一个单元结果，不同的物理变量往往具有不同的属 性和自由度数。由此给出相的数值计算，尤其是编码带来一定的难度。此外，这 种方法在处理多相流非线性介质时，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 4 1 提出一种考虑岩体 渗透随应力变化，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2 5 1 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 协1 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 4 湖北工业大学硕士学位论文 不连续面，确实是一种有效手段，但是小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，所以同需要考虑这样一些裂隙在渗流分析 中的作用。 o d a 乜7 1 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，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。 陶振宇呦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。 库区体渗透发生的动水压力会改变岩体的原始应力状态，而动水压力又直接依赖 于水库水深水文地质条件、岩体的渗透张量及其组合等。常晓林基于渗透主轴 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3 0 1 采用充填模型进行了耦合分析，认为节理面岩壁之间是种具有某种变 形和渗透特性的均匀物质。段小宁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耦合分析 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2 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更为合理，因此在离散法上需要作 进一步的研究，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i t l 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： 5 湖北工业大学硕士学位论文 ( 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 3 本文的主要研究内容 1 从理论出发，系统的研究学习裂隙岩体的渗流基本理论，并对裂隙渗流的 特点进行描述。 2 在前人人工填充砂裂隙实验结果的基础上，分析剪应力对裂隙岩石渗流的 影响状况。 3 研究裂隙岩体渗流应力的耦合模型：等效连续介质模型，双重介质模型， 裂隙网络模型。比较分析各种模型的耦合机理和适用范围。 4 对相关岩石渗透性实验数据进行整理，并对试验曲线拟合分析。找出分段 特征点，分析其产生的原因。最后将拟合分析曲线特点进行归纳，以得出一般性 曲线趋势。 5 最后将理论应用到坝体实践中去，应用一算例进行重力坝中坝基应力与渗 流水压力的耦合数值模拟，并对数值模拟结果进行讨论。分析的结果将对坝体安 全应用提供理论依据。 6 湖北工业大学硕士学位论文 第二章裂隙岩体渗流基本理论 2 1 裂隙岩体的分类 与其他材料不同，天然岩体是不连续、多相、各向异性的材料。岩体受到不同 形状、不同特性以及不同分布的结构面所切割，因而形成了它复杂的力学特性。 2 1 1 岩体结构面的分类 岩体中结构面是多种多样的，可以说，小到岩石晶粒的微观缺陷，大到几公 里长的断层，都是岩体的结构面。按结构面尺度的大小，可以把结构面简化为微 观与宏观两类。微观结构面在岩体中以孔隙的形式存在，而宏观结构面按其相对 大小又可分为： ( 1 ) 大型结构面指区域中规模很大的断层( 几十米到几公里) ，这些结构面控制 着整个岩体工程的破坏形式。 ( 2 ) 中型结构面指岩体中几米到几十米的小断层与大的构造裂隙，这些结构面 控制着局部岩体的稳定性，也是地下水流的主要通道。 ( 3 ) 小型结构面指长度小于几米的构造裂隙、卸荷裂隙、风化裂隙等。这些结 构面的性质、产状、分布控制着岩块的力学特性与渗流特性。岩体中结构面的以 上分类方法是比较粗糙的，具体分析时应该考虑岩体工程的规模以及结构面与考 虑区域之间的比例关系来进行分类。 2 1 2 岩体的分类 按照岩体中结构面的存在形式及其渗流特性，岩体可以划分为以下几类： ( 1 ) 多孔介质岩体介质中仅含有微观结构面。这种岩体可当成完整岩块来处 理，并可以认为岩体是各向同性的、连续的均质材料： ( 2 ) 破碎多孔介质岩体由多孔介质组成，并被多组结构面分割。这种岩体中的 岩块是多孔介质，具有一定的透水性，然而影响岩体水力学特性及水力特性的， 主要是裂隙组及其分布形式： ( 3 ) 有隔水层的多孔介质岩体由多孔介质组成，并由结构面分割，其结构面由 不透水的物质充填，因而形成隔水层。该类岩体的力学特性由充填物及岩块的力 7 湖北3 - 业大学硕士学位论文 学特性米决定，起水流特性则由孔隙岩块的水流特性来决定，各岩块之间存在着 水交换。 2 2 渗流的基本理论 多孔介质中由固、液、气三相都可能存在。固相称为骨架：气相是空气主要存 在于非饱和带中：液相是地下水，其可能以吸力水、薄膜水、毛管水和重力水等多 种形式存在，而渗流一般主要讨论重力水的运动。 地下水在多孔介质中的运动是非常复杂的，大致可以分为二类：一类是地下水 沿多孔介质的孔隙或遍布于介质的裂隙的运动，这种地下水运动称为渗透，即地 下水在广义的多孔介质中的运动称为渗透。由于多孔介质中各个空隙和裂隙的大 小、形状和连通性各不相同，因而不同的空隙或同一空隙的不同部位地下水的运 动状态各不相同。但整个多孔介质中的地下水是相互联系的，组成一个统一的含 水体。另一类为地下水沿大裂隙和管道的流动，如岩溶区的地下暗河或地下水沿 巨大的张开裂隙的流动。 2 2 1 达西定律 1 8 5 6 年，法国水力学家达西( d a r c y l 8 5 6 ) 曾在装满砂的圆筒中进行渗透实验。 该装置系将砂样置于水路中间，使水经由砂样发生渗流，在砂样上游维持进水面 达某一水头高度，在砂样下游，将水导致某一尾水面高度而溢出，且量得渗流水 量。即得到如下关系式： p ：望a( 2 1 ) 一 l 式中卜渗流量，( c m 3 ) h _ 进水面与出水面之间的高度差，或称为水头差， l _ 渗流距离，( c m ) a _ 渗流经过的土样断面积，( c m 2 ) k 一渗透系数，( c m s ) 在d a r c y 的试验中，地下水是作一维的均匀运动，即渗透速度和水力坡度的 大小和方向沿流程不变。更一般的三维d a r c y 定律的微分形式为： y ：k j ：k d h ( 2 2 ) 湖北工业大学硕士学位论文 式中：j 为水力坡度。 在直角坐标系中，如以v 。v ，v ：表示沿三个坐标轴方向的渗透速度分量，则 有： y = 匕f + y v + 屹尼 ( 2 3 ) 式中：i 、j 、k 为三个坐标轴上的单位矢量。它给出了渗透速度场与水头场 之间的关系。 d a r c y 定律有一定的适用范围，超过这个范围地下水的运动不再符合d a r c y 定律，达西定律对于非牛顿流体是不适用的。我们先讨论d a r c y 定律对于渗流速 度和流体密度的适用范围3 。 达西试验装置示意图 ( a ) 渗透速度上限 研究人员经过许多实验，采用临界雷诺系数r e 来表示，提出达西定律对r e 的适用有个上限，上限值r e 约5 ，一般认为在1 - 1 0 之问。对于较大的r e ，由于 惯性力作用和端流效应的影响，情况比较复杂。纳吉和卡拉地( 1 9 6 1 年) 试验结果 是临界r e ，d 。为土的有效粒径，v 为渗透速度，v 为水的运动粘滞系数。当r e 5 时，开始进入水力学中的层流紊流的过度区域( v = o 7 4 ) ：当r e 2 0 0 时，就转变 为完全紊流( v = i o u 5 ) 。 ) 渗透速度下限 9 湖北工业大学硕士学位论文 实际上，达西定律不仅在速度适用的上限，而且还存在速度适用的下限，即 在速度很小的情况下达西定律就不适用了。阎庆来教授等专家的研究表明，在很 低的速度下，渗流速度与压力梯度的关系为非线性曲线形式。又如，水在黏土中 流动，存在启动水力梯度现象。关于牛顿流体在低速或低压力梯度下出现非线性 渗流的原因，有多种不同的解释。 2 2 2 渗透系数、渗透率 渗透系数k ，也称为水力传导系数，是一个重要的水文地质参数。根据( 2 2 ) 式，当水力坡度j = l 时，渗透系数在数值上等于渗透速度。因为水利坡度无量纲， 所以渗透系数具有速度的量纲。即渗透系数的单位和渗透速度的单位相同，常用 c m s 或m d 表示。 渗透系数不仅取决于岩石的性质( 如粒度成分、颗粒排列、充填状况、裂 隙性质和发育程度等) ，而且和渗透液体的物理性质( 容重、粘滞性等) 有关。如在 同一套装置中对于同一块土样分别用水和油来进行渗透实验，在同样的水头作用 下，得到的水的流量要多于油的流量，即水的渗透系数要大于油的渗透系数。说 明同一岩层对于不同的液体具有不同的渗透系数。考虑到渗透液体性质的不同， d a r c y 定律有如下形式： l ，：一k p _ _ _ g gd h( 2 4 ) p d s 式中p 一液体的密度 g 一重力加速度 “一动力粘滞系数 h = z + p y ，对于水就是水头： k 一表征岩层渗透性能的常数，称为渗透率或内在的渗透率，k 仅仅 取决于岩石的性质而与液体的性质无关。 比较( 2 2 ) 式和( 2 4 ) 式，可求出渗透系数和渗透率之间的关系为 k ：p gk ：墨后( 2 5 ) p y 渗透率通常采用的单位是c m 2 或d a ( d a r c y ) 。 一般来说，渗透系数k 和渗透率k 是不随时间改变的，但对于某些特殊情况， 如在外部荷重作用下引起固结和压密，固体骨架的溶解和存在于孔隙中间粘土的 膨胀等，也可能引起k 和k 随时间的变化。 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 为了加深对渗透系数和渗透率的理解，把孔隙介质理解为有许多直径为d 的 直的圆管。由水力学可知，当水流为层流状态并做稳定运动时，圆管中过水断面 的平均流速为 厂：型：星j( 2 6 ) 32p 1 ，：以矿：竺竺盟( 2 7 ) 1 ，= 以“= 一0 o l z ， 3 2 p 式中：西一圆管过水断面的实际平均流速 d 一圆管直径 挖一孔隙度 卜水力坡度。 把( 2 7 ) 式子和d a r c y 定律( 2 2 ) 式进行比较，发现渗透速度和水力坡度 的一次方成正比的。渗透率k 相当于圆管情况下的等：渗透系数k 相当于圆管下 的n d 2 一p g 。当然，多介质的实际空隙是大小不一，形状各异，弯弯曲曲的，比理 3 2 “ 想化模型要复杂得多，但这些模型仍可以给出一些定性的概念，例如k 与空隙大 小( d 或b ) 的二次方成正比而与空隙度1 1 的一次方成正比。说明空隙大小对k 的值 起主要作用，这就在理论上说明了为什么颗粒愈粗，透水性愈好。 2 2 4 渗透速度 在试验测得的渗透速度v 不是地下水在空隙中的真f 流动速度。地下水在土 空隙中的实际流速应等于单位时间t 内，通过某截面的流量q ，被该截面上空隙所 占的总面积a 除。即 y = 钐， ( 设a e 有效透水面积，对砂土而言， 有一定所以a e n a ) ( 2 6 ) a e = n a ：对于粘性土，由于土中粘结水占 式中：v 一土体的渗透速度，( c m s ) 卜通过土体的流量，( c 珑3 ) n 一土体的空隙度，( ) a _ 土体空隙的平均横断面积，( e m 2 ) 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 5 水力坡度 在土中任意两点间产生渗流时，则该二点之水头差为h i h 2 = h ，其与两点 间渗流长度l 之比值称为水力坡降，亦叫水力坡度，通常以无量纲向量j 表示， 即j 的方向设与水流方向一致，即流经路径长度l 的水头损失。 2 3 裂隙渗流的特点 一般岩体具有纵横交错的张、压、扭性等结构面，它是由空隙性好而导水性 差的岩块空隙系统和空隙性差而导水性强的裂隙系统组成，岩块渗透系数相对于 裂隙相当微小，岩体渗流应属于裂隙渗流，与孔隙渗流的土体相比，具有其独有 的特点具体表现为以下几个方面。 ( 1 ) 渗透系数的非均匀性十分突出 一方面组成岩体的岩块和裂隙之间的渗透性相差几个数量级造成非均匀性， 一方面因为裂隙大小、长度和产状等自爱空间分布的差异也造成岩体渗透系数明 显的非均匀性，甚至同一钻孔不同孔段的单位吸水率之间可能相差几个数量级。 据统计，边坡岩体的渗透系数k 随深度h ( m ) 的变化为“2 1 k = 2 9 10 一) h 。j ，) ( c m ) ( 2 7 ) 国外的研究也表明：岩体渗透系数在深度范围内有几个数量级的差别，l o u i s 提出的渗透系数沿深度呈负指数递减，他从法国某坝址现场测得，从地表到地下 6 0 m 渗透系数可从1 0 5 m s 降到l o - 6 1 0 8 m sb 如岩体渗流不仅在垂直方向上非 均匀性十分突出，在平面上的非均匀行也非常明显，即使只相隔很小的距离，其 渗透系数可相差到几个数量级。 ( 2 ) 渗透系数各向异性非常明显 由于岩体渗流主要表现为裂隙渗流，而裂隙为构造生成为主，往往成组分布， 且一般存在几组裂隙，每组裂隙具有基本相同的产状，使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方向的渗透系数大。 ( 3 ) 样本单元体积( r e v ) 巨大，致使等效连续介质的假设误差较大，计算 范围级广 样本单元体积是指：有这么一个最小体积，各渗流参数已基本不随体积的增 大而发生改变( 见图2 1 ) 。裂隙岩体不比孔隙土体，土体具有均匀而又密集的 孔隙，可用小范围代替大范围的渗流特性，即可获得较小的p , j 三v 。较大一块岩体 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 所含的裂隙相随较少，同时裂隙的分布沿空间的差异较火，要寻求能代表整个研 究范围的r e v 十分困难。按连续介质处理有时会引起较大的误差，也使计算和研 究范围无法缩小和简化。 图2 1 样本体积单元 ( 4 ) 采用等效连续介质处理岩体渗流时，概化流速与实际流速存在重大差异 当研究区域的大小超过了r e v 时，通常将其简化为等效连续介质进行研究。 渗流概化流速一般表示为单元毛面积( 含裂隙和岩块的面积) 通过的流量，对土 体而言，孔隙体积占有很大比例，概化流速和实际流速相差不大，基本为同一数 量级，但对岩体而言，由于裂隙率较小，同时水流在粗糙裂隙的运动常出现水流 集中，岩体的实际流速可能比研究采用的概化流速大3 到5 个数量级。 ( 5 ) 应力环境对岩体渗流场的影响显著 密实土体在f 常荷载作用下，孔隙体积一般变化较小，渗流系数较稳定，应 力场的改变对它影响不大：岩体中的裂隙则大不相同，荷载作用下引发的岩体变 形主要体现在裂隙变形，而渗流量与裂隙张开度的高次方成正比，较小的裂隙变 形会引起较大渗透系数和渗流量的改变，渗流体积力也会发生重大改变，从而又 反过来影响岩体的应力场。不仅如此，岩体渗流的非均匀性和各向异性的特点， 使得岩体边坡裂隙水压力的分布不同于常规，可见，应力环境对岩体渗流场的影 响十分显著。 杨映涛( 1 9 9 2 ) 研究岩石体积应变与空隙水压力的关系时发现b ，较小体积 应变会使空隙水压力发生很大变化，煤层地板的突水正是二者相互作用的结果。 杨太华( 1 9 9 5 ) 对三峡船闸岩体进行渗流与力学的耦合计算b ，发现渗流场对应 力场有较大扰动，在考虑渗透压力的情况下，比不考虑渗透压力的最大拉应力有 达2 1 o 的变化幅度，最大拉应力增大1 1 7 。耿克勤( 1 9 9 4 ) 对龙羊峡重力拱坝 和坝肩岩体的力学和渗流的耦合分析表明3 刀，考虑了应力场和渗流场相互作用和 影响的显著性。 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 岩体渗透系数的影响因素复杂、众多、影响因子难以确定 当空隙率或颗粒粒径给定后，土体的渗透系数就基本确定，而岩体裂隙渗流没 有这么简单，影响其渗流系数因素异常复杂，出裂隙开以外，还含裂隙的粗糙度、 吻合度、渗径起伏度，是否有填充物以及填充物的材料特性、连通率等，对于岩 体还包含裂隙的倾向倾角及其分布、张扭性或压扭性、裂隙之问的连通程度等因 素，甚至水流流态对渗透系数的影响也不可忽略，一条光滑裂隙的渗透系数可能 比相同隙宽的粗糙裂隙大几倍甚至几十倍b 舳，另外，上述众多因素对渗透系数的 影响具有较强的随机性，其影响程度很难确定。 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 第三章裂隙岩体渗流应力耦合模型的研究 3 1 渗流场应力场耦合关系 对于裂隙岩体而言，受力作用时裂隙会发生变形，裂隙的张开度、长度等特 性随之会发生变化。重要的是渗透系数随着裂隙的这些变化而发生了改变，所 以渗透张量依赖于应力张量，随着应力状态的改变而发生变化。因此通常将岩 体渗透系数作为渗流场与应力场两场之间的桥梁，建立两场的耦合关系，将两 场联系起来。通常两场之间的耦合关系有渗透系数与正应力的耦合关系，渗透 系数与剪应力的耦合关系。 3 1 1 渗透系数与正应力的耦合关系 裂隙岩体中的应力场影响岩体裂隙隙宽，而隙宽又是渗透系数的函数，因此 岩体渗流场与应力场祸合的祸合关系可用两者之间的函数表示这方面的研究国 内外学者都进行了研究，提出了许多公式。比较著名的公式如l o u i s ( 1 9 6 7 ) 根据试 验结果提出的 k ( e , p ) ：k 0 e 一a ( 。一p ) 】 ( 3 1 ) 式中：o 一正应力： p 一渗透水压力； ( o p ) 一有效应力； k 0 一初始渗透系数。 以及在裂隙网络模型计算时，常采用的关系式 k f = k o ，o - 。理 ( 3 2 ) 或写成：l o g k ，= l o g k ：- o t l o g 。 ( 3 3 ) 式中：o 。= o p 为有效应力 1 5 湖北工业大学硕士学位论文 口l 图3 1 裂隙岩体受力示意 对于受压剪应力状态的裂隙岩体，运用双向受压的无限大平板内，有一斜裂 纹，其方位角为a ，受到最大正应力为o 。，最小正应力为o ，剪应力为t 的应力状 态，其受力示意图如图3 1 所示。将裂纹看作为裂隙岩体中的单裂隙，则裂隙面 上受到的正应力和剪应力可由下式确定： g ：! 盥+ ! l ! c o s 2 秒一t s i n 2 秒 (