（水工结构工程专业论文）裂隙岩体可灌性及灌浆数值模拟研究.pdf

摘要 本文以服务于我国水工结构及岩土工程建设为目标，就目前裂隙岩体可灌性及随机 裂隙岩体灌浆数值模型研究中的若干热点和难点问题开展了较为深入的研究，主要内容 及取得的相应研究成果如下： ( 1 ) 把浆液分为水泥类浆液和化学类浆液，归纳研究了水泥的流变特性及其影响 因素，初步分析了某些化学浆液的力学行为和流变特性。发现水泥类浆液在某一时间以 前其粘度和剪切强度几乎保持稳定，此后随着凝结时间的到来，其粘度和剪切将度快速 增长，据此总结了水泥类浆液的流变模型。 ( 2 ) 明确定义了可灌性，认为可灌性不单指浆液能否渗入被灌介质的特性，也包 括浆液在介质内的渗透能力。综述了国内外关于可灌性和灌浆准则的研究成果，在他人 研究工作的基础上，结合笔者对可灌性的定义推荐了灌浆准则。 ( 3 ) 马国彦 3 】只给出了含水层为层状结构，且其中的裂隙为直立的特殊情况下的 交叉孔压水试验的理论解。本文在此基础上推导出了一般裂隙岩体的交叉孔压水试验的 理论解。 ( 4 ) 把压密灌浆工程中浆液在土体或松散岩体内形成的浆泡的扩张看作是各向同 性弹塑性介质中的球( 柱) 孔的扩张。根据他人已有的关于材料应变软化模型的球( 柱) 形孔扩张问题的解，建立了压密灌浆中的浆泡扩张模型。在该模型下分析了浆泡分别作 球、柱形扩张时的应力场和位移场，求得了浆泡扩张导致周围介质产生的最大塑性区半 径和最大浆泡扩张压力。 ( 5 ) 参考二维平行板阆不可压缩粘性流体的运动方程，分析推导了宾汉姆浆液在 等宽光滑倾斜裂隙中的流动方程。结合平面随机裂隙岩体网络模型和空间裂隙网络模 型，建立了平面随机裂隙岩体灌浆数值模型和空间裂隙岩体灌浆数值模型。研发了相应 的岩体灌浆数值模拟计算分析程序，研究了浆液在岩体裂隙内的流动规律。通过建立的 模型，研究发现岩体裂隙随机分布、相互交叉的网络特征，影响着浆液渗透特性。若不 考虑裂隙扩展延伸，浆液总是沿着相互连接并与灌浆孔相连的裂隙流动。可见不能用通 常的灌浆半径来反映复杂裂隙岩体中浆液的渗透范围。 ( 6 ) 在对典型宾汉姆浆液和粘时变浆液做算例后分析发现，裂隙岩体灌浆中，节 点压力和流量与灌浆时间都呈幂函数关系，并分别建立了经验关系式。随着灌浆的发展， 节点压力越来越大，最后趋于稳定。若浆液粘度较小时，流量随时间增大，最后逐渐趋 于稳定；若浆液粘度较大，特别对于粘度随时间增大的粘时变浆液来说，此时流量随时 间降低。 ( 7 ) 建立了考虑裂隙变形效应的浆液在裂隙面内的非稳定渗透有限元模型，就该 模型开发了相应的有限元程序。对拱坝接缝灌浆进行了数值模拟研究，分析了缝面压力 分布特征。对某水库的廊道裂缝进行了灌浆数值模拟研究。 关键词：裂隙岩体灌浆技术渗流渗透性可灌性有限单元法浆液压水试验 a b s t r a c t t o w a r dt h eg o a lo ft h ec o n s t r u c t i o no f h y d r a u l i ca n dg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n go fo u r c o u n t r y , t h ed i s s e r t a t i o np u t sc o m p a r a t i v e l yd e e pr e s e a r c ho ns o m ed i f f i c u l ta n dh o tp o i n t s ，o f w h i c hi ns t u d y i n gp e r m e a b i l i t y , g r o u t a b i l i t ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fg r o u t i n gi nr a n d o m f r a c t u r e dr o c km a s s e s t h ef o l l o w i n gi st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h er e s u l t si nt h i s d i s s e r t 撕o n ( 1 ) t h eg r o u t sr h e o l o g i c a lm o d e li st o t a l l ya n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eg r o u t sa r e c l a s s i f i e da sc e a n e n t - b a s e dc o a r s eg r o u t sa n dc h e m i c a l b a s e df i n e g r o u t s r h e o l o g i c a l c h a r a c t c r i s t i c sa n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa r es t u d i e d f u r t h e r m o r e s o m em e c h a n i c sb e h a v i o r a n dr h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc h e m i c a l - b a s e dg r o u t sa r ep r e l i m i n a r i l y a n a l y z e d i ti s f o u n dt h a tt h ev i s c o s i t ya n ds h e a rs t r e n g t ho ft h ec e m e n t b a s e dc o a r s eg r o u t sk e e pn e a r l y u n c h a n g e db e f o r es o m et i m e s u b s e q u e n t l y , t h ev i s c o s i t ya n ds h e a rs t r e n g t hk e e pr a p i d l y i n c r e a s e d b a s e do na b o v eo b s e r v a t i o n s ，ar h e o l o g i c a lm o d e lf o rt h ec e m e n t - b a s e dg r o u t si s p u tf o r w a r d ( 2 ) t h es p e c i f i cd e f i n i t i o no fg r o u t a b i l i t yi sp u tf o r w a r d i ti sc o n s i d e r e dg r o u t a b i l i t y i n c l u d e sn o t o n l y t h ec h a r a c t e r i s t i cw h e t h e rg r o u t sc a np e n e t r a t ei n t o s o i l ，b u tt h e p e r m e a b i l i t yo fg r o u t si ns o i l i ti sc o m m e n t e do nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ho n g r o u t a b i l i t ya n dg r o u t i n gc r i t e r i a b a s e do nt h eo t h e r sr e s e a r c h ，a n dc o m b i n a t i o nw i t ht h e g r o u t a b i l i t yd e f i n i t i o no f t h ea u t h o ro f t h i sd i s s e r t a t i o n ，ag r o u t i n gc r i t e r i ai sr e c o m m e n d e d ( 3 ) t h et h e o r e t i c a ls o l u t i o na b o u tc r o s s - h o l ep a c k e rt e s t ，o f w h i c ht h ea q u i f e ri sl a m e l l a r s t r u c t u r ea n dt h ef r a c t u r e sa r ev e r t i c a l ，i sp u tf o r w a r di nt h et h i r db i b l i o g r a p h y o nt h eb a s i s o ft h ea b o v es o l u t i o n ，t h et h e o r e t i c a ls o l u t i o na b o u tc r o s s - h o l ep a c k e rt e s ti s g a i n e di n c o m m o nf r a c t u r e dr o c km a s si nt h i sd i s s e r t a t i o n ( 4 ) t h ee x p a n s i o no fg r o u tb u l bf o r m e di ns o i lm e d i u mi sr e g a r d e da st h a to ft h e s p h e r i c a lo rc o l u m n a rh o l e a c c o r d i n gt ot h ef o r m e rs o l u t i o no fs p h e r i c a lo rc o l u m n a rh o l e a b o u tm a t e r i a l s t r a i n - s o f t e n i n gm o d e l ，t h em o d e lf o rg r o u tb u l be x p a n s i o ni sf o r m e di n c o m p a c t i o ng r o u t i n g t h ef i e l d so fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ta r eg o tb yt h em o d e lw h e nt h e s p h e r i c a lo rc o l u m n a rs h a p ee x p a n s i o no f g r o u tb u l b a tl a s t ，t h em a x i m u mr a d i u so f p l a s t i c a r e aa n dt h em a x i m u m e x p a n s i o np r e s s u r eo fg r o u tb u l ba r er e c e i v e di ns o i lm e d i u ma r o u n d b o r e h o l e ( 5 ) i na c c o r d a n c ew i t ht h en a v i e r - s t o k e se q u a t i o nb e t w e e np l a n a rp l a t e s ，t h ee q u a t i o no f m o t i o no ft h eb i n g h a m i a ng r o u t si sd e d u c e di ns m o o t ha n di n c l i n e df i s s u r e s c o m b i n a t i o n w i t ht h ep l a n a ra n ds p a t i a ln e t w o r km o d e lf o rf i s s u r e dr o c km a s s e s ，t h er e s p e c t i v eg r o u t i n g n u m e r i c a lm o d e lf o rf i s s u r e dr o c km a s s e si sp u tf o r w a r d f u r t h e r m o r e ，t h ec o r r e s p o n d i n g p r o g r a m sa r ec o m p i l e d ，b a s e d0 i 1t h ep r o g r a m s t h ef l o wb e h a v i o r so ft h eg r o u t sj nf r a c t u r e d i i i r o c km a s s e sa r er e s e a r c h e d i ti sv e r i f i e dt h a tt h eg r o u t i n gr a d i u sc a n tb eu s e di nf r a c t u r e d r o c km a s s e s ( 6 ) a f t e rm a k i n gs o m ec o m p u t a t i o n sa b o u tt h ef l o wb e h a v i o r so ft h et y p i c a lb i n g h a m i a n g r o u t sa n dt i m e - v a r y i n gg r o u t s ，i ti sf o u n dt h a t ，i nf i s s u r e dr o c km a s s e sg r o u t i n g ，t h ec b r v eo f t h en o d a lp r e s s u r ev e r s u st h eg r o u t i n gt i m ei se x p o n e n t i 8 lf u n c t i o n b a s e do na b o v ed i s c o v e r y , t h ee x p e r i e n t i a le q u a t i o ni sf o u n d e d ，i na d d i t i o n ，i ti sf o u n dt h a tt h en o d a lp r e s s u r e sk e e p i n c r e a s e da n ds t a b l ei nt h ee n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fg r o u t i n gt i m e w h e nt h ev i s c o s i t yo f t h eg r o u t si ss m a l l t h e nt h ea b s o r p t i o nk e e p si n c r e a s e da n ds t a b l ea tl a s tw i t l lt h eg r o u t i n g t i m e ；w h e nt h ev i s c o s i t yi sb i g , e s p e c i a l l yt h eg r o u t si st i m e - v a r y i n g ，t h e nt h ea b s o r p t i o nk e e p d e c r e a s e d ( 7 ) a nu n s t e a d ys e e p a g ef e mm o d e lf o rg r o u t si sb u i l t t h ed e f o r m a t i o no fc r a c kf a c e a c t e db yg r o u t i n gp r e s s u r ei sc o n s i d e r e di nt h em o d e l b a s e do i lt h em o d e l ，af e mp r o c e d u r e i sd e v e l o p e d f u r t h e r m o r e ，j o i n tg r o u t i n gi na r c hd a m si ss i m u l a t e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no i lc r a c kf a c e sa r er e s e a r c h e d g r o u t i n gi nac r a c ka b o v eac h e c k i n g g a l l e r y o fad a mi sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d k e yw o r d s ：f r a c t u r e dr o c km a s s e s ，g r o u t i n gt e c h n i q u e ，s e e p a g e ，p e r m e a b i l i t y , g r o u t a b i l i t y , f e m ，w a t e rp r e s s u r et e s t 1 v - 日u吾 近些年来，随着我国社会主义现代化建设的不断深入，各种土木工程的建设方兴未 艾，这极大地促进了我国灌浆技术和灌浆理论的发展。灌浆技术是一项实用性强、应用 范日广的工程技术，目前广泛应用于水利水电工程、地铁、边坡支护、建筑物纠偏、地 基处理和矿山等各个领域。其主要用途是降低岩土体的渗透性和侵蚀、增加其强度或降 低地基土压缩性。与灌浆技术，包括灌浆材料、灌浆工艺和灌浆设备的迅速发展相比， 灌浆理论特别是裂隙岩体的灌浆理论的发展相当滞后。 本文主要从浆液的流变性、被灌介质的渗透性、浆液和介质所决定的可灌性、灌浆 压力的选取、灌浆压力与裂隙变形的关系、宾汉浆液在一维倾斜光滑裂隙内的流动性以 及随机裂隙岩体灌浆的数值模型研究等方面提出了一些自己的看法，做了一些探索性的 工作。主要创新点有： ( 1 ) 定义可灌性为在确定被灌区域无溶洞等地质缺陷的前提下，在压力作用下， 浆液渗透到被灌介质内的能力，以及浆液在被灌介质内的渗透性。根据该定义，推荐了 新的灌浆准则。 ( 2 ) 参考二维平行板间不可压缩粘性流体的运动方程，分析推导了宾汉姆浆液在 等宽光滑倾斜裂隙中的流动方程。 ( 3 ) 根据宾汉姆浆液在等宽光滑倾斜裂隙中的流动方程，结合平面随机裂隙岩体 网络模型，建立了平面随机裂隙岩体灌浆数值模型；建立了考虑裂隙变形效应的浆液在 空间裂隙面内的非稳定渗透有限元模型；建立了考虑灌浆压力作用下裂隙变形效应的空 间岩体裂隙网络灌浆数值模型。并开发了相应的数值模拟程序。 ( 4 ) 根据计算结果，发现由于岩体裂隙随机分布、相互交叉，影响了浆液的渗透 特性，不能用通常的灌浆半径来反映裂隙岩体中浆液的渗透范围。并建立了节点压力和 灌浆量与灌浆时间关系的经验关系式。另外对拱坝接缝灌浆进行了数值模拟，研究了接 缝灌浆工程中缝面的压力分布特征。 学位论文独创性声明： 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 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：2 0 0 6 年3 月1 9 日 学位论文使用授权说明 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。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。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) ：2 0 0 6 年3 月1 9 日 博士学位论文一裂隙岩体可灌性及灌浆数值模拟研究 1 1 课题的提出及意义 第一章绪论 灌浆( g r o u t i n g ) 作为一种比较成熟的施工技术，在各工程领域中得到了广泛的应 用。它是指利用液压、气压或电化学原理，通过灌浆设备将具有充填胶结性能的材料配 成的浆液注入到岩体或土体等介质中，增加被灌介质的抗渗和抗震能力，以达到提高建 筑物的稳定性和安全性的目的。 影响岩体灌浆效果的因素主要有：浆液性质、节理特征、灌浆工艺、气候、灌浆设 备和灌浆方法等。 浆液主要分为悬浮性和溶解性浆液。悬浮性浆液包括泥浆、水泥石灰浆、沥青、乳 胶等。溶解性浆液主要指一些化学浆液。浆液的性质主要包含粘度、密度、流动性以及 颗粒大小等。工程师比较关心的是不同浆液的粘度、流动性、水灰比( w ：c ) 、剪切强 度之问的相互关系，以及被灌介质灌浆前后的强度变化，以便通过比较来选择合适的浆 液，这方面的工作国内还研究得较少。 被灌介质主要包括土体和岩体两大类 1 1 。土壤的渗透性主要由孔隙和孔隙率的大小 决定。而岩体要复杂得多，具有裂隙的岩体渗透系数要远大于岩石本身的渗透性：另外 岩石内孔隙小、孔隙率低( 一般在0 0 1 0 1 之间) ，且互不相连，就工程问题而言其渗 透性通常可被忽略。裂隙岩体渗透性主要取决于裂隙开度大小、走向、延伸范围、连通 情况、裂隙中的充填物及裂隙面的粗糙度等几何结构特征，这些因素与岩性、岩相和地 壳运动经历密切相关。研究浆液，特别是以水泥浆为代表的宾汉姆浆液，在岩体裂隙网 络中的流动规律，对提高灌浆工程的可操作性、经济性等具有重大实际应用意义，它可 以帮助我们更加准确地判断浆液渗透范围、灌浆量的大小和完成灌浆大致需要的时间。 裂隙岩体灌浆理论研究的是浆液在裂隙中的流动规律。各向异性渗透性是裂隙岩体 的基本渗透特征，只有用渗透张量的概念才能给予本质的描述。确定岩体渗透张量的主 要方法有现场压水试验法、室内试验法、反演法、几何形态法和隙宽类比法【2 】等。由于 二阶对称渗透张量具有6 个独立参数，参数过多，运用反演法时可能会碰到解的唯一性 和不稳定性问题，同时渗透系数初值及一些优化系数的选定在很大程度上依赖于经验， 选择不好不仅影响计算速度，甚至还会影响计算的收敛性。交叉孔压水试验是由h s i e h 和n e u m a n l 3 1 于1 9 8 5 年提出的，该法钻孔可以任意方向布置，而不必预先了解裂隙发育 情况，技术比较简单，但理论相对复杂，因此对其理论做适当的简化研究对促进交叉孔 1 第一章绪论 压水试验具有重要意义。 常规压水试验目前应用比较广泛，普遍的目的是通过获得试验岩层的单位吸水率来 分析和评价所试验岩体的渗透性，以及把试验结果与抗渗准则( 吕荣准则) 进行比较， 判断是否可灌浆和检验灌浆效果等。fke w c r t 4 认为，若水的吸收较小，则可用压水 试验来比较岩体渗透性，否则完全取决十岩石的节理系统；不能用单位吸水率的大小来 决定是否灌浆，因为其没有考虑具体岩石类型的渗透性行为，也投有考虑地质学等方面 的因素；岩体的渗透性和浆液可灌性并不成比例关系。 灌浆压力的确定还没有统一的准则，主要是根据被灌区的水文地质条件加以经验来 确定。归纳分析国内外灌浆压力的确定方法，建立灌浆压力的求解模型对具体灌浆方法 和工艺的确定无疑具有重要的学术意义和工程应用价值。 1 2 岩体渗透性研究进展 1 2 1 裂隙岩体渗透特性 和多孔介质相比，裂隙岩体渗透性要复杂得多，裂隙岩体的渗透性主要具有以下特 征：n ) 岩体主要由透水性弱的岩块和透水性强的节理组成，裂隙岩体渗透性主要取决 于岩体节理性质及特征；r 2 ) 岩体渗透一般看作是非连续介质渗流，具有高度的非均质 性和各向异性。没有裂隙和裂隙充分发育的岩体可看作是等效连续介质；( 3 ) 裂隙岩体 渗流具有定向性；( 4 ) 岩体渗流一般仍认为符合d a r e y 定律，除非因在岩体局部区域存 在岩溶等原因而出现素流的情况；( 5 ) 岩体渗流受应力场影响明显，在复杂的裂隙系统 中，裂隙交叉处会出现“偏流效应”。 岩体结构面特性分析是裂隙岩体渗流特性的研究基础，岩体结构面的几何要素包括 结构面的产状、形状、规模、间距、隙宽、粗糙性和充填性等。其中隙宽和粗糙性是描 述渗透结构面集合特征的最基本参数，对岩体的力学特性和渗透特性有重要影响。岩体 结构面的几何特征往往服从一定的概率分布。s n o w t s l ( 1 9 6 8 ) 、b a e h e r 6 ( 1 9 7 8 ) 等发现间 距一般服从负指数分布，p r i e s t 7 等发现迹长也服从负指数分布，b a r t o i l 8 1 ( 1 9 7 8 ) 认为间 距和迹长均服从对数正态分布，对结构面粗糙性描述方法研究成果也较多， b a r f o n q 1 9 9 7 ) 提出了节理粗糙度系数j r c 法，谢和平等【1 0 l ( 1 9 9 2 年) 提出了分数维表征 法。 l o m i z e t “1 ( 1 9 5 1 ) 、l o u i s ( 1 2 1 ( 1 9 6 9 ) 撇平行板裂隙的水流试验，提出了著名的立 l o m i z e “1 0 9 5 1 ) 、l 0 u i s 【1 2 1f 1 9 6 9 博通过平行板裂隙的水流试验，提出了著名的立 方定律 一2 博士学位论文一裂隙岩体可灌性及灌浆数值模拟研究 矿：堕：七， (11)12 p 7 、 q 划，= 篙 ( 1 2 ) 其中：可为缝隙的平均流速，m s 一；y 为水流重度，堙m j 。2 ；d 为缝隙的水力等 效隙宽，m ；a 为水的运动粘滞系数，在水温i o 。c 时，1 “1 , 3 x l o _ 6 m 2 厶；i ，为沿缝 隙切向水力梯度；q 为分析单宽流量，m 3 厶；k l 为缝隙水力等效渗透系数。 天然裂隙面一般是粗糙不平的。l o m i z e t l l l ( 1 9 5 1 ) 、l o u i s 12 1 ( 1 9 6 9 ) 、n e u z i l 1 3 1 等( 1 9 8 1 ) 、 b a r t o n 1 4 等( 1 9 8 5 ) 、w a l s h ”1 ( 1 9 8 1 ) 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。杨米加【1 6 ( 2 0 0 1 ) 等从单裂隙的细观 结构出发，分析了裂隙曲折率对流体渗流过程的影响，得出了不规则裂隙的渗流规律。 王媛1 7 1 ( 2 0 0 2 ) 等对不同粗糙度描述下的单裂隙等效水力隙宽进行了有益探讨。孙役 t l s l ( 1 9 9 9 ) 等、王恩志( 2 0 0 0 ) 等对降雨入渗条件下单裂隙非饱和渗流特性进行了试验研 究。速宝玉( 1 9 9 5 ) 等、耿克勤【2 1 1 ( 1 9 9 6 ) 等对仿天然岩体裂隙渗流特性进行了有关试验 研究。g a l ej e 2 2 1 ( 1 9 8 2 ) 、h i c k st - w 等( 1 9 9 6 ) 、速宝玉【2 4 1 等( 1 9 9 7 ) 、赵阳升【2 5 1 等( 1 9 9 9 ) 、 王嫒2 6 ( 2 0 0 0 ) 、朱以文【2 7 1 等( 2 0 0 2 ) 对裂隙渗流与应力的耦合特性进行了试验研究。 目前一些学者开始对两条裂隙及随机分布的岩体渗流特性进行研究，对微观裂隙的 渗流特性也进行了有益研究。于青春等( 1 9 9 5 ) 针对实例的非连续裂隙网络，就其等效 介质的存在性、非连续裂隙网络系统的边界效应等水力特征进行了分析。周创兵【2 9 1 等 ( 19 9 6 ) 通过节理渗流试验，在考虑岩石节理的地质属性的基础上，将平行板模型和沟槽 模型有机地结合起来，提出了适用于一般岩石节理水力特性分析的广义立方定律。速宝 玉掣如1 ( 1 9 9 7 ) 通过大量的交叉裂隙水流的模型试验，建立了交叉水流局部水头损失理 论，并通过模型试验结果与理论模式的相关性分析，确定了理论模式的修正系数。詹美 礼 3 h 等( 1 9 9 7 ) 运用有限元理论从n s7 摊( n a v i e r - s t o k e se q u a t i o n ) 出 ，研究了交叉裂隙 水流的基本特征。 1 2 2 裂隙岩体渗流计算模型研究进展 裂隙岩体渗流的主要计算模型有：离散模型、等效连续介质模型、裂隙一孔隙双重 介质模型、离散介质一连续介质耦合模型和随机渗流模型，另外，多场耦台模型研究和 应用也发展迅速。 第一章绪论 1 2 2 1 离散模型 离散模型认为岩块本身不透水，整个地下水运动是通过裂隙网络进行，渗流场为纯 裂隙网络透水场。 目前对该模型的研究很多，最具代表性的主要有以l o n gc s 吲( 1 9 8 5 1 和b a e c h e r g b 【3 3 1f 1 9 7 7 ) 为代表研制的圆盘裂隙网络模型，它假设裂隙为圆盘状，通过裂隙半径确 定裂隙大小：另一种是以d e r s h o w i t z w s 3 4 ( 1 9 8 5 ) 为代表研制的多边形裂隙网络模型， 它假设裂隙为多边形，需要多个裂隙角点坐标来确定其大小。这两种模型的本质差别在 于裂隙端部的接触方式不同，前者尖灭于完整岩石中，后者以交接线与另一组裂隙连接。 我国学者在这方面也做了一些有益的研究工作，主要有万力f 3 5 】( 1 9 9 3 ) 假定裂隙面为多边 形，提出了三维裂隙网络稳定流模型；王恩志( 1 9 9 3 ) 运用图理论来表述二维裂隙网络 的基本构成，并参考w i t t k e 线素法来形成渗流基本方程：王洪涛( 1 9 9 7 ) 假定裂隙面为 圆盘形，提出了随机裂隙网络非稳定流模型。另外l o u i s 3 8 1 ( 1 9 7 4 ) 、w i t t k e t 3 9 j ( 1 9 9 0 ) 、毛 昶熙等h 0 1 ( 1 9 8 4 ) 、r o m e r o 【4 1 1 等( 1 9 9 5 ) 、d e r s h o w i t z t 4 2 ( 1 9 9 6 ) 、仵彦则删( 1 9 9 7 ) 等也对离 散裂隙网络模型进行过研究。该模型抓住了裂隙渗流的本质特征，较好地描述了裂隙水 的运动规律，能比较真实地反映裂隙网络中的实际渗流状态。 但离散模型也存在一些问题：( 1 ) 离散模型能较准确地模拟区域内裂隙较少情况， 但对裂隙的几何参数及产状了解要求高，虽然可用网络模拟技术模拟裂隙网络泓 4 乱， 但裂隙渗流的水力参数生成【4 q 等许多问题还没有解决，且若模拟裂隙过多，会使得模 型过大而难以有效计算，因此该模型很难解决实际工程问题；( 2 ) 在非饱和渗流中，岩 块渗透系数和裂隙的相比，一般不可忽略【4 7 1 ，除非岩块非常致密，这使得裂隙网络模 型的精度受到影响；( 3 ) 各种各样裂隙的水力行为也是有差异的，这方面还没有成熟的 基本理论。 1 2 2 2 等效连续介质模型 等效连续介质模型应用广泛，它认为孔隙和裂隙均匀分布于整个研究区域内，裂隙 岩体表现出与多孔介质相似的渗流特性，水压、水位随空问点连续分布，整个渗流场的 求解以岩体中流动的水服从d a r c y 定律为基础，求解的精度取决于等效渗透张量的准确 确定。通常认为当裂隙密度较大，随机分布于岩体中、岩体比较破碎可按此模型进行计 算研究。s n o w 4 8 ( 1 9 6 9 ) 、l o n f 4 9 1 ( 1 9 8 2 ) 、o d a 5 0 ( 1 9 8 6 ) 、张有天( 1 9 9 1 ) 和仵彦卿1 5 2 ( 1 9 9 7 ) 等对此进行了研究。 等效连续介质模型的最大优点是可用各向异性连续介质理论进行分析，在理论和解 博士学位论文一裂隙岩体可灌性及灌浆数值模拟研究 题方法上均有较成熟的基础和经验，且不必知道每条裂隙的确切位置和水力特性，只需 确定岩体中少量裂隙几何水力参数的统计值，对于那些不易获得单个裂隙数据的工程不 失为一个很有价值的工具。 等效连续介质模型存在以下主要问题：( 1 ) 裂隙岩体等效张量的确定。l o n g 4 9 1 认为 给定的等效渗透张量，必须能无条件地应用于动力场相似的水流系统，否则确定等效张 量时会存在以下问题，一是在某种边界条件下得到的等效渗透张量未必能准确预测另一 种边界条件下的流量；二是根据流量得出的等效渗透张量未必能预估出正确的水头分 布。( 2 ) 等效连续介质模型的有效性未必能得到保证。将裂隙岩体模拟为等效介质需具 备如下条件：( a ) 裂隙岩体存在表征单元体( r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n tv o l u m e ) ，且相对于 研究域来说不是太大，这就要求研究域很大或裂隙高度发育( 5 3 1 ；c o ) 裂隙岩体等效方向 渗透率能构成某种椭圆形式，即存在对称的渗透系数张量，才能用等效连续介质理论求 解。衡量裂隙岩体是否具有对称渗透张量的方法是测定其方向渗透率。设水力梯度方向 渗透率为世，水流方向渗透率为k ，若世妒和一k i ，n 在极坐标中能够点绘成一个椭圆的 话，那么介质就具有对称的渗透张量【4 9 1 ：( c ) 要满足岩块与裂隙问的局部压力水头相等， 即不存在水交换，这只在恒定流或近似恒定流才基本成立。( 3 ) 对于非饱和渗流，表征 单元体和非饱和水力参数实际很难确定。( 4 ) 并且毛细压力变化时会导致等效渗透张量 的渗透主轴变化。 1 2 2 3 裂隙一孔隙双重介质模型 裂隙一孔隙双重介质模型认为裂隙岩体是由孔隙性好而导水性弱的岩块孔隙系统 和孔隙性差而导水性强的孔隙系统共同组成。它考虑了两类系统之间的水交替过程，先 基于d a r c y 定律分别建立两类系统的水流运动方程，再利用两类系统之间的水交替方程 将其联系起来。根据水交替方程的建立方法，该模型可分为拟稳态流模型和非稳态流模 型 5 4 】。b a r e n b l a r t 5 5 ( 1 9 6 0 ) 首先提出了该模型，但b a r e n b l a t t 模型的主要缺点是不能反映 裂隙岩体各向异性渗透特性。w a r r e n 5 6 ( 1 9 6 3 ) 模型有所迸步，但只能应用于均质的正交 裂隙网络。随后n e r e t n i e k s 5 7 1 ( 1 9 8 0 ) 、l a g e n d i j k 5 8 1 ( 1 9 8 1 ) 、z i m m e r m a n 5 9 ( 1 9 9 6 ) 、仵彦卿 等( 1 9 9 8 】也对该模型进行了研究和发展。 与等效连续介质模型相比，该模型考虑了裂隙的强导水性、孔隙的过水面大以及两 者之间存在流量交换等情况，因此它更接近工程实际。但由于拟稳态流模型是假定水交 替量与两类系统的水头差成正比，不直接为时间f 的显式，会影响模型精度；对于非稳 态流模型，水交替方程的建立与裂隙系统的配置和形状有关，这限制了该模型的应用。 一5 第一章绪论 因此裂隙一孔隙双重介质模型有待进一步完善。 1 , 2 2 4 多场耦合模型 裂隙岩体渗流的多场耦合模型中，最典型的是渗流场与应力场的耦合模型。由立方 定律可知，裂隙的过水能力和裂隙隙宽的立方成正比，可见由应力变化引起的裂隙隙宽 的细微变化都会对渗流场产生重大影响，且渗流场的变化又将改变渗流体积力的变化， 从而影响应力场，此即为岩体渗流场与应力场的耦合作用。 一些学者通过大量的试验研究，分别建立了各类岩石内单一裂隙渗流与应力的关 系，如：s n o w ( 1 9 6 8 ) t 1 1 、l o u i s ( 1 9 7 4 ) 3 铂、k r a n z ( 1 9 7 9 ) 1 6 ”、g a l e ( 1 9 8 2 ) t 2 2 1 。国内刘继山 1 6 2 1 ( 1 9 8 8 ) 、耿克勤( 1 9 9 6 ) 和周创兵( 1 9 9 6 ) 也对此做了研究。n o o r i s h a d t “1 等( 1 9 8 2 ) 将 土体b i o t 固结理论用于建立岩体渗流与应力耦合关系，进而用有限元法研究了非连续 介质中的固液两相介质的耦合问题，但该法忽略了渗透性随应力的变化。王嫒等【6 5 1 ( 1 9 9 8 ) 提出裂隙岩体渗流与应力耦合分析的四自由度全耦合法，基本解决了渗透性随应力变化 问题。陶振宇断j ( 1 9 8 8 ) 以l o u i s 公式 3 8 】为基础对岩体渗流与应力进行耦合分析以研究水 库诱发地震。盛金昌等【6 7 3 ( 2 0 0 0 ) 、王嫒等【2 6 1 ( 2 0 0 0 ) 还对复杂裂隙岩体进行了渗流与应力 弹塑性的全耦合分析。朱以文等【2 7 1 ( 2 0 0 2 ) j 习等参元逆变算法解决了渗流场与位移场分析 中两场间数据传递问题。此外ra _ v c i l 6 8 ( 1 9 9 8 ) 、王洪涛【6 9 ( 2 0 0 0 ) 、柴军瑞【7 0 ( 2 0 0 1 ) 等也 研究了渗流场与应力场间的耦合作用。o h n i s h i 等【7 1 1 ( 1 9 9 3 ) 、赖远明等【7 2 】( 1 9 9 9 ) 、陈庆 中等m ( 1 9 9 9 ) 、陈波掣7 4 1 ( 2 0 0 1 ) 则研究了渗流场、应力场及温度场的三场耦合机理和作 用。杨延毅1 7 5 1 ( 1 9 9 1 ) 、朱珍德7 6 ( 1 9 9 9 ) 、郑少河【7 7 ( 2 0 0 1 ) 等则研究了渗流场与损伤场之 间的耦合作用。 以上的研究工作不能更好地解释应力作用对裂隙面渗透性的影响机理，为此人们提 出一些理论模型如洞穴模型、凸起模型以及洞穴凸起结合模型。g a n g i 7 8 1 ( 1 9 7 8 ) 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 7 9 1 ( 1 9 8 1 ) 贝l j 将描述裂隙力学变形性质的 洞穴模型进行研究和推广。t s 姐一8 0 1 ( 1 9 8 1 ) 在上述两模型的基础上提出了洞穴一凸起结 合模型，它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特性，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 好地解释了单裂隙面渗流、力学及耦合特性。另外e s a k i l 8 1 ( 1 9 9 2 ) 、耿克勤【2 1 1 ( 1 9 9 6 ) 对岩 体的剪切渗流耦合进行过试验研究。 1 2 3 裂隙岩体渗透系数确定 6 博士学位论文一裂隙岩体可灌性及灌浆数值模拟研究 裂隙岩体渗透系数的主要获得方法有：实验室法、现场试验法、几何形态法和反演 法四类。速宝玉 8 2 1 ( 1 9 9 5 ) m , , k i 粗糙面缝隙模拟天然岩体裂隙进行物理模型实验，对天 然岩体裂隙渗流机理及其规律做了探讨，在总结洛米捷( r m a o 一3 e ) 及路易斯( c l o u i s ) t ”j 研究成果的基础上提出了一个改进计算模式。由于条件限制，通常只对单一裂隙的岩体 进行实验，且人造裂隙与天然裂隙的差异，室内试验往往很难满足实际工程要求，实验 室法通常只能做一些基础理论研究。目前裂隙岩体渗透系数的确定法主要还是后面三种 方法。 1 2 3 ，1 几何形态法 渗透张量概念首先由f e r r a n d o n ( 1 9 4 8 ) 提出，其后s n o w ( 1 9 6 9 ) t 删和r o m m ( 1 9 6 6 ) 应用于裂隙岩体，提出了裂隙岩体的渗透张量，更好地描述了裂隙岩体渗流各向异性特 征。其方法是假定裂隙无限延伸，根据裂隙组数、间距、隙宽及产状，推导出裂隙岩体 的渗透张量。该方法认为每一系统的裂隙方向、密度和宽度都是绝对稳定的，这种假设 不符合裂隙网络实际存在不均一性，故完全通过裂隙宽度、间距以及方位统计而求得渗 透张量的方法具有局限性。 o d a 8 5 ( 1 9 8 5 ) 采用统计理论推求岩体的渗透张量。周创兵【8 q ( 1 9 9 6 ) 根据渗流能量迭 加原理提出了确定双场耦合条件下裂隙岩体渗透张量的新模型。周志芳掣钉 ( 1 9 9 9 ) 通过 坐标轴的旋转、压缩和再旋转变换，推导出了有越流任意各向异性含水层中地下水三维 井流问题的计算公式，在此基础上提出了采用抽水试验资料图解和优化相结合的方法确 定任意各向异性岩体渗透张量。由于天然岩体裂隙随机分布，方保镕( 1 9 9 钔先用灰色 聚类法将裂隙按透水性强弱进行分类，后用层次分析法确定某组裂隙渗透系数，该法具 有较高的精度。杨天鸿等【8 9 】( 2 0 0 3 ) 以现场岩体渗透结构面概率模型统计资料为依据，采 用离散介质方法建立裂隙网络模型，提出了计算岩体结构面网络的等效渗透张量法。王 洪涛【蚓( 1 9 9 7 ) 提出了使用有限差分法计算各向异性渗透系数的数值方法和差分单元渗 透性的计算公式。陈洪凯掣9 1 1 ( 1 9 9 9 ) 根据对岩体结构面及地下水渗透量的调查和观测， 概化出渗透结构面及其分组，利用极值控制法求出渗透结构面的渗透系数，进而求出岩 体初始渗透张量，再基于初始渗透张量及观测流量利用有限元法反求岩体等效渗透张 量。 1 2 3 2 反演法 反演法是一种优化方法，它根据地下水动态观测资料或抽水试验资料已获得的水头