（岩土工程专业论文）裂隙化岩体渗流特征及涌水量数值模拟.pdf

摘要 裂隙水作为重要的资源、生态环境因子、灾害因子、地质应力和信息载体， 对人类的生产生活有着重大影响。随着社会经济的发展，地质工程的规模不断扩 大，裂隙水作为灾害因子这一问题日益突出，众多岩质边坡、岩质基坑和地下洞 室的稳定性都受到裂隙水各种不良效应的影响，因此，对裂隙水的渗流特征进行 研究势在必行。目前，国内外尚没有一套完整、成熟的科学理论和方法进行有效 模拟与计算裂隙水的运移规律和排泄量。此方面的研究进展仍处于探索阶段。 本文依托山西省阳泉市泉中花园拟建高层建筑物基坑，对区域内地下水的补 给、排泄和裂隙水的渗流特征进行了研究。首先，基于对场地地质规律的综合分 析，概化出裂隙水赋存、运移的复合岩体结构模型一地质结构模型；基于多种营 力作用下形成的各级各类结构面空间组合规律和研究区域地形特征构建出具有 特定边界条件的水文地质结构模型，基坑实际是一个地下水多级次流动系统的人 工排泄处。其次，基于对场地各类结构面渗流特征分析，确定了有效渗流结构面， 并用不同方法对结构面进行了分组和对比；运用数理统计方法，确定了结构面参 数的概率分布形式和数字特征值，建立了结构面的概率模型。在此基础上，采用 m o n t ec a r l o 随机模拟原理，应用离散元软件建立了结构面二维、三维网络模型。 最后，通过试验和经验判定，确定了模型的材料参数和边界条件，运用离散元对 岩体结构面网络进行了应力场一渗流场的耦合计算，得出了稳定渗流条件下裂隙 水的运动要素，并将计算结果与实测结果进行了对比分析，两者吻合较好，说明 建立的岩体结构面二维网络模型能较真实地反映地质体特征，可用来进行裂隙水 流的离散元分析。 关键词：裂隙水；地质结构；水文地质结构；结构面网络；m o n t ec a r l o 模拟； 离散元法； a bs t r a c t a si m p o r t a n tr e s o u r c e ，e c o l o g i c a le n v i r o n m e n tf a c t o r ，h a z a r df a c t o r ，g e o l o g i c a l a g e n ta n di n f o r m a t i o nc a r r i e r ， f r a c t u r ew a t e rh a sas i g n i f i c a n te f f e c to np e o p l e s l i v i n ga n dp r o d u c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e s o c i a le c o n o m y ，t h es c a l e so f g e o l o g i c a le n g i n e e r i n ga r ei n c r e a s i n g l ye n l a r g i n ga n d i tb e c o m em o r ea p p a r e n tt h a t a sh a z a r df a c t o rf r a c t u r ew a t e ra r et h r e a t e n i n gal a r g en u m b e ro f r o c ks l o p e s ，r o c k e x c a v a t i o n sa n du n d e r g r o u n dc a v e r n s h e n c e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yo nt h es e e p a g e o ff r a c t u r ew a t e r b yf a rt h e r ei sn os o p h i s t i c a t e dt h e o r ya n dm e t h o d o l o g yt os i m u l a t e a n dc a l c u l a t es e e p a g ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s c h a r g e t h es t u d yo nf r a c t u r ew a t e r1 s s t i l lo ne x p l o r a t i o ns t a g e b a s e do nt h eb u i l d i n gp i ti nq u a n z h o n gg a r d e ni ny a n g q u a n ，s h a n x ip r o v i n c e ， t h et h e s i ss t u d i e st h eg r o u n d w a t e rr e c h a r g e ，d i s c h a r g ea n ds e e p a g ec h a r a c t e r i s t i c s o ff r a c t u r ew a t e r i n i t i a l l y ，b a s e do nt h eg e o l o g i c a ls u r v e ya n di n t e g r a t e da n a l y s i s ， ag e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dh y d r o g e o l o g i c a ls t r u c t u r e a r es u m m a r i z e d m a i n l y s u p p l i e db yi n f i l t r a t i o no fa t m o s p h e r i cp r e c i p i t a t i o na n d d i s t a n ts o u r c e ，t h ep i ti sa o u t l e to fam u l t i l e v e lf l o ws y s t e m a f t e r w a r d ，e x p o s e dd i s c o n t i n u i t i e si nr e s e a r c h a r e aa r es a m p l e d b yd i f f e r e n tm e a n s ，d i s c o n t i n u i t i e ss a m p l e sa r eg r o u p e da n d d o m i n a n to r i e n t a t i o n sa r ee s t a b l i s h e d t h eg r o u p i n gr e s u l t sa r ec o m p a r e da n dt h e t y p e so fp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o na n de i g e n v a l u e sa r ec o n f i r m e db ys t a t i s t i c s ，a n d p r o b a b i l i t ym o d e l so fd i s c o n t i n u i t i e sa r ee s t a b l i s h e d o nt h e b a s i so fp r o b a b i l i t y m o d e l s ，d i s t i n c te l e m e n tc o d ei su e s dt os i m u l a t et h e2 - - d i m e n s i o n a la n d3 一 d i m e n s i o n a ln e t w o r k so fd i s c o n t i n u i t i e sb ym e a n so fm o n t e c a r l o s t o c h a s t i c s i m u l a t i o n f i n a l l y ，t h em a t e r i a lp r o p e r t i e sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ec o n f i r m e d t h ec o u p l i n go fs e e p a g ef i e l d sa n ds t r e s sf i e l d si n2 - - d i m e n s i o n a ln e t w o r k s o f d i s c o n t i n u i t i e si nr o c k m a s si sc a l c u l a t e db yu d e c k i n e m a t i cp a r a m e t e r si ns t e a d y s e e p a g ea r eo b t a i n e d c o m p a r e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw i t ht h er e a l i s t i cs e e p a g e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e ya l m o s tc o i n c i d e i ts h o w st h a tt h ee s t a b l i s h e d2 - - d i m e n s i o n a l n e t w o r k so fd i s c o n t i n u i t i e sc a nf e a t u r et h et r u eg e o l o g i cb o d ya n db ea n a l y s e df o r f r a c t u r ew a t e rb yd i s t i n c te l e m e n tm e t h o d k e yw o r d s ：f r a c t u r ew a t e r ；g e o l o g i c a ls t r u c t u r e ；h y d r o g e o l o g i c a ls t r u c t u r e ；n e t w o r k s o fd i s c o n t i n u i t i e s ；m o n t e c a r l os i m u l a t i o n ；d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：1 遮薪今日期：砷年 月习日 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，同意学 校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。本人授权长沙理工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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：e t 期：砂7 埠乡月 | e l 导师签名：袭参良 日期：如f 。年r 月二8e t 1 1 课题研究的背景 第一章绪言 工程岩体裂隙水，即赋存并运移于岩体贯通裂隙网络中的地下水，查明其赋 存状态、运动规律及其排泄量是一个研究难度大且亟待解决的课题。目前，国内 外尚未建立一套完整、成熟的科学理论和方法。对于该领域的研究大多仍处于探 索阶段。 随着社会经济的飞速发展，地质工程的规模不断扩大，裂隙水作为灾害因子 这一问题日益突出。裂隙水对工程岩体的作用主要表现为静水压力、动水压力、 对赋存介质、结构面强度的弱化、溶蚀及集水结构造成破坏引发的各种不利效应 等，这些作用在评价工程岩体稳定性时必须考虑。实践证明，岩体工程中诸如岩 质边坡、裂隙化基岩深基坑侧壁及地下洞室的稳定性均与基岩裂隙水的作用密切 相关，由裂隙水的不良作用引起的滑坡、基坑岩壁的坍塌、地下洞室的坍塌以及 矿坑突发涌水造成的工程事故屡见不鲜，对人民生命财产的安全和国民经济的发 展构成了极大威胁。因此，查明岩体结构特征及其中的裂隙水的赋存、运移、富 集及其排泄规律对工程岩体的稳定性评价至关重要，建立该课题进行探索具有重 要的理论价值及工程意义。 1 2 岩体裂隙水的研究进展 国内外学者对工程岩体裂隙水的研究可以概括为以下几个方面：结构面几何 特征及充填特征、裂隙水运动规律、裂隙水运动计算模型、地下水数值模拟、岩 体渗透性参数确定和工程岩体排降水量的计算【l i 。 1 2 1 结构面几何特征及充填特征研究进展 岩体结构面是地下水赋存和运移的场所，研究结构面的几何特征对于研究裂 隙水的运动规律具有重要意义。结构面的几何特征是指结构面的产状、形态、规 模、密度、隙宽、粗糙度和连通性等【l 】。结构面的几何特征和充填特征，直接影 响裂隙介质的渗透性、连通性和裂隙水运动规律。 对结构面几何参数的统计研究。2 0 世纪8 0 年代以前主要是采用构造地质学 中的一些方法，通过结构面产状要素的野外量测编制裂隙玫瑰图、裂隙极点图和 裂隙等密度图，较形象、准确地反映构造形迹组合规律及各向异性，对裂隙进行 分组进而确定裂隙的优势产状。2 0 世纪8 0 年代开始，随着计算机技术的飞速发 展，h u d s o n 等( 19 8 3 ) 、p r i e s t 等( 19 8 3 ) 、p r i e s t 和h u d s o n ( 19 8 1 ) 、潘别桐( 1 9 8 4 ， 1 9 8 5 ，1 9 8 7 ，1 9 8 9 ) 采用了结构面的网络模拟技术研究结构面参数的概率分布。 基于m o n t ec a r l o 模拟得到等效的结构面网络，给出直观形象的裂隙体系图像， 并可近似地求得结构面密度、r q d 、渗透系数张量、裂隙连通性等参数【1 1 。 m g r e n o n 和j h a d j i g e o r g i o u ( 2 0 0 3 ) 利用结构面网络模拟技术进行了巷道加固 设计【扪。贾洪彪和马淑芝( 2 0 0 2 ) 介绍了岩体结构面三维网络模拟理论及其在岩 体工程性质评价、可动块体的搜索、结构面连通性和岩体渗透性方面的应用 3 1 。 于青春、薛果夫和陈德基( 2 0 0 7 ) 在前人工作的基础上，给出了有限延展裂隙在 任意形状非均质工程岩体条件下岩石块体识别的通用算法，并以此为基础开发了 可生成三维裂隙网络的计算机程序g e n e r a l b l o c k i 4 1 。贾洪彪等( 2 0 0 8 ) 出版了岩 体结构面三维网络模拟理论与工程应用一书，在吸纳多方面研究成果的基础上， 书中全面阐述了结构面三维网络模拟的基本原理、方法和工程应用，重点介绍了 作者在该领域的最新研究成果1 5 1 。 传统的统计方法和结构面网络模拟技术，从宏观上较形象、完整地描述了岩 体中裂隙结构面的空间展布规律，并定量地给出了岩体有关渗透性的参数，但这 种定量仅仅是一种近似。因为岩体的透水性参数，不仅与结构面宏观展布几何参 数有关，而且与结构面微观几何尺寸( 结构面的粗糙度、开度、充填情况等) 密 切相关。结构面是粗糙起伏凹凸不平的，形态各异千变万化，难以用简单数学关 系准确表达。为此t u r k 和d e a r m a n ( 1 9 8 5 ) 、t e s 和c r u d e n ( 1 9 7 9 ) 采用数值方 法研究结构面粗糙度；x b y u 和b v a y s s a d e ( 1 9 9 1 ) 研究发现，数值方法虽可 以得出高精度，但极易引入极大误差，与采样步长极为敏感。为了减小由于采样 步长而引起的误差，陈枫和孙宗颀( 1 9 9 8 ) 提出了岩体不连续间距数学模型的一 个修正系数公式。自2 0 世纪8 0 年代末，9 0 年代初开始人们应用b b m a n d e l b r o t 创立的分形几何学这一新理论及其思维方法，对岩体结构面的几何特征，包括规 模、隙宽、密度和粗糙度进行分形分析。分形几何在地质上最早用于断裂系分形 的研究( b a r t o n 等，1 9 8 5 ；t h i r a t a ，1 9 8 7 ；刘松玉，1 9 9 2 ；李清明，1 9 9 2 ) 。目 前国内外研究大体上归纳为：c a n t o r 点集法、条带法和概率分布法三种。近些年 来，c a r r 等( 19 8 7 ) 、l e e 等( 19 9 0 ) 、王建锋( 1 9 9 1 ) 、x x u 等( 19 9 1 ) 、谢和 平等( 1 9 9 4 ) 、周创兵和熊文林( 1 9 9 6 ) 运用分形几何研究结构面粗糙程度特征， 得到了结构面粗糙度与分维d 的关系式。但各学者所得的分维d 都不尽相同， 究其原因，是与所取尺码大小有关。事实上，只有当所取尺码小于某一临界尺码， 分维值才趋于真值。h p x i e 和g p a r i s e a u ( 1 9 9 2 ) 则克服了上述不足，从统计平 均角度发现，岩体结构面粗糙度与k o c h 雪花曲线相似，基于k o c h 雪花曲线， 回归分析得出了结构面粗糙度与分维关系式。吴继敏等( 19 9 7 ) 以巴顿提出的十 条典型粗糙剖面模型为基础，从立体学和形态数学的角度出发，讨论了巴顿模型 2 的线粗糙度和面粗糙度特征及其分维数特征。e h a m d i ( 2 0 0 6 ) 对模拟的岩体结 构面网络进行了分维描述1 1 】【6 i 。 总体上来说对岩体裂隙结构面的统计模拟研究，尚处于理论探索阶段，虽然 取得了一些成果，但是用于工程实践尚有很大距离，许多问题有待进一步探讨。 1 2 2 裂隙水运动规律研究进展 苏联学者5 i o m n a e 早在1 9 5 1 年就开始了单个裂隙水流运动的试验研究，得到 了单裂隙水流运动的立方定律。l o u i s ( 1 9 6 9 ) 的试验表明立方定律对于岩石节 理中的层流计算很有效。w i t h e r s p o o n ( 1 9 8 0 ) 等人对张开和闭合节理都进行了 试验。他们指出，在使用实际力学隙宽的条件下，立方定律对后者仍然有效，由 于粗糙度和曲折性的影响，他们将试验中的裂隙传导系数除以一个系数 ( 1 0 4 1 6 5 之间) 。巴顿( 19 8 5 ) 等人提出了一个计算水力隙宽( 立方定律所用) 的经验公式，是一个关于力学隙宽和节理粗糙系数( j r c ) 的函数。t s a n g ( 1 9 8 7 ) 认为由于张开度的变化及岩桥的存在，裂隙渗流出现沟槽流( c h a n n e l i n g ) 现象， 立方定律不成立。g e n t i r ( 1 9 9 3 ) 在试验的基础上发现裂隙面仅有一小部分是导 水的，特别是在荷载作用下，出现沟槽流现象更趋明显。e n g e l d e r 和s c h o l z 、r a v e n 和g a l e 等的试验也表明，立方定律仅近似地描述两侧壁光滑平直，张开度较大 且无充填物的渗流规律。为了考虑裂隙粗糙度、张开度变化等因素对渗流的影响， 一些学者引用了等效水力传导开度的概念，对立方定律进行了修正，周创兵和熊 文林( 1 9 9 6 ) 提出了广义的立方定律。c l o u i s ( 1 9 7 4 ) 指出，把裂隙岩体当作 连续介质还是不连续介质应小心地进行分析。w i l s o r 和w i t h e s p o o n ( 1 9 7 0 ) 把裂 隙岩体分别当作连续介质和不连续介质进行计算比较后指出，最大裂隙间距与建 筑物最小边界尺寸之比大于1 5 0 时，应按不连续介质考虑。m a i n i ( 1 9 7 2 ) 指出， 应把上述的最大裂隙间距改为平均裂隙间距，其相应的比值大于1 2 0 时，应按 不连续介质考虑。尺寸问题就其实质是个“典型单元体”( r e v ) 体积问题， w i t h e s p o o n 认为三维裂隙网络连通性好，其r e v 值比二维的小。周志芳( 19 9 1 ) 认为r e v 的绝对大小与岩体中裂隙发育程度、分布规律有关；相对大小则与研 究问题流场的区域范围有关，当研究的流场区域体积大于r e v 体积时，就可以 把研究区域近似成连续的渗流场处理。向文飞和周创兵( 2 0 0 5 ) 对r e v 做了概 括性的总结研究，通过对r e v 定义的讨论，分析了r e v 的一般力学意义，认为 r e v 是蕴含着“离散与连续 、“微观与宏观 、“随机性与确定性 辩证关系的 基本力学概念。阐述了裂隙岩体r e v 与岩体力学模型的选取、力学参数取值的 密切关系，指出了裂隙岩体r e v 是选择岩体力学模型的定量标准，集中反应岩 体力学性质的尺寸效应。 1 2 3 裂隙水运动计算模型研究进展 在岩体地下水运动模型的概化上，目前大多采用非均质各向异性的等效连续 介质模型，如杜延龄和许国安( 1 9 9 1 ) 、周志芳和钱孝星( 1 9 9 2 ，1 9 9 3 ) 等。这 样有利于用数值法直接求解地下水运动的偏微分方程。对于介质性质不满足连续 介质假定要求的岩体，毛昶旭( 1 9 9 1 ) 提出了基于水量平衡原理求解裂隙网络的 非连续介质模型及其求解方法。王恩志( 1 9 9 3 ) 按非连续介质方法建立了裂隙网 络渗流离散模型，采用了全区域不同网络分析法，化非线性分析为线性分析，成 功解决了岩体剖面上有自由面裂隙网络渗流计算问题。在国外，s m i t h 和s c h w a r t z ( 1 9 8 0 ) 、l o n g ( 1 9 8 3 ) 、s c h w a r t z 等( 1 9 8 3 ) 、r o b i n s o n 、a n d e r s o n 和d v e r s t o r p ( 1 9 8 7 ) 、l o n g 和b i l l a u x ( 1 9 8 7 ) 、d e r s h o w i t z 和e i n s t e i n ( 1 9 8 8 ) 致力于离散 网络试验和相应网络研究。l i n 和f a i h u r s t ( 1 9 9 1 ) 以此为基础采用拓扑理论描 述裂隙岩体的网络特征。莫海鸿和林德璋( 1 9 9 7 ) 则提出了两个基于代数拓扑理 论的裂隙网络中流体分布的离散性模型及其相应解法。张幼宽( 1 9 8 4 ) 、薛禹群 和张幼宽( 1 9 8 4 ) 提出了裂隙一岩溶双重介质渗流模型及其有限元求解方法，成 功地进行了裂隙岩溶介质中矿坑涌水量的预报。周志芳等( 1 9 9 6 ) 考虑到实际岩 体裂隙结构面的分级性，提出了混合网络有限单元方法。陈崇希( 1 9 9 5 ) 、成建 海和陈崇希( 1 9 9 8 ) 从水动力学角度分析各种岩溶含水介质中的水流特征，将其 归纳为储水介质、导水介质和控水介质，并根据折算渗透系数的概念，建立了耦 合d a r e y 流和非d a r c y 流于一体的岩溶管道一裂隙一孔隙三重介质地下水模型。 数值计算表明三重介质地下水模型较全面地刻画了岩溶水动态的特征，反应了相 对均匀裂隙流与控制性管道流并存，线性流和非线性流相互转变的复杂地下水运 动特点。柴军瑞和忤彦卿( 2 0 0 0 ) 将岩体中的各种裂隙和孔隙按规模和渗透性分 为4 级处理，即一级真实裂隙网络、二级随机裂隙网络、三级等效连续介质体系 和四级连续介质体系。各级裂隙( 孔隙) 都形成各自的裂隙网络，并以水量平衡 原理为基础建立各级裂隙网络之间的联系，组合形成岩体多重裂隙网络渗流模 型，从而较全面地反映了地下水在岩体中的运动规律，并进行了工程实例分析。 另外，基于水工建筑物地区岩体渗流场的分析，最终都是用于岩体及建筑物基础 稳定性分析。由于建筑物的修建，改变了原有岩体中应力场的分布。应力场分布 的变化必然引起岩体中裂隙几何参数的改变，从而导致岩体裂隙透水性发生相应 变化。于此同时，由于水库的蓄水，改变了岩体原有的水文地质环境，岩体中的 裂隙水头由于边界条件的变化，而发生相应的变化，导致岩体应力场也发生相应 的变化。为此，许多学者都致力于渗流场与应力场耦合模型的研究计算。杨延毅 和周维垣( 1 9 9 1 ) 提出了一种渗流一损伤耦合分析模型，阐述了渗流对裂隙岩体 的力学作用和岩体的应力状态对裂隙渗透性的影响，根据不同应力状态下的损伤 断裂扩散方程建立起渗透张量的演化方程。王嫒等( 1 9 9 8 ) 给出了等效连续裂隙 岩体渗流与全耦合分析计算方法。柴军瑞等( 2 0 0 3 ) 考虑到岩体中裂隙水流对裂 4 隙壁同时具有法向的渗透静水压力作用和切向的拖曳力( 渗透动水压力) 作用， 提出在单一光滑平直裂隙、充填裂隙、水流和充填物一起流动三种情况下裂隙壁 所受的渗透静水压力作用和拖曳力公式，并采用算例定量分析裂隙水流对裂隙壁 的这种双重力学效应。结果表明，裂隙水流的渗透静水压力和切向拖曳力作用都 会使岩体各应力分量增大，并指出计算岩体应力时应考虑裂隙水流的双重力学效 应【1 1 。 1 2 4 裂隙水数值模拟研究进展 目前，解决地下水问题的数值方法有多种，但最通用的还是有限差分法 ( f d m ) 和有限元法( f e m ) ，此外还有特征线法( m o c ) 、积分有限差分法 ( i f d m ) 、边界元法( b e m ) 等。但只有有限差分法和有限元法能处理计算地 下水文学中的各类一般问题( y e h ，1 9 9 9 ) 1 7 1 。数值方法在应用过程中不断发展， 每一种数值计算方法本身在解决具体问题过程中也不断地被发展和完善。例如， 从有限单元法中派生出随机有限元法、混合有限元法、特征有限元法等等。数值 分析在方法在解决岩体地下水具体问题( 如自由面问题、排水孔处理问题、反问 题等) 上也得到了不断深入，应用形式多样化【1 1 。 朱学愚等( 19 8 3 ) 采用有限单元法成功计算了湖南斗笠山煤矿裂隙岩溶水涌 水量；薛禹群和张幼宽( 1 9 8 4 ) 提出了岩体双重介质渗流模型，采用有限元法预 测矿坑的涌水量；谢春红和朱学愚( 1 9 8 8 ) ，钱孝星和蔡升华( 1 9 8 9 ) 也用有限 元法有效地解决了裂隙岩溶水资源计算和水库渗漏量计算问题；毕焕军( 2 0 0 0 ) 采用变分有限元法计算了交通隧道涌水量问题；王建秀等( 2 0 0 2 ，2 0 0 4 ) 采用数 值模拟和解析法相结合的方法，探讨了深埋隧洞的外水压力和涌水量问题。何杨 等( 2 0 0 7 ) 运用有限元法分析主干岩体裂隙网络渗流；何杨( 2 0 0 7 ) 运用双场迭 代法( 渗流场采用离散裂隙网络法，应力场数值分析采用有限元法) 进行了裂隙 岩体非稳定渗流场与应力场耦合分析【8 1 。 1 2 5 岩体渗透性参数确定研究进展 岩体渗透参数( 岩体渗透系数张量、结构面当量渗透系数、结构面渗透系数 等) 是研究岩体地下水运动问题的非常重要的参数。关于岩体渗透系数张量的确 定方法，国内外许多学者做了大量工作，现归纳起来可分为四种：第一类是裂隙 样本法，s n o w ( 19 6 9 ) 以单裂隙中地下水运动的立方定律为基础，考虑了岩体 结构面的倾向、倾角、隙宽、隙间距等几何要素，提出了渗透系数张量的概念和 运用裂隙结构面几何要素的测量值计算岩体渗透系数张量的方法。第二类是抽水 试验方法，p a p a d a p u l o s ( 1 9 6 6 ) 首次提出了岩体渗透系数张量的抽水试验方法， h a n t u s h ( 1 9 6 6 ) 、w a y ( 1 9 8 2 ) 、n e u m a n ( 1 9 7 5 、1 9 8 4 ) 、周志芳( 1 9 9 8 ) 等人的 研究使确定裂隙岩体渗透系数张量的井流理论有了进一步发展。第三类是压水试 验的方法，s n o w ( 1 9 6 6 ) 首次提出了确定裂隙渗透系数张量的压水试验方法， 之后由r o c h a ( 1 9 7 8 ) 、l o u i s ( 1 9 7 0 、1 9 7 4 ) 、h s i c h ( 1 9 8 5 ) 等的研究，开发了 校正系数法、现场三段压水试验法、现场交叉孔压水试验法等。第四类是数值反 演的方法。四类方法各有优缺点，适合于不同的水文地质条件和实际工程情况。 第一类方法是基于统计学方法，依据岩体裂隙结构面的几何测量值，用统计学方 法计算岩体的渗透系数张量。该方法虽然简单、实用，但由于野外地质体中裂隙 结构面的几何参数很难或者根本无法精确测量，近似的裂隙结构面几何参数测量 值必然带来相对粗糙的计算结果。第二类方法基于解析解方法，通过野外抽水试 验资料确定岩体渗透系数张量。p a p a d a p u l o s ( 1 9 6 6 ) 、h a n t u s h ( 1 9 6 6 ) 、n e u m a n ( 19 7 5 、19 8 4 ) 提出的抽水试验方法仅适合于沿坐标径向的各向异性问题。w a y ( 1 9 8 2 ) 、周志芳( 1 9 9 8 ) 提出了当渗透系数主轴之一为垂直方向，其余两个渗 透系数主轴为任意水平向时，确定岩体渗透系数张量的抽水试验方法。基于解析 法的各种抽水试验方法虽然数学推导理论严密，但对水文地质条件的要求均较苛 刻，含水层岩体必须是均质的。对于非均质各向异性的岩体，一般只能采用第三 类或第四类方法。第三类压水试验的方法，现场试验理论上讲可以在任意地段实 施，成果较为客观、可信，确定的岩体渗透系数也相对较准确。但此方法往往受 野外工作场地的限制，实际试验中耗资大，为一般工程难以承受，只能是一些大 型工程、典型地段做个别试验；并且要求岩体透水的几组裂隙相互正交或近似正 交，否则成果存在较大的无法估计的误差。第四类数值反演的方法，它反应的是 在给定初值和边值的条件下，通过已有实测地下水动态信息拟合而获得的参数。 它虽不全等于实际岩体渗透系数参数，但反应了整个研究区岩体水力学特征。该 方法的关键是动态数据的可靠性、模型选择的合理性及反问题解的唯一性。为了 能求得不同非均质的参数和提高求解精度，要求在研究区域有较多数量的观测 孔，且分布合理，有长期水位观测资料。裂隙岩体渗透系数张量的确定是岩体地 下水运动问题研究的难题，结合实际工程确定裂隙岩体渗透系数张量，其理论和 技术问题还有待进一步研究【1 1 。 1 2 6 工程岩体排降水水量的计算 由于裂隙基岩中的地下水相互联系较差，分布与流动往往不均匀，工程岩体 中排降水的水量( 涌水量) 较难预测。目前，用于涌水量预测的方法很多，涌水 量预测大体上可以分为确定性分析方法和不确定性( 随机) 分析方法两类。确定 性分析包括：解析法、模拟法、数值法；非确定性分析法包括：水文地质比拟、 相关分析、模糊数学模型、灰色系统、b p 神经网络和时间序列分析等【9 j 。2 0 0 1 年张文泉等以南屯矿为对象，运用模糊数学理论对矿井顶板水作了等级预测，输 出等级为三级，与实际情况一致。19 9 9 年李长青等应用灰色系统理论对韩王矿 1 9 8 6 - 19 9 6 年的矿井最大涌水量资料建立g m ( 1 ，1 ) 模型，对19 9 7 - - 2 0 0 1 6 该矿的最大涌水量进行了预测。1 9 9 9 年邢爱国等对韩城矿区桑树坪煤矿1 9 9 0 - - 1 9 9 7 年的矿井涌水量，建立了经过二阶残差校正的g m ( 1 ，1 ) 模型，最后对 该矿19 9 8 - - 2 0 0 1 年的矿井涌水量进行了预测。2 0 0 4 年肖有才等以平八矿为例， 研究了灰色理论在预测深埋型矿井涌水量中的应用。2 0 0 7 年李树文等研究了描 述矿井涌水系统的灰色数值模型，提出了求解这类模型的一整套灰色数值算法， 论证了灰色数值算法对灰色信息传递的正确性和模拟结果的合理性。李建峰基于 灰色理论，结合具体算例建立了某边坡工程降雨量的g m ( 1 ，1 ) 预测模型，并对 g m ( 1 ，1 ) 模型的计算结果和精度进行了分析，引用灰色区间预测法对g m ( 1 ， 1 ) 模型计算结果进行了修正，得出了某边坡工程降雨量的预测值。1 9 9 8 年赵向 军等以南桐煤矿为例，应用人工神经网络理论，提出了矿井涌水量预测的新方法。 结果表明，该方法进行矿井涌水量预测，精度高、自适应强；在数据不十分充足 的情况下，效果尤其好于常用的自回归模型。2 0 0 4 年王金国运用m a t l a b 神经 网络工具箱，对涌水量预测实现了基于时序的神经网络动态预测方法。通过采用 快速的l m 算法，提高神经网络训练的速度与精度，实现煤矿安全监测数据 的连续预测与提前预警，以相对简单的途径实现了神经网络这种复杂而有效的非 线性预测方法。2 0 0 7 年凌成鹏用非线形的b p 神经网络建立了徐州韩桥煤矿涌水 量短期预测模型，涌水量预测值与实测值吻合得较好。1 9 9 1 年毛善君等运用“时 域分析 方法对大同矿务局某矿的月平均日涌水量数据建立了疏系数自回归模型 ( 季节性乘积模型) ，在涌水量最大的7 月预测相对误差最大( 1 3 6 5 ) ，其余 的预测结果相对误差都小于1 0 ，精度满足生产矿井的实际需求。“频域分析 方法可用来研究涌水量时间序列的周期性，从而判断其影响因素，还可用来研究 序列对其影响因素的滞后性，如涌水量对降雨量的滞后时间等。19 9 5 年杨永国 等对四川南桐矿区降雨量与矿井涌水量序列进行了频谱分析，揭示了各序列的周 期特征和两序列之间的补给关系【l 】。2 0 0 9 年，徐子东等对青云山隧道采用降雨 入渗法、解析法、氚同位素法预测断层带的涌水量，并将计算结果进行对比，认 为氚同位素法从理论上比其他两种方法适合火山岩地区断层带的涌水量计算 d o l 。 1 3 本文研究的目的和意义 随着社会经济的发展，裂隙水作为灾害因子这一问题日益突出。实践证明， 岩土工程中诸如岩质边坡、裂隙化基岩深基坑侧壁及地下洞室的稳定性均与基岩 体裂隙水的作用密切相关，由裂隙水的不良作用引起的滑坡、基坑岩壁的坍塌、 地下洞室的坍塌以及矿坑突发涌水造成的工程事故屡见不鲜，对人民生命财产的 安全和国民经济的发展构成了极大威胁。因此，查明岩体结构特征及其中的裂隙 水的运移、富集及其排泄规律对工程岩体的稳定性评价至关重要，建立该课题进 行探索具有重要的理论价值及工程意义。 本文基于山西省阳泉市泉中花园三期工程，通过对研究区域进行详细的工程 地质和水文地质测绘调查，获取了研究区域翔实的工程地质和水文地质资料，基 于对这些资料的综合分析，准确建立了研究区域的地质结构和水文地质结构，为 数值模拟提供了可靠的模型依据。在此基础上，通过结构面统计分析，建立了符 合实际的结构面网络模型，为分析裂隙水的运移、富集和排泄规律打下了坚实的 基础；通过对地质构造规律和水文地质结构的分析确定了模型的边界条件；通过 对结构面连通性和充填特征分析，确定了至关重要的渗透参数；通过现场介质入 渗试验和抽水试验获得了研究介质的补排参数。基于上述分析和试验，所建模型 合理、数值模拟结果接近实际。说明研究思路正确，达到了预期效果。本次课题 的创新点是采用“非连续介质模型 较成功解决了岩体渗流问题。目前，在岩体 地下水运动模型的概化上，大多采用非均质各向异性的等效连续介质模型，该课 题采用非连续介质模型，运用离散元软件进行数值计算，验证非连续介质模型在 解决裂隙水问题的适用性。岩体结构面网络模拟技术和非连续介质方法的成功结 合将为裂隙水问题的研究提供新的技术方法，推动裂隙水问题的研究发展。 1 4 课题研究思路与方法 1 4 1 岩体结构面网络模拟 岩体结构面网络模拟是利用概率论和统计学原理，采用m o n t ec a r l o 随机模拟 技术，根据结构面样本分布规律模拟岩体内结构面网络数值模型的一种新型技 术。岩体是由岩块及分割岩块的结构面( 又称不连续面) 组成的地质体，其中结 构面的发育、分布规律，即构成地下水的运移、排泄通道及其富集空间的规律， 查明此种规律将为探索地下水的运动规律打下必须的几何通道与富水特征的基 础。课题基于实际工程，通过对工程岩体中结构面的调查测量，对所收集数据进 行数理统计分析，确立优势结构面组及其几何特征、力学特征及其充填特征，确 立结构面参数分布的概率模型，在此基础上建立岩体结构面二维和三维网络模 型，为裂隙渗流提供运移通道。 1 4 2 岩体裂隙水渗流场特征的数值模拟 地下水流问题通常有三种解法：( 1 ) 解析法；( 2 ) 数值法；( 3 ) 模拟法。 数值模拟是求解裂隙介质地下水运动问题的有效方法之一，特别是对于复杂 条件下的地下水运动问题。在对比多种数值算法的优缺点后，本课题研究选用离 散元法，因为该方法对非连续介质有很好的适用性，可以求得单裂隙的渗流特征， 而这种优点是有限元法等其它数值方法所不具备的。 首先通过室内外试验，确定数值计算所需要的参数；其次，通过现场调查和 8 观测，确定研究区域的水文边界条件；最后对1 4 1 部分所建立的岩体结构面网络 模型进行数值计算，获取渗流场特征，如渗透速度、水头分布等。 1 4 3 工程岩体开挖面的渗流量预测 裂隙基岩中的地下水相互联系较差，分布与流动往往不均匀，工程岩体中排 降水的水量( 涌水量) 较难预测。目前，用于涌水量预测的方法很多，涌水量预 测大体上可以分为确定性分析方法和不确定性( 随机) 分析方法两类。确定性分 析包括：解析法、模拟法、数值法、水均衡法；非确定性分析法包括：水文地质 比拟、相关分析、模糊数学模型、灰色系统、b p 神经网络和时间序列分析等。 在课题研究采用离散元法对渗流特征进行求解的同时，也将获得开挖面裂隙 的渗流量，以此对基坑的涌水量进行预测。 9 2 1 工程背景 第二章工程概况 本课题以山西省阳泉市泉中花园拟建高层建筑物基坑开挖为背景，建立场地 地质模型和水文地质模型，为后续基岩裂隙水的诸方面模拟验证提供了依据。基 坑的位置见图2 1 。 。垂 步 图2 】依托工程位置图( 比例尺i ：1 0 0 0 ) 依托工程场地西侧临泉中路，系拆除既有建筑而成。后倚陡缓非均质的边垃， 坡高约2 5 r n ，水平投影长度约3 2 m ，其上自北向南随坡就势分阶建有住宅楼、民 簟 玖舔 宅等。场地内工程地质和水文地质条件比较复杂。 场地区域泉中路沿沟谷而建，其东北部李家庄地域为沟谷分水岭，向南以 1 0 。1 5 。坡降直抵桃河并入市区主要市政交通干线。拟开挖基坑位于泉中路东 侧，近东西向展布。基坑长2 8 2 m ，宽1 7 1 m 。因临坡而建，基坑西侧深约5 m ， 东侧深约1 8 m ，南北侧基坑随坡就势，东深西浅。 场地历经多次构造运动，伴随其形成的构造形迹种类多，空间组合关系复杂。 在此地质背景下，基坑北、东、南三面岩体的岩体结构、水文地质结构和地下水 赋存介质的几何、力学特征十分复杂。为本课题的研究提供了十分理想的场地条 件。 2 2 工程地质条件 2 2 1 场地地形、地貌 场地位于阳泉市泉中路东侧、n e e s w w 走向的山脊西麓坡脚区域，东侧边 坡垂高约2 5 m ，总体坡角近4 0 。坡顶较平缓，坡面植被稀疏，表层岩石强烈 风化，残坡积物随坡就势堆积，厚度不一，属低山丘陵风化剥蚀地貌。地势北高 南低，东高西低，通过基建削坡开挖后场地较为平坦。 2 2 2 地层岩性 据工程地质勘察结果，场地范围出露地层一老一新。老地层为上石炭系 泥、砂质、碳酸盐岩互层的巨厚层沉积，新地层为第四系残坡积物堆积。地层由 新至老简述如下： ( 1 ) 第四系( q 4 ) 地层 杂填土( q 4 m 1 ) ：黄褐灰黑色，主要成份为砂、泥岩碎块和粘土，松散，残 坡积，厚度为0 5 5 m 左右。 ( 2 ) 石炭系( c 3 ) 地层 砂岩( 中风化) ：灰白色，中风化，主要矿物成份为石英、长石、云母等， 厚层状，细粗粒结构。其工程地质特征主要为：泥质或钙质胶结，饱和单轴抗 压强度3 0 - - 4 0 m p a ，属较坚硬岩；层厚为2 m 左右。 泥岩( 中风化) ：灰黑黑色，主要矿物成份为泥质，泥质结构，厚层状，其 工程地质特征主要为：a 抗风化、抗水浸能力差，各类结构面发育，风化速度快， 风化后多呈1 2 c m 的碎块，遇水软化崩解成泥状，失水收缩呈碎裂状；b 强度低； 层厚为3 - - 4 8 m ：c 与砂岩互层时，多构成隔水层。 砂岩( 中风化) ：灰白色，主要矿物成分为长石和石英，中粒结构，厚层状， 局部夹泥岩薄层，层厚为o 6 1 5 m 。 泥岩( 微风化) ：灰白灰黑色，主要成分为泥质，泥质结构，厚层状，局部 夹薄层砂岩，层厚为5 6 1 3 7 m 。 砂岩( 微风化) ：灰白，主要矿物成分为长石、石英和云母，中粗粒结构， 厚层状，钙质或硅质胶结，层厚为9 3 1 7 7 m 。 泥岩( 微风化) ：黑色，主要成分为泥质，厚层状，裂隙发育中等，岩石新 鲜，耐风化，层厚为3 4 - 4 4 m 。 石灰岩：深灰色，主要矿物成分为方解石，隐晶质结构，厚层状，岩芯较完 整，性脆，强度高，层厚为3 9 - - 4 3 m 。 泥岩( 微风化) ：灰黑色，主要成分为泥质，厚层状，质地均匀，岩芯完整， 层厚为0 7 1 4 m 。 石灰岩：深灰色，主要成分为方解石，隐晶质结构，具贝壳化石，厚层状， 岩石致密，性脆，强度高，微裂隙不发育，中部夹薄层泥岩，层厚为6 9 8 3 m 。 泥岩：灰黑色，主要成分为泥质和炭质，泥质结构，厚层状，岩芯较完整， 层厚为9 2 1 3 7 m 。 煤：黑色，煤质新鲜，岩芯完整，层厚为3 7 5 5 m 。 泥岩：灰黑色，主要成分为泥质，质