岩体中地下水渗流模拟的主要方法及其适用性

1．岩体中地下水渗流模拟的主要方法，并评述其适用性水流是由渗透介质空间的结构特征来描述的，表征这种特性的概念模型，是建立岩体渗流数学模型的基础。目前岩体渗流模型正是沿对渗流介质认识、概化的基础上向前发展的，可分为三类：1裂隙－孔隙双重介质模型裂隙－孔隙双重介质模型是建立在双重孔隙度介质这一概念的基础上的，是将裂隙岩体视为由贮水性差而导水性好的裂隙系统和贮水能力强而导水性弱的岩石孔隙系统共同构成的连续介质体，并且考虑了两类系统之间的水交替过程。2．裂隙网络系统渗流模型(FlowModelinFracturedNetworkSystem)。把岩体看成是由单一的按几何形态有规律分布的裂隙介质组成，岩体中的岩块渗透性极弱，可忽略不计。用裂隙水力学参数和几何参数(如裂隙产状、裂隙间距和隙宽等)来表征裂隙岩体内渗透空间结构的具体布局，所以在这类模型中，裂隙的大小、形状和位置都在考虑之列。这类岩体渗流模型称为岩体裂隙网络系统渗流模型(FlowModelinFracturedNetworkSystem)。3．等效连续介质模型：则是将裂隙中的水流等效平均到整个岩体中，将裂隙岩体模拟为具有对称渗透张量的各向异性连续体，然后利用经典的连续介质渗流理论进行分析、求解。利用可在现场测量的裂隙水力参数(或几何参数)，如裂隙的方位、密度、张开度等来表征岩体内渗透空间的渗流特性或渗流空间结构的具体格局。可有效的反映岩体渗流的非均匀、各向异性等特征，是目前研究最多、应用最广的模型。等效连续介质模型的突出优点是可以沿用理论上较为成熟的各向异性连续介质理论进行分析。从广义上讲，任何裂隙岩体均具有“双重介质”的性质，只不过岩石孔隙系统的发育程度随岩石成因、岩性、结构及年代等地质特征而异，变化较大，应从孔隙系统对水在裂隙岩体中的贮存和运移所起作用的角度来认识它，如研究埋深在千米以下的裂隙岩层中地下流体(石油、深层卤水等)运移特征时，岩层中孔隙与微裂隙在其中起着重要作用，此时应采用双重介质模型。然而必须指出的是，运用裂隙－孔隙双重介质模型，为获取所需参数的现场工作和计算过程毕竟比较复杂，因而限制了其在实际问题中的应用。离散裂隙网络模型对岩体裂隙网络体系中每条裂隙都加以具体的模拟，并力图得到裂隙体系中各点的真实渗流状态，显然具有拟真性好、精度高等优点，但当裂隙较多或研究区域较大时，其工作量相当大，甚至可能难以实现；另外，由于裂隙分布具有随机性，要建立离散的真实裂隙系统也较为困难，因此，除了较简单的条件，离散裂隙网络模型尚难在实际工程中广泛应用。等效连续介质模型沿用理论上较为成熟的各向异性非均质连续介质渗流理论，以大量实测的裂隙系统几何参数求取的岩体渗透张量表征由裂隙系统结构所确定的渗流特性，在实际工作中具有广泛的应用前景。2试述地下水在斜坡变形中的作用水是影响斜坡稳定性的最重要的原因之一，水对边坡的水力学作用，主要包括静水压力和动水压力两大方面，其中静水压力又分为岩体的浮力、底滑面的浮托力和侧滑面的静水压力，动水压力主要由边坡岩体中水头差引起。力学作用形式和边坡的岩土体的介质类型有关，主要和岩土体的透水性能有关。力学作用大小与水位的高低以及水位的动态变化有关。地下水在岩土体中的赋存、运动形式不同，表现出不同的力学效应和计算方法，它们可能在坡体中单独存在，有时也共同作用。边坡岩体介质分类板透水介质葬：松散土荒体边坡和奴节理化程金度较高的欠碎裂结构吩和散体结只构岩体边坛坡。地下据水在岩土险体中形成薪自由运动富的潜水，众受大气降查水或河水宋补给并影裙响变化。拉岩土体内狐水力联系粥畅通，有逃统一的地楚下水位面准。学隔水介质长：严格地剖讲，自然悬界不存在俘完全隔水系的介质。迹弱透水的些固结密实安的粘性土涝组成的完愚整结构、垫块状结构径、层状结厚构的岩体爸边坡。地序下水在岩扎体中不能扔自由运动第，多受结姐构面控制吊，往往形白成承压水日，边坡岩坡土体各部香位的水力鹅联系不畅时通。沾复合介质总：整个边慎坡由透水巩介质和隔断水介质相驳互叠置构如成，或前短后部位复籍合，或透煤水体部分水嵌套构成皂。地下水送在边坡中蓝的水力联颂系十分复愤杂，比较狠难以形成份统一的潜椒水面。啊1.输候静水压力童作用录岩土体的府浮力苏：主要考约虑岩土体返由于孔隙帜水压力的难作用致使蹲其有效自教重降低。厨在稳定性纳计算中，熟可采用浮傍容重来考陕虑其力学你效应。计咸算公式如胜下：年式中：为散岩体浮容仆重，为岩燥体饱和容裕重，为水暗的容重，诱单位为码kN/m防3塘。肃(薯2)擦岩体的浮厌托力弱：主要考遭虑岩土体星滑坡底面撑的静水压阀力作用，筛它是一个纽呈三角形尼或梯形分脚布的面力译。如图所距示边坡某终条块的受图力情况，依底面大AB怠受梯形面摔力作用，暑应计算其技总的浮托束力，参与庄稳定性计柴算。鸦岩土体的区侧面静水络压力玻：主要考债虑静水压溪力在边坡屿条块侧面赢形成的面车力，如图鼓中的她AD略，荐BC锤面，以及椅滑坡后缘革裂隙中的特静水压力铜等。在边等坡稳定性化评价时，贫分别计算免各侧面面倒力的总荷留裁，参与户稳定性验类算。赚2.求局动水压力丛作用傍动水压力敏的作用主塔要存在于俩透水体中凉，是由于牙岩体边坡榆中存在水信头差，使之水体渗透罚流动而产袜生的一种仓体力。在令降雨作用随或水库泄佳水等条件皇下，可增胀强边坡中版的动水压连力作用。呜其计算公父式如下：璃D=疤番γ爆w立JV洽式中：桌D馋为动水压嚼力（票kN精）；哨γ宝w咬为水的容赛重（精kN/m句3普）；麦J幻为水力梯胞度；窃V防为渗流体艳积（确m挨3粘），可用完结定范围赔内岩土体辱体积与其可结水度的俱乘积值。逐大气降雨例可迅速抬堆高坡体后劲缘的水位宁，而前缘述的水头则斗变化较慢后，使得坡假体的中的催水头差增绒加；水库绍的迅速泄有水可大大钟的减低坡读体的前缘精水位，也却同样可增嫁加坡体的舞水头差，随形成较大快的全水力坡度尿，从而成锤较大的贵动水压力摸。因此，衬降雨和泄我水往往成熊为边坡失穴稳的诱发亮因素。允3纪水库岩溶菠渗漏的关衡键因素场《分析原凳理倍》掉P499瓶4膜．举例说烂明地下工拉程中主要校岩体水力润学问题三（的1胜）、地下柔洞室的涌羊水问题葬（乳2胸）通过影赠响应力状仿态、围岩萍强度而影勉响围岩的止稳定性众《分析原梁理且》好P410示5纺．水库诱都发地震中管地下水的阴控制作用辜目前尽管鉴人们对于疤水库诱发辉地震形成易机理还有李不同观点登，但对库贵水在诱发岸地震中起停着重要作武用这一认突识，是得隔到公认的您。丧(堆1)疑水体荷载柴作用贡水库的存因在给人们纺一种直观掏的感觉是温在地表增宴加荷载，慌这个荷载刑使库盆发直生沉降，果造成库基哭弹性变形芒，在岩体宗内造成附嫁加应力，凶从而恶化添断裂面的裙应力条件即。与构造练应力迭加克在一起将烂可能造成灶诱发地震由活动。夏(2狂)断空隙水压武力作用等1962顽年在美国耗科罗拉多筹州丹佛深染井中高压每注入废液亏引起地震拣的事例，嘱使人们注贺意到空隙绘水压力的亮作用。后尘来坝Evan昆s(19恐66)节和朱Heal亭y(19恋68)锤根据粉Hubb渣ert茅和扯Rube唇y旷早年顷(格1959妙)榆提出的液弓体压力增乘大触发地冲震的机制屠，认为空渗隙水压力怕增大降低核了断层面跃上的有效伏应力而引钩起断层错坝动，这种甘认识被后竭来在不Rang嚷ely句油田的注旗水实验所翠证实。只惯要岩体中池裂隙是透型水的，库谎水的渗入让就会提高终空隙水压振力，从而青降低裂隙衡面上的抗削剪强度，助使岩体的宗强度受到看弱化。随洗着所积累太的震例资牲料增多，哥空隙水压弯力作为一歼种主要的岂诱震因素君，被更多其学者所接每受。菊(棵3)叙水的弱化黄作用较水的弱化行作用包括锣水的润滑都、软化和盖应力腐蚀竿等物理化秃学作用。妻6忍．水库斜胡坡破坏的丛多种因素少显示水库宣水位快速饰下降时较滋库水位上奖升时，水姻库水位缓凉慢下降更鼓多，请用茎岩体水力居学观点解立释之。喜7抬．地质结订构对岩体穗中地下水垄的控制作希用笑黄鼎成（吊1987擦）则更具济体地将地胡质结构划碌分为区域麻地壳结构准、区域（叛或地区）绩地质结构沸、具体地兴段的山体恭或谷坡地葬质结构、轨工程岩体航结构和岩渣块结构等役五级。抖区域地壳狂（地质）名结构的控脸渗作用主乖要表现为糖：巷（虚1串）对地幔源流体向上洽侵入方式希及侵入部弟位的控制券；赠（楼2笼）对岩石跃圈高热流配体的流动渡特征及其嗽聚集状况药的控制；摸（核3鸣）形成深郊部水文地己质结构，狼决定了深孤部流体动披力特征靠区域（或灭地区）地使质结构的防控渗作用冶主要表现稍如下：选（商1炕）对地下给油气藏分白布规律的仍控制；撒（况2污）对地热腊、温泉和狱矿水等资狱源形成部海位的控制纺；秀（宪3改）形成区片域水文地与质结构，惨控制了区组域（或地冻区）地下趟水动力特倒征。借具体地段斜的山体或怜谷坡地质爽结构的控片渗作用主鲁要有：案（使1雕）形成不陈同类型的犬山体或谷淹坡水文地置质结构，竿控制了山侨体或谷坡取地下水动欠力特征；俯（趁2万）与地形概、地貌等杨因素相结唐合，控制田了浅表地坛下水的补论给、径流扛和排泄的聚空间分布陪特征；膊（煤3辉）通过区梯域（或地恭区）地质附结构面，既与深部地粒下水发生酿一定的水节力联系。森工程岩体程结构的控种渗作用主歪要表现如新下：股（钓1枣）形成不爬同的渗流茫介质类型融，体现了酷不同的岩歇体渗透特正性；盘（那2夹）与地下挽水位、边附界条件及累暴雨等因冶素相结合敌，控制了幕工程活动衣范围内地巴下水的流蝶动状况及秩渗流作用末力特征。隶混岩石块体款结构的控莲渗作用具冶有如下特悉点：互（撒1忠）控渗作损用较弱，尿因块体内刻含大量的戚不连通裂悟隙和死端叉空隙；坚（亚2肾）受各种除外力影响象，随时间盯变化明显武。巡1剑）地质结棵构的级别次越高，对忘渗流的控节制作用越做强，对地痒质体稳定望性的影响膛也越大。图（琴2物）地质结倦构控渗的挽优先级序遗为：从高创级到低级困以结构面导为优先的捧逐级控渗鼻顺序摔8循层状岩体炭与块状岩涌体中的渗扯流规律热层状裂隙皆岩体的渗糊流规律分恭析歇层状岩体罗(擦Laye馒red则Rock赵Mas光s)棍是以层理惧为特征的球沉积岩岩粉体和一些乎变质岩岩酱体蔽(虾板岩、千竟枚岩、片娘岩等公)粥。层状岩窃体的渗流婶规律主要响受岩体中扒构造裂隙棕和层面裂专隙控制。拖(茧1)弟层状岩体狸构造裂隙趟在岩层层总面、褶皱醉轴部、中爱倾角翼部钩、断裂带银及两侧影租响带较发师育。因而闭在这些部膊位最易形表成富水带扰(常地形及地伟下水补给塑条件有利串汇水时甲)惨；返(止2)庭由于构造岂裂隙分布桌具有层状砖或脉状特千点，构造钻裂隙水亦晨具有带状喝(斥或脉状承)五分布特点脾。构造裂暑隙中渗流伙具有非均贞质各向异愧性的特点耗；线(届3)旧构造裂隙肾岩体中的戴渗流具有躬非连续性卸,奖常常在局社部不形成见统一的地扑下水面，待而在区域嘉上形成统僻一的地下监水位面；叛(夜4)江层状岩体趣的风化带壶裂隙水，米一般为潜途水。由于挥风化作用议使得裂隙喘之间连通浑性好，风鸡化带内多促具相对统共一的地下平水位，水茅平方向蓄消水性比较昌均匀，垂搏直方向上叉随埋藏深紧度增加裂姐隙开度呈质指数性减国小。由于血受地形和品气候影响穴，地下水缝动态具有事季节性变仗化特点。律风化带裂完隙渗流问肥题，可应缠用非均质镰各向异性祸的连续介泥质模型来哀描述；碑(描5)北层状裂隙榆岩体具有布明显的层振状结构，巴在沉积过谎程中由于贺水动力变围化，一般有形成粗细齿相间的韵筝律层。粘裹土岩隔水伍，粗细粒仿的碎屑岩舒透水，容栏易形成多忍层结构的蛾含水层系地统；孩(架6)炎层状裂隙踢岩体由于掉保留原来尽沉积时的榴原生孔隙肌，再加之尊后期改造塑作用的扩祝大，形成此次生孔隙哄，孔隙与粱裂隙并存澡是层状裂企隙岩体的孝又一特点粱。孔隙和弊微裂隙储冶水，裂隙酱导水，具糖有孔雀隙一裂隙密双重介质甲渗流特点泻；移(司7)号在大的向盾斜盆地，透容易形成匪地下水的菠自流盆地院块状裂隙喊岩体的渗移流规律分悔析放块状岩体妖(犁Bloc妇ked姓Rock团Mas非s)扩是指具有脖块状构造展的岩体，琴如侵入岩福体和正变瓦质岩体。冰这些岩体无的空隙结歌构大多为辛裂隙型，涂裂隙有原身生裂隙、躺构造裂隙厌和风化裂境隙，裂隙久分布呈网跨状，其间岔岩块被分窜割成一个弹个块体。约块状岩体氏在我国分幸布极为广原泛，约占烟全国基岩泼面积煌1究／挎4脾。侵入岩揭中以花岗米岩类分布什最广，其溜它中性和糟基性侵入划岩也有出翻露。块状码变质岩指隆片麻岩、县石英岩、希大理岩以孔及混合岩达等。剃一般来说鼓，块状岩碧体分布区尾，岩体的踩渗透性能骨比较差，船不易形成下大的地下仅水富集区午。块状岩友体的渗流损取决于裂阀隙的发育泳特征。块耀状岩体一塞般在爆风化带急、睁断裂带价(古或断裂影泽响带牺)买及陶侵入接触螺带螺裂隙较发槽育厉块状岩体甜风化带裂末隙渗流特硬征童风化带按秃风化裂隙品的发育强嗓度和风化曾作用对原恐生裂隙的炼改造程度雄，将风化谊带分为全插风化带、利强风化带表和弱风化鼓带三个带生。巨在北方地皇区，由于芹气候干旱她，岩体的上风化以机怀械的、物绝理的风化卡为主，因像而全风化钥带和强风初化带裂隙洋发育。胜在南方地来区，由于誉气候湿热寇，化学风丢化强烈，堵全风化带风风化彻底叠，大多呈城粘土状，燥或裂隙被册粘土充填辛，因而，锤强风化带敢裂隙较发良育，充填例少。诊因此，北粘方地区，谎全风化带丘和强风化浩带裂隙岩电体渗透性椅好，有利刚地下水渗繁流；南方滤地区，强仇风化带裂垒隙岩体渗侄透性好，盼在地形有辅利情况下上，可形成谣较好的风杂化带裂隙牵潜水。恨一般块状葵岩体的风抵化带潜水杂，具有统夺一的地下茎水面，且透裂隙发育贴较密集。愿定量化研筋究风化带拜裂隙水时棋，可运用昼非均质各梢向异性连裁续介质渗俩流理论。其块状岩体复断裂带裂采隙渗流特尤征奖(书1)健具有带状揪渗流特征鹿。距断裂添带愈远，钱渗流强度么减弱。压放性断裂带破本身阻水底，造成地然下水流的涌不连续性慨，而断层议一侧或两命侧的影响寒带裂隙发阶育，易形磁成富水带滔。合(携2)都断层带与热断层带以府外块状岩泥体构成地伸下水系统悬时，该岩徐体渗流为宪裂隙网络工渗流，具童有定向流傲动性和非绿连续性，略可用双重熊介质或裂催隙网络渗孩流模型描签述。令块状岩体休接触带裂涛隙渗流特陵征伤在侵入岩行体和深变扶质岩体中晕，一般都划存在后期简侵入的各援种岩脉或闷岩体。当流岩脉的厚及度较小时究，岩脉在倾冷凝后，西及以后的告构造作用互下岩脉本轮身容易发拴育裂隙，磨形成岩脉拖本身导水沾带；当岩堤脉厚度很父大时，在莫岩脉一侧珠或两侧的圾接触带都辣可形成裂元隙密集带付。愿岩脉接触践带裂隙密查集，接触脸带渗流可感看作各向胁异性的连荣续介质渗蔑流。解释困1呜．有效应效力原理搅：屋空隙水压船力对岩土抽体变形破冠坏的发展公起着十分摩重要的作序用，通常贫可由下述抓有效应力搂原理来表踏达，即：召σ裹＝震σ填1稠＋怕P果w帝或最σ列1抹＝稍σ追－疲P舍w姨s狭＝（票σ绸－仆P雕w易）茅tg杨φ腹＋符c皂式中愿，厉σ渴为总应力数，母σ雕1椅为有效应咽力，益s把为岩土体劫中潜在破乞坏面的抗慎剪强度，论tg窝φ健、ｃ分别仰为潜在破衰坏面的摩鹊擦系数和皇内聚力。熄在总应力高不变的条维件下，岩尾土体内空黑隙水压力跳的增大，丧必然导致捎有效应力图的减少和藏岩土体驳“伟回弹吩”会变形的发荡展。萌对于裂隙仓岩体，空快隙水压力翅的增大一航方面意味貌着水沿（吓陡倾）裂蒙隙对岩体爬楔劈