三维裂隙网络与多孔介质渗流的等效
裂隙岩体三维渗流网络搜索及稳定渗流场分析_李海枫
另外，从逾渗理论[18]角度来看，裂隙网络中存 在 5 类裂隙或裂隙簇，而以下 4 类裂隙或裂隙簇， 水在其中是不流动的，即：
(1) 与任何裂隙均不连通的孤立裂隙； (2) 裂隙一端或一部分与其他裂隙不连通，是 死水末端；当假定岩块不透水时，这段裂隙中只有 水而没有水流动； (3) 与其他网络簇均不连通，且与上、下游边 界也不连通的孤立网络簇； (4) 网络簇只在一端与邻近簇相连通，这个簇 成为只有水而没有水流动的死水区。 当进行裂隙网络恒定流分析时，需将以上 4 种 裂隙或裂隙簇全部从裂隙网络中删除后才能得到水 力学分析网络；但在进行非恒定流分析时，因为裂 隙(2)和裂隙簇(4)有一定的容量，这些死水末端或死 水区是不能删除的。 由以上分析可知，岩体中裂隙网络并不能代替 其渗流网络，直接将岩体渗流网络抽象为由岩体结 构面的组合是不合理的。一个裂隙至少与一个其他 裂隙或者边界相交割，或者至少与源汇项(如钻孔、 排水管道等)相沟通，并且必须通过相互交割最终连 通到边界或源汇项，才能够形成流通路径[19]。因此， 岩体渗流网络是由那些具有导水特性且处于裂隙网 络连通位置上的裂隙组合而成的。 2.2 三维渗流网络建立 在二维渗流网络(见图 1)建立问题上，王恩志[3] 将韦德卡[2]的线素法发展成为图论法；莫海鸿和
边坡渗流研究现状及趋势分析_唐红梅
第25卷 第1期重 庆 交 通 学 院 学 报2006年2月Vo1.25No.1JOUR NAL OF CH ONGQI NG JIAOTONG UNIVERSITY Feb.,2006边坡渗流研究现状及趋势分析＊唐红梅1, 陈洪凯1,2, 关明芳1(1.重庆交通学院岩土工程研究所,重庆400074;2.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆400044)摘要:渗流力学是岩土力学重要的学科分支,尤其对边坡的安全与稳定通常具有控制性作用.作者基于大量资料分析,将边坡渗流研究现状概括为渗流分析模型、渗流计算、应力场和渗流场耦合、渗流自由面以及渗透系数分析等5个方面,详细论述了每个方面的核心内容及基本思路;并以三峡库岸边坡为例论述了边坡渗流研究的发展方向.关 键 词:边坡;渗流;研究现状;发展趋势中图分类号:O357.3;P642.3 文献标识码:A 文章编号:1001-716X(2006)01-0078-06 渗流是指水或其它流体在岩土等孔隙或裂隙介质中的流动.地下水是影响边坡稳定的重要因子之一,边坡的渗流问题是边坡稳定的关键影响因素,据统计,约90%的自然边坡和人工边坡的破坏与地下水作用有关[1],地下水作为边坡失稳过程中的诱发因素.求解边坡的渗流场,必须选择合适的渗流模型、渗流参数、边界条件及相应的计算方法.边坡的渗流呈非线形的特征.基于渗透理论,综合考虑各种因素的影响,国内外学者在渗流的计算模型、渗透系数、渗流数值模拟和力学、变形与渗流等方面的研究取得了大量的研究成果,可概括为渗流模型、渗流计算、应力场和渗流场耦合作用、渗流自由面以及渗透系数分析等5个方面.1 渗流模型求解渗流场,首要确定渗流过程的控制方程,建立合理的地下水渗流模型,其可分为物理模型和数学模型两类.1.1物理模型1.1.1岩质边坡渗流物理模型岩质边坡渗流模型有两种趋势:一是认为裂隙岩体为一种具有连续介质性质的物质;二是忽略岩块的孔隙系统,把岩体看成单纯的按几何规律分布的裂隙介质.渗流模型有等效非连续介质模型、等效连续介质模型和孔隙-裂隙双重连续介质模型三类[2].等效非连续介质模型亦称离散模型,忽略了岩块的孔隙系统,把岩体视为简单的裂隙介质,用裂隙水力参数或几何参数来表征裂隙岩体内渗透空间结构的具体布局.这些水力参数由现场水文地质试验提供,几何参数现场确定.该模型可分为Monte-carlo 模型、裂隙水力学模型和典型裂隙面模型.离散模型是应用最广的一种模型,但难于用于进行复杂的三维渗流分析.连续介质模型认为岩石孔隙介质和裂隙网络均匀分布于整个研究域内,裂隙岩体表现出与多孔连续介质相似的渗透特性,水头随空间点连续分布,渗流场的求解以渗透张量为基础.该模型在进行分析域的宏观渗流分析中具有很好的优越性,一般当裂隙岩体中岩块尺寸为工程结构物尺寸的1/20～1/50时可视裂隙岩体为连续介质,但理论上有待进一步研究.双重介质模型的基本假定是裂隙岩体中孔隙、裂隙分布均匀,即在微元体中,孔隙与裂隙体积之比保持不变,认为裂隙岩体由孔隙性差而导水性强的裂隙系统和孔隙性好而导水性差的岩块孔隙系统共同构成的连续介质.该模型对裂隙和孔隙系统作了许多特殊的简化假定,其客观性大大降低,尚未达到实际应用的程度.黎水泉[3]提出了一种考虑介质参数随压力变化的双重裂隙介质非线性渗流模型;王恩志[4]在忽略收稿日期:2004-07-14;修订日期:2005-01-11基金项目:交通部跨世纪人才专项基金项目(95050508)、重庆市自然科学基金重点项目(2005BA7008)、交通部重点科技基金项目(95060233)及高等学校重点实验室访问学者基金资助项目成果之一作者简介:唐红梅(1968-),女,重庆合川人,副研究员,主要从事公路泥石流及危岩研究工作.岩块渗透性的前提下.建立了由管状线单元、缝状面单元和带状体单元组合而成的三维裂隙网络渗流数值模型.1.1.2土质边坡渗流物理模型考虑土体性质的差异可分为砂性土边坡、粘性土边坡、土石混合边坡、软土边坡及黄土边坡.渗流计算中一般都将土体看成是多孔介质进行分析.1.2数学模型将特定边坡渗流的基本方程式和定解条件结合起来就确定了边坡渗流的数学模型,渗流过程中的控制方程的定解条件有:Dirichlet 边界条件(第一类边界条件):H (x ,y ,z ,t )S 1=φ(x ,y ,z ,t ) (x ,y ,z )∈S 1(1)Neumann 边界条件(第二类边界条件):K H n S 2=q (x ,y ,z ,t ) (x ,y ,z )(2)岩土体中的渗流基本方程式包括运动方程和连续方程,结合边坡实际的边界条件和初始条件,就可实现对边坡渗流场的求解,运动方程:1ng v t =-gradh -vk(3)连续方程: v x x + v y y + v z z=ρg (α+n β) h(4)饱和渗流具有自由面变动的非稳定流问题,考虑土体和水体的压缩性: x k x hx+y k y h y + z k z h z =S k h t(5)忽略土体的压缩性: x k x h x + y k y hy+z k z h z=0(6)由于渗流问题的复杂性,建立了多种边坡的渗流基本方程,并就具体边坡进行了渗流场的求解.如张有天等[5]、朱文彬等[6]考虑降雨对岩体边坡稳定性的影响,提出了降雨渗入岩体型隙是饱和/非饱和、非恒定渗流过程,建立的渗流控制方程为x 1(k h x 1)+ y 1(k h y 1)+ s t =0(7)式中,设裂隙面局部坐标x 1、y 1,y 1———裂隙面倾向;由y 1顺时针转90°———x 1;h ———水力势;s ———饱水度,t ———孔隙压力的函数.朱文彬等[6]将边坡土体视为多孔介质,建立了土的饱和、非饱和非稳态流的二维数值模型x (k w 1 h w x )+ x (k w 1 h w x )=m u z ρw g h w t(8)式中,k w 1,k w 2———各向异性土的主渗透系数,对于各向同性土有:k w 1=k w 2;h w ———孔隙水压力水头;m u z ———相应于基质吸力变化d (u a -u w )的水体积变化系数;ρw ———水的密度.2 渗流计算渗流计算方法可分为三类,即解析法、数值法和实验模拟法.2.1解析法解析法是用数学物理方法如分离变量法、积分变换等求解渗流定解问题,目前可分为直接解法、复变函数法、组合法和水力法.其只适用于含水层几何形状规则、方程式简单以及边界条件较为单一的情况,而实际边坡岩土体是非均质的且各向异性,其边界条件和几何形状复杂,初始条件是不确定的,因而该方法有很大的局限性.2.2数值法数值方法是把整个渗流区分割成若干个形状规则的单元,各个单元根据需要选择合适的水文地质参数,把所有单元合在一起就能表现出渗流区域在几何上的不规则性和在水文地质上的非均质性,代表实际的渗流区.数值法主要包括有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法和流形元法等.渗流场二维、三维的数值模拟进展快速,如解宏伟等[7]对二维渗流场基本物理量的有限元计算方法进行了研究;姜立春等[8]采用三维有限元数值分析处理多介质复杂边界条件的渗流问题,导出了三维渗流数值模型,实现了三维渗透流动问题任意渗出面的迭代求解.介玉新等[9]将适体坐标变换方法用于渗流计算,即通过求解Poisson 方程自动生成实际物理边界的计算网络,并将渗流问题变换直角网络系统下进行有限差分离散和数值计算,对不同的几何边界实现统一的数值求解算法.2.3实验模拟法实验模拟法是一种解决复杂渗流问题的重要方法,该方法是利用渗流和一些物理现象相似的原理,用相似模型再现渗流过程和渗流的流态,得到渗流规律.其最大的特点是可以直接从实验中直接观察到渗流现象.常用的方法有砂槽模型法、缝隙水槽法、水力网模型法、电拟试验法和电阻网模型法.3 应力场和渗流场耦合作用岩体边坡渗流分析中,应力场和渗流场的耦合问题十分重要[10],著名的法国拱坝的失事为一典型实例[2].应力场和渗流场耦合关系研究的是渗透系数与应力间的相互关系,岩体的渗透系数是裂隙面法向应力的函数.法国专家Louis [11]认为在低应力79第1期 唐红梅,等:边坡渗流研究现状及趋势分析 状态下渗透系数与有效应力之间呈负指数关系即K=K0e-αω(9)式中,K———裂隙法线方向的有效应力;K0———初始渗透系数,α———常系数.Carlsson等基于室内试验认为渗透系数和法向应力之间的存在高度是非线性,并得到渗透系数与自重应力之间的关系;郭雪莽考虑到岩体渗流-应力耦合作用是变形引起渗透系数的改变,推导了渗透系数与应变的本构关系.杨太华、王媛等学者也就渗透系数和应力间的耦合关系进行了研究.关于剪应力和剪应变对渗透场的影响,目前研究成果较少.刘才华[12]通过对规则、均匀、粗糙裂隙的渗流剪切实验,得出在剪切荷载作用下,裂隙渗透性随剪应力的增加而降低,有十分明显的线性关系.建立边坡岩体渗流场与应力场耦合分析数学模型也是一个重要的问题.柴军瑞[13]将岩体中的各种裂隙和孔隙按规模和渗透性分为四级处理,结合各级裂隙网络渗流与应力不同的相互作用关系,形成岩体渗流场与应力场耦合分析的多重型隙网络模型.朱珍德[14～15]利用流体扩散能量迭加原理推求渗透张量公式,提出了渗透张量随裂隙损伤加剧而改变以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场合模型,并以此编成有限元程序应用到三峡永久船闸高边坡稳定性之中;盛金昌[16]建立能反映裂隙剪胀特性的非线性弹塑性本构模型,考虑裂隙非线性法向变形和剪胀对裂隙隙宽的影响,比较实际地反映了裂隙变形对岩体渗透性的影响.迄今,渗流场和应力场耦合分析方法的研究较少,一般都将两场分开计算(两场交叉迭代法),再通过两场的交叉迭代而达到耦合的目的.王媛等[17]采用四自由度全耦合法,进行了基于增量理论的复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合法分析.陈洪凯基于对三峡永久船闸边坡开挖引起的应力重分布的分析,初步论述了船闸开挖而致岩体卸荷过程对渗流特性的影响[2];张玉卓等[18]在较大尺寸的裂隙岩体试块进行不同侧压力和加载条件下的渗流试验研究;刘建坤等[19]应用非饱和力学,利用双变量理论,给出一种简化的模型用于分析非饱和土坡中降雨引起应力-应变状态与瞬变渗流的情况,在该模型中考虑了导水特性及水分特征曲线对于应力状态的依赖性及后者的干湿滞回作用的影响.4 渗流自由面第一是移动网格法:这类方法把自由面当作可移动边界处理,在迭代过程中不断改变自由面的位置,使网格发生变化,直到自由面位置稳定为止.采用这类方法虽然取得了不少成功的经验,但也暴露出方法本身的缺陷:1)初始自由面和终自由面相差较大时,网格畸形;2)渗流域内有结构物时网格移动会改变结构边界;3)自由面附近有不均质介质时,网格移动会破坏介质区分边界,使计算结果失真;4)求解自由面渗流域的应力分布时,求解范围应包括自由面以上区域.第二是固定网格法:自1973年Ne uman提出用不变网格分析有自由面渗流的Galerkin法以来,出现了多种固定网格法.固定网格法又可以分成两种:一种是调整单元渗透矩阵法,如Bathe的单元渗透矩阵调整法,李春华的改进单元渗透矩阵调整法,王贤能等的高斯点法.Bathe法在迭代过程中把跨越自由面和自由面以上单元的渗透系数一律按实际渗透系数的千分之一计算,与实际不吻合.李春华则在迭代中根据自由面和单元的交截情况计算单元的渗透系数.王贤能则根据高斯点的位置确定高斯点对应的渗透系数,计算单个高斯点对渗透矩阵的贡献,对所有高斯点求和得到单元的渗透矩阵;第二类是调整流量法,如Desai提出的剩余流量法,张有天的初流量法等.Desai法通过计算自由面单元内过自由表面的流量来修改各节点的势,直到过自由面的流量小于某一允许值为止.Desai法的缺点是每一迭代步需要计算出自由面的具体位置、自由面的面积以及法向流量且工作量大,而且这一方法的全部调整过程均依赖于第一次有限元分析结果.张有天的初流量法对Desai法作了许多重大改进,并从理论上给出了完整的描述.凌道盛等[20]提出了有自由面渗流分析的虚节点法,其特点属于一种真正的固定网格法,对网格不作任何改动,并能精确地描述跨越自由面单元的渗透矩阵,可同时适用于平面渗流问题和空间问题.陈洪凯等[21]基于对已有网格固定法的分析而提出了渗流自由面求解的改进方法即复合单元全域迭代法,具有程序处理方便、计算结果精度高等特点.5 渗透系数5.1确定型模型结合实验方法包括室内和野外实验方法,其中野外实验方法包括野外几何测量法和野外抽(压)水试验法. Youngs(1980)导出了渗透系数在垂直方向上呈连续变化的解析解.Her weijer和Young(1990)通过同一地区不同井点的抽水试验,指出导水系数是水位降落漏斗扩展的函数.王钊等通过一些简化假定,推导出了适用于潜水完整单井的渗透系数表达式,经修正得出了非完整潜水单井天然来水过程测定渗透系数的方法.80 重庆交通学院学报 第25卷5.2随机模型方法[22]5.2.1简单的统计方法Schlichter(1905)、Driscoll(1986)和Sheperd(1989)等利用粒径、孔隙度、分选程度、充填情况和颗粒形状等数据,通过建立它们之间的关系式计算渗透系数.Manath N.Panda等在研究用粒度分布参数计算松散介质的渗透率中指出,对非均质介质而言,介质粒度均值的变化对渗透率的贡献比孔隙度或分选程度要大.陈望和(1990)在河北平原浅层地下水资源评价中利用试验资料做散点图,从中得出了渗透系数与介质颗粒粒径之间的关系式,进而求得浅层含水介质不同粒径对应的渗透系数.5.2.2随机理论Law(1944)研究油田勘探的岩芯资料时,首先发现渗透系数服从对数正态分布.Bulness(1946)和Warren(1961)研究油田岩芯资料时,证实了Law的发现.Hoeksema和kitcmidis(1985)研究指出,除极少数外,导水系数、渗透系数和贮水系数等参数都可以认为是服从对数正态分布的.1)离散独立参数法离散独立参数法是针对渗透性多数空间随机变化特征,基于经典统计学理论来研究多数的方法.其基本思想是将研究区划分为不同的块段.每一块段有统一参数值,多数之间互不相关,由蒙特卡罗法生成.最早提出离散独立参数法的学者是Warren和Price(1961),运用该方法研究了渗透系数的不同频率分布对等效渗透系数的作用.加拿大学者Freeze(1975)运用该方法研究了一维稳定地下水流问题,为随机水文地质奠定了基础.2)连续相关参数法美国学者Celhar最先考虑了参数之间的相关性,用连续相关参数法研究了含水介质参数和地下水流问题,该方法的思路可归纳为:渗透系数K可表示为其均值K和扰动值K′之和,用Fourier-stieltijes积分变换表示各类扰动值及渗透系数的自协方差函数;由Fourier-stieltijes逆变换求得渗透系数的谱密度函数,并由水流微分方程建立渗透系数和水位谱密度函数之间的关系,通过研究渗透系数的谱密度函数,达到研究参数空间变异的目的.3)离散相关参数法加拿大学者Smith和Freeze在离散独立参数法的基础上,研究有限区域二维稳定流时提出了离散相关参数法.这一方法的思路是:将研究区划分为方形网格,每一网格被认为一致均匀,某一网格参数被认为与其周围紧邻的网格多数相关,井建立参数自回归方程.在参数自回归方程的基础上,确定协方差函数和协方差矩阵,最后,运用蒙特卡罗法生成研究区各网格的参数.因此.该方法的最大特征是考虑了参数的结构性和各向异性特征.以上3种方法在求渗透系数时,即一个参数出现在空间一点的概率与出现在其它点的概率一样,不考虑实测值的位置,是这三种方法共同的不足之处.大多数研究者选择随机模型作为研究手段,是假定含水介质渗透系数满足对数正态分布,但缺乏完备的理论和充分的实践资料支持,因此其应用受到很大的限制.5.2.3克里格法克里格法是地质统计学的一部分,由C. Matheron教授创立并发展的,克立格方法是一种对空间分布数据求最优、线性、无偏内插估计量的方法.Demarsily、Kitanidis、Vomvoris、Amleto和Murashige、雷志栋和杨诗秀把它引入水文及水文地质领域,研究了含水层渗透系数的空间变化特征.朝伦巴根和刘延玺等用泛克里格法,对通辽河西水资源评价与管理研究区内含水层系统的渗透系数进行了结构分析.找出了它的主变异方向和变异程度,并对渗透系数进行了量优估计,进而给出了它的空间变异分布图和参数分区图.克里格法虽然考虑了渗透系数的结构性、非均匀性,计真结果精度也较高,但它需要大量的数据.5.3数学模型反演求解法[23]运用地下水动态信息,用建立的数学模型来反演求解.反映的是在给定初值和边界条件下,通过已有实测地下水动态信息拟合而获得.虽不全等于实际岩体水力学参数,但反映了整个研究区域岩体水力学特征,其关键是动态数据的可靠性和模型选择的合理性.直接解法:从渗流方程入手,把方程中的水头作为已知值,把参数作为未知值,直接代人方程求解.间接解法:给定参数试探值,求解正问题,得到计算水头值,再与已知观测水头值比较,求得水头误差最小条件下的参数.5.4分形理论Wbeatcraft等(1988)研究表明,非均质含水层具有分形结构.Ababou(1988)根据Mount sinon含水层中得到的数据分析,指出渗透系数的对数表现出分形规律.Marian和Ching-Min Chang(1993)研究指出渗透系数的分布在较大的范围内具有分形特征.我国学者胡尊国(1992)研究指出多孔介质的孔隙形状具有分形的特征,并认为分维数是刻画或描述不同地质成因多孔介质的一个定量指标,但未进一步81第1期 唐红梅,等:边坡渗流研究现状及趋势分析 说明如何利用分维值估计渗透系数等参数.分形理论目前在我国水文地质领域正处于探索阶段.主要侧重于理论的引用,鲜见与野外钻孔、油水实验资料结合对松散介质渗透系数进行空间估值的实例.6 边坡渗流研究的趋势渗流理论在边坡、岸坡、大坝、天然气、石油及瓦斯控制等方面具有广阔的应用前景.而对于三峡水库而言,库岸边坡渗流问题显得极为重要.根据三峡水库调度运营规划,水库建造完成投入运行后,洪期水位保持在145m附近,枯水季节水位保持在175m 附近,每年雨季来临前降水空库确保防洪.据此可见,水库每年水位变幅30m左右.如此高的水位变幅一年一度周期性的作用在水库岸坡岩土体内,水-土、水-岩相互作用,牵引出库岸边坡渗流研究及控制的主要方向:1)库位变动带周期性浸泡条件下岩土力学参数、水力学参数变化规律研究.2)库位变动带饱和渗流、非饱和渗流相互转化过程研究,明确岸坡岩土体在不同时间、不同空间部位的渗透系数取值规律.库水位降落期间岸坡渗流场变化规律、渗透压力变化过程研究,建构库水位不同时期的岸坡稳定性分析的设计工况.3)进行岩质岸坡裂隙渗流机理及渗流-应力耦合作用研究,量化裂隙水压力的计算理论及变化规律.4)开发与库水位降落协同的同步排水技术,构建同步排水优化设计理念.参考文献:[1] 陈洪凯.裂隙岩体渗流研究现状(Ⅰ)[J].重庆交通学院学报,1996,15(1):55-60.[2] 陈洪凯.三峡工程永久船闸岩体渗流与排水机理研究[D].重庆:重庆建筑大学,1996.[3] 黎水泉,徐秉业.非线性双重孔隙介质渗流[J].岩石力学与工程学报,2000,19(4):417-420.[4] 王恩志,孙 役,黄远智.三维离散裂隙网络渗流模型与实验模拟[J].水利学报,2002,5:37-40.[5] 张有天,刘 中.降雨过程裂隙网络饱和/非饱和、非恒定渗流分析[J].岩石力学与工程学报,1997,16(2): 104-111.[6] 朱文彬,刘宝琛.公路边坡降雨引起的渗流分析[J].长沙铁道学院学报,2002,20(2):104-108.[7] 解宏伟,扬 龙,苏晓波.二维渗流场基本物理量的有限元计算法[J].青海大学学报(自然科学版),1999,17(4):21-23.[8] 姜立春,吴爱祥,陈嘉生.高陡边坡地下水渗流场三维有限元分析及其实例研究[J].湘潭矿业学院学报,2003,18(3):24-28.[9] 介玉新,揭冠周,李广信.用适体坐标变换方法求解渗流[J].岩土工程学报,2004,26(1):52-56.[10] 李宝花,王连花.坝体渗流场、应力场藕荷问题的非线性分析[J].建筑技术开发,2003,30(4):26-28. 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[23] 张贵金,徐卫亚.岩溶坝区渗透系数的确定方法探讨[J].三峡大学学报(自然科学版),2002,24(6):497-502.82 重庆交通学院学报 第25卷Research status and trend for seepage of slopeTANG Hong -mei 1, CHE N Hong -kai 1,2, GUAN Ming -fang 1(1.Inst .of Geotechnical Engineering ,Chongqing Jiaotong University ,Chongqing 400074,China ;2.Key Lab .For the Exploitation ofSouthwestern Resources &the Environmental Disaster Control Engineering ,Ministry of Ed ucation ,Chongqing University ,Chongqing 400044,China )A bstract :As one important division of Geotechnical mechanics ,seepage mechanics make usually key action on safety and stability of slope .Based on analyses in detail to research docu ments ,authors generalize these results as five parts in this paper ,i .e .seepage model ,seepage calculation methods ,coupling between seepage field and stress field ,free surface ,of seepage and permeability .Further ,key content and basic ideal every part are discussed in the paper .Taking bank slope of the Three Gorges reservoir as an example ,research trend of bank seepage are provided .Key words :slope ;seepage ;research status ;research trend(上接77页)力分布状态效果,配合其他几种支护技术,可以弥补传统支护方式的不足,并能取得显著的工程经济效益.框架网格结构施工和锚杆施工工艺简单、高效、安全,便于机械化施工,在保证施工安全和稳定要求的基础上,相对于使用抗滑桩,抗滑锚杆的经济和技术优势明显,在类似工程中值得借鉴并推广运用.参考文献:[1] 赵明阶,何光春.边坡工程处治技术[M ].北京:人民交通出版社,2003.[2] 张启汉.滑塌坡间路基加固设计稳定性研究[J ].公路,2003,(9):101.[3] 任志华,周亦唐.山区高等级公路高边坡的稳定性分析及边坡加固措施[A ].第13届全国结构工程学术会议论文集[C ].2004.[4] JTJ013-95,公路路基设计规范[S ].交通部第二公路勘察设计院.[5] GB50330-2002,建筑边坡工程技术规范[S ].重庆市建设委员会.[6] 姬同庚.洛三高速公路失稳风化安山岩路堑边坡加固方案及稳定性研究[J ].公路.2004,(1):28.[7] 崔政权,李 宁.边坡工程-理论与实践最新发展[M ].北京:中国水利水电出版社,1999.Application research of mixing anchor structure in road moatside slope consolidateXU Yun -hua 1, ZHOU Xiao -ping 2, LIU Jia -lin 1, LI Hua -chao 3(1.Kunming University of Science and Technolgy ,Yunnan Kunming 650051,China ;2.Chongqing Jiaoton g University ,Chongqing 400074,China ;3.Yunnan High way Des igning Institude ,Yunnan Kunming 650011,China )A bstract :Yunnan Zhaotong -Daibu highway (11contract red stone rock section K314+550-K314+700)side slopes consolidation ,since ge -ology is special ,side slope is high steep ,is prepared with the anchor rod of prestressing force ,fight Gou protect the mixing anchor of slope andthe note technology of high voltage of thick liquid firmly structure .With G -slope soft ware for consolidating is former and consolidate the stability of rear road moat side slope i mitate and analyse ,analysis result shows ,adopts the method of consolidating in writing ,it is better to cons olidate rear slope bod y stability ,it is various to consolidate structure to form a organic whole ,so ,make the stability of slope body have gotten effective control .Key words :fight slippery anchor ;rod stake anchor ;rod frame grid structural ;safe coefficient83第1期 唐红梅,等:边坡渗流研究现状及趋势分析 。
215502025_确定裂隙岩体渗透系数张量的一维环单元模型研究
２０２３年５月水 利 学 报ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ第５４卷 第５期文章编号：０５５９－９３５０（２０２３）０５－０５７５－１２收稿日期：２０２２－０６－１２；网络首发日期：２０２３－０２－１４网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２１３．１４２７．００２．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金项目（５１５７９１００）；水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金项目（２０１６ＳＧＧ０３）作者简介：王俊奇（１９７１－），副教授，主要从事裂隙岩体渗流研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｑｗａｎｇｍａｉｌ＠１６３．ｃｏｍ确定裂隙岩体渗透系数张量的一维环单元模型研究王俊奇，汪志刚（华北电力大学水利与水电工程学院，北京 １０２２０６）摘要：裂隙岩体的渗透张量确定一直是渗流领域研究的重点。
本文基于广义达西定律，提出一种新型空间一维环单元模型来计算三维裂隙岩体的渗透张量，该模型简化了以往复杂的三维面状流模型。
通过解析法和数值模拟法对一维环单元模型的合理性进行验证，并利用面单元模型校核该模型的精度。
结果表明：对于同一裂隙岩体，环单元模型计算得到的渗透张量，与现场压水试验校核过的数据相比，误差在合理范围之内，与面单元模型计算得到的结果相比，基本相同；环单元模型是一种可行、精度高且实用的简化模型，比面状流模型简单，在计算渗透张量时能极大地减小运算规模，优化了算法。
研究成果可为确定裂隙岩体的渗透张量提供新思路。
关键词：离散裂隙网络；环单元；渗透张量；面单元；定水头法 中图分类号：ＴＵ４５２文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０４５８１ 研究背景地壳中复杂的地质作用造成了岩体中不连续的结构面，这些大量相互连通、断续和大小不均的粗糙结构面在岩体中形成了复杂的裂隙网络系统［１－２］。
因为岩体的渗透性一般很微弱，所以在实际分析中，往往会忽略岩块自身的透水性而把裂隙看作是岩体中主要的渗流通道。
岩体非连续裂隙网络三维面状渗流模型
目前，模拟岩体非连续渗流的模型有 2 类：一 类是管状流模型(channel model)；另一类是面状流 模型(planar model)。把单个裂隙看作粗糙板状几何 体是岩石力学的传统观点
[1，2]
。以野外观察到的裂
隙数据为基础，建立岩体三维不连续面网络模型， 在此基础上直接构筑三维空间中的面状数值网格进 行渗流分析是面状流模型的基本思路。除了边界和 力学参数的确定等所有三维模型所面临的共同困难 之外，算法复杂，计算量大是面状渗流模型的主要 困难。这也是目前管状流模型被较广泛采用，而面 状流模型用于野外实际渗流分析的实例还很少见的 主要原因[3
式中： q 为单位宽度上裂隙的流量， b 为裂隙张开 文[7]认为，对于粗糙裂隙，若在式(1)中加一个 修正系数 f 来反映裂隙表面的粗糙性，三次方定律 仍然适用，则式(1)变为 1 b3 q= ∆P f 12γ
cm)，用以观测自地表通过岩体裂隙进入竖井的流 (2)
量。观测得到的稳定总流量为 3.29×10
～ 5]
2
野外试验数据
为了研究地下深处岩体的力学特征，日本核动
。作者认为，面状流模型在详细刻画
渗流通道方面具有管状流模型无法比拟的灵活性， 只要对不同的单元给定不同的渗透参数，面状流就 可以产生管状流效果。从这个意义上讲，管状流模 型可以看作是面状流模型的一种特殊情况。 在面状流模型中，单个裂隙的渗透性由三次方 定律计算[6]，即
• 663 •
水试验得到的导水系数分摊到与此段钻孔相交的各
1
引
言
裂隙上去。这种方法的假设条件是非常苛刻的：裂 隙必须是无限大并与钻孔直交，裂隙之间不能交叉 或交叉之后对裂隙网络的导水能力无影响。 考虑到裂隙的有限性、相互交叉等影响因素， 要较准确的计算裂隙的导水系数，必须借助于非连 续裂隙网络模型。此模型无法得到简单的解析解， 必须通过数值法求解非连续裂隙网络渗流问题，并 通过模型的校正确定裂隙的渗流参数。本文结合一 个具体的野外实际渗流试验，探讨解决上述问题的 方法。
基于裂隙网络的消落带岩体劣化区域分布研究
第16卷第6期2020年12月地下空间与工程学报Chinese Journal of Underground Space and EngineeringVol.16Dec.2020基于裂隙网络的消落带岩体劣化区域分布研究”黄波林'，王健I,殷跃平2,朱赛楠$,代贞伟'(1.三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室，湖北宜昌443002；2,自然资源部地质灾害防治指导中心，北京100081；3.武汉地质调查中心，武汉433002)摘要：经过十多年的145-175m水位波动，三峡库区消落带碳酸岩岩体出现了明显的岩体劣化现象。
根据岩溶岩体劣化形成机理与地表水-地下水的活动密不可分，本文首次提出了基于裂隙网络的连通性和水力边界条件的劣化岩体空间分析方法。
利用增强Baecher模型、Levy-Lee分形裂隙模型、双变量fisher分布模型和双变量正态分布模型模拟随机裂隙位置和方位，构建定位裂隙与随机裂隙叠加的三维离散裂隙网络。
通过裂隙连通性分析，确定连通区位置。
考虑水力边界条件，利用相交分析圈定岩体劣化区空间展布情况。
以龚家坊消落带岩体为例，验证了方法的有效性，并讨论了大型结构面和层面的重要作用。
这一分析方法将有力推动三峡库区岩体劣化及防灾减灾相关工作。
关键词：岩体劣化；三维离散裂隙网络；连通性；劣化区空间展布；三峡库区中图分类号:TU42文献标识码：A文章编号:1673-0836(2020)06-1901-08Spatial Distribution Analysis of Degraded Karst Rock Mass inFluctuation Zone Based on Fracture NetworkHuang Bolin1,Wang Jian1,Yin Yueping2,Zhu Sainan2,Dai Zhenwei3(1.Hubei Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation,China Three Gorges University,Yichang,Hubei443002,P.R.China;2.Guidance Center for Geological Disaster Prevention and Control,Ministry of Natural Resources,Beijing100081,P.R.China;3.Wuhan Center of China Geological Survey,Wuhan433002,P.R.China)Abstract:After more than ten years of water level fluctuation between145ni and175m above sea level,the carbonate rock mass in the fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir has obviously deteriorated.According to the relationship between the formation mechanism of karst rock mass deterioration and the activity of surface water andgroundwater,based on the connectivity of fracture network and hydraulic boundary conditions,a spatial analysismethod for the distribution of deteriorated rock mass was proposed for the first time in this paper.The position and orientation of stochastic fractures were simulated by enhanced Baecher model,Levy-Lee fractal fracture model,bivariate Fisher distribution model,and bivariate normal distribution model.And a three-dimensional discrete fracturenetwork was constructed to locate the superposition of definite fracture and stochastic fractures.Through the analysisof fracture connectivity,the location of the connected zone was determined.Considering the hydraulic boundaryconditions,the intersection analysis was used to delineate the spatial distribution of deteriorated rock mass.Taking Gongjiafang as an example,the effectiveness of the method was verified,and the important role of large structuralplanes and layers was discussed.This analysis method will strongly promote the work of rock mass deterioration and*收稿日期：2020-(U-05(修改稿)作者简介:黄波林(1979-),男，湖北仙桃人，博士，研究员，博士生导师，主要从事水库地质灾害及涌浪灾害方面的研究o E-mail:bolinhuang@基金项目：国家重点研发计划(2018YFC1504803)；中国地质调查局项目(DD20190637)；三峡后续工作地质灾害防治项目(0001212019C C60001)1902地下空间与工程学报第16卷disaster prevention and mitigation in the Three Gorges Reservoir Area.Keywords:rock mass deterioration;3D discrete fracture network;connectivity;spatial distribution of deteriorated rock mass;Three Gorges Reservoir0引言2008年175m蓄水以来，在三峡库区碳酸盐岩岸坡区发生了多起新生地质灾害,例如龚家方崩滑体⑴；同时，新发现了一系列潜在地质灾害体引，它们的形成都与库区水位波动下碳酸盐岩岸坡消落带岩体劣化有关3】。
岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟研究
岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟研究邵建立; 周斐; 薛彦超; 杜后谦【期刊名称】《《煤矿安全》》【年(卷),期】2019(050)009【总页数】4页(P1-4)【关键词】双重介质; 渗流; 裂隙形状; 边界通量; 数值模拟【作者】邵建立; 周斐; 薛彦超; 杜后谦【作者单位】山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛 266590【正文语种】中文【中图分类】TD742+.3岩体渗流一直是矿山、水利水电、建筑等岩土工程的重要问题，流体在岩体裂隙中快速运移，也会相对缓慢的通过周围基质块中微小孔隙迁移。
采取合理的防渗措施是防控岩体渗流危害的有效手段，而准确地选取理论模型进行计算和模拟是预防和消除岩体渗流影响的关键[1-2]。
基于岩体具有裂隙和基质双重渗流过程，研究孔隙-裂隙双重介质渗流场发展变化规律尤为重要。
国内外学者已经针对裂隙岩体渗流特征进行了许多相关的研究。
朱斌[3]等结合开滦赵各庄矿14 水平开拓东大巷揭露的薄层煤岩体渗流演化过程进行数值模拟，通过调节渗透系数，获得了薄层煤岩体裂隙-孔隙双渗流在时间和空间上的孔隙水压变化过程；速宝玉[4-6]等通过实验研究裂隙岩体渗流应力耦合情况，阐明了单裂隙面的各种经验公式、间接公式及其适用条件，分析了裂隙岩体渗流应力耦合模型优缺点及目前工程应用情况。
李琛亮[7]等研制的双重介质渗流水力特性试验系统，研究了基于双重介质模型的水量交换以及渗流场的水压分布规律以及双重介质的水力性态和渗流机制，得出孔隙-裂隙双重介质水交换影响因子对双重介质水交换的影响能力；国外Barenblatt 提出均质、各向同性的孔隙-裂隙双重介质概念[8]，后续学者们开展了孔隙-裂隙双重介质模型及其解析和数值算法[9-10]。
Samardzioska[11]比较了岩体等效介质模型、裂隙网络模型和裂隙－孔隙双重介质模型的渗流演化规律，获得了不同介质假设下岩体渗流演化对比研究成果。
由于岩体内部不可视性和裂隙网络错综复杂，学者们难以可视化地揭露内部孔隙-裂隙渗流规律变化。
基于离散裂缝模型的裂缝性介质等效渗透率求解新方法
基于离散裂缝模型的裂缝性介质等效渗透率求解新方法张世明;严侠;孙红霞;黄朝琴;姚军【摘要】等效渗透率是裂缝性介质流动数值模拟中的关键参数,基于离散裂缝模型,考虑每条裂缝的空间分布和属性参数对流动的影响,建立了一种计算裂缝性介质等效渗透率的新方法.首先,对裂缝性介质进行粗网格划分,获取每一粗网格中的裂缝信息,采用封闭定压边界建立相应的离散裂缝流动数学模型,在此基础上应用Galerkin 有限元方法对此模型进行求解;然后基于达西定律和体积平均法求取粗网格的等效渗透率;最后,通过算例研究验证了本文方法的正确性和高效性.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)016【总页数】6页(P36-40,54)【关键词】裂缝性介质;等效渗透率;离散裂缝模型;有限元;体积平均法【作者】张世明;严侠;孙红霞;黄朝琴;姚军【作者单位】中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249;中国石化胜利油田地质科学研究院,东营257015;中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266580;中国石化胜利油田地质科学研究院,东营257015;中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266580【正文语种】中文【中图分类】TE319;O241.82裂缝性介质流动数值模拟一直以来都是石油、水文、水利水电等工业中的研究热点。
目前，国内外学者提出了多种裂缝性油藏数学模型，主要划分为三类:双重介质模型［1，2］、离散裂缝模型［3，4］和等效连续介质模型［5，6］。
双重介质模型可以在一定程度上反映裂缝性介质的优先流现象，并考虑裂缝系统和基岩系统的窜流，比较符合实际;但被裂隙分割的基岩被假定具有相同的大小和形状，过于简化而不能充分表现裂缝介质的各向异性、不连续性等特征。
同时，系统间窜流函数也难以确定，尤其是对于两相流或多相流问题尚没有成熟的理论。
离散裂缝模型是将裂缝显式表征，通过流量等效将裂缝进行降维处理，属于宏观尺度的精细模型。
裂隙岩体的渗流特性试验及理论研究方法
裂隙岩体的渗流特性试验及理论研究方法摘要：简要叙述岩体裂隙的几何特性，岩石裂隙渗流特性研究的方法。
综述了国内外裂隙岩体单裂隙、水力耦合、非饱和情况下的渗流特性物模试验研究成果，并做了相应的分析和讨论。
分析表明：物模试验在研究裂隙岩体渗流特性方面具有不可替代的作用；需要进行更多的模拟实际岩体裂隙的试验；真正意义上的非饱和渗流试验还很少；分析结果为今后的裂隙岩体渗流特性物模试验研究提供了有益的方向。
关键词：裂隙岩体；渗流 ；单一裂隙；水力耦合；非饱和一 前言新中国成立以后，交通、能源、水利水电与采矿工程各个领域遇到了许多与工程地质及岩土力学密切相关的技术难题，在许多岩土工程、矿山工程及地球物理勘探过程中，岩体的渗透率起到十分重要的作用，但在理论上尚未引起足够的重视，通常将岩体渗流处理为砂土一样的多孔介质，用连续介质力学方法求解。
与孔隙渗流的多孔介质相比，裂隙岩体渗流的特点有：渗透系数的非均匀性十分突出；渗透系数各向异性非常明显；应力环境对岩体渗流场的影响显著；岩体渗透系数的影响因素复杂，影响因子难以确定。
岩石裂隙渗流特性研究的方法通常有直接试验法、公式推导法和概念模型法，而试验研究是其中一个最重要最直接的途径。
本文介绍了当前裂隙岩体渗流试验研究。
二 岩体裂隙的几何特性岩体的节理裂隙及空隙是地下水赋存场所和运移通道。
岩体节理裂隙的分布形状、连通性以及空隙的类型，影响岩体的力学性质和岩体的渗透特性。
岩体中节理的空间分布取决于产状、形态、规模、密度、张开度和连通性等几何参数。
天然节理裂隙的表面起伏形态非常复杂，但是从地质力学成因分析，岩体总是受到张拉、压扭、剪切等应力作用形成裂隙，这种作用不论经历多少次的改造，其结构特征仍以一定的形貌保留下来，具有一定的规律性。
裂隙面形态特征的研究越来越受到重视，在确定裂隙面的导水性质及力学性质方面，其作用越来越大。
裂隙面的产状是描述裂隙面在三维空间中方向性的几何要素，它是地质构造运动的果，因而具有一定的规律性，即成组定向，有序分布。
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算例
简化后的裂隙网络(10m×10m×10m)
计算程序
结构面网络 生成系统
算例
其它系统
裂隙渗流 计算系统
渗透张量
算例
计算得到的各面流量（单位：m3/s）
流量 X向 Y向 Z向
T
B
F
H
L
R
5.76×10-7 1.05×10-7 1.12×10-6 1.74×10-6 6.96×10-8 5.23×10-7
倾向：28.8
倾角：44.6 倾角：10.3 倾角：43.5
算例
张量法的情况为：
渗透张量
6.826 10 -7
K
2.036
10 8
1.242 10 7
2.036 10 8 3.255 10 7 3.837 10 8
1.242 10 7
3.837 10 8
2.08×10-7 1.19×10-8 1.99×10-6 1.65×10-6 1.68×10-6 5.17×10-7
8.72×10-7 1.38×10-7 5.22×10-6 3.68×10-6 4.76×10-6 1.87×10-6
算例
3.41 10 -9 K 8.63 10 9
Px
0
k zx
k zy
k zz
q zx
q zy
q zz
0
1 Py
0
0
1
Pz
计算得到的各面流量
流量
T
B
F
H
L
R
X向
qXT
qXB
qXF
qXH
qXL
qXR
Y向
qYT
qYB
qYF
qYH
qYL
qYR
Z向
qZT
qZB
qZF
qZH
qZL
qZR
1.46 10 8
8.63 10 9 1.10 10 9 3.88 10 8
相应的主渗透系数：
1.46 10 8
3.88
10
8
4.73 10 9
kk21
3.63 2.34
10 8 10 9
k3 4.79 10 8
倾向：188.5 所在方位 倾向：288.8
4.725 10 7
主渗透系数：
kk21
3.079 4.325
10 7 10 7
所在方位
k3 7.402 10 7
倾向：170.0 倾向：45.9 倾向：269.6
倾角：19.8 倾角：57.3 倾角：24.8
结论与展望
对于一随机裂隙网络样本单元，可以通 过施加多组边界条件—其中一组对边存 在渗流梯度，另两组对边为自由梯度， 计算，得到与此相应的等效渗透张量。 本文提出的计算方法与通常意义上的求 解方法相比，具有计算次数少（仅需3次 计算），效率高的优势。
0
0 Py
0
0
q zx q zy q zz k zx k zy k zz 0
0 Pz
三维裂隙网络与连续介质的 渗流等效方法
1
0
0
k k
xx yx
k xy k yy
k k
xz yz
q q
xx yx
q xy q yy
q xz q yz
结论与展望
利用现场采集的 结构面数据和压 水试验成果数据， 进行场景模拟， 得到其渗透张量。
抽水试验的场景试验模拟示意图 (La Pointe et al效方法
模型的边界条件断面视图
三维裂隙网络与连续介质的 渗流等效方法
推导
达西定律
Q kAP
q kP
张量
q q
xx yx
q xy q yy
q xz q yz
k k
xx yx
k xy k yy
k xz k yz
Px
第五届全国水利工程渗流学术 研讨会
三维裂隙网络与多孔介质 渗流的等效方法研究
李新强 陈祖煜 email:lixq@ 中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所
2006.10
引言
岩石（体）力学 岩石（体）水力学 结构面 介质
等效连续介质模型：试验和岩体结构面 调查，确定岩体的渗透性 张量分析方法
通常情况下渗透张量的确定方法
K
渗透张量分析图
三维裂隙网络与连续介质的 渗流等效方法
渗透张量椭球
三维裂隙网络与连续介质的 渗流等效方法
图2 仅对边施加水力梯度边界的模型
三维裂隙网络与连续介质的 渗流等效方法
沿ii旋转90度视图
图3 计算模型的边界条件
沿ii方向施加等水头边界，另两个方向为变水头边界