开挖动态卸荷对节理岩体渗透特性的影响研究

第26卷增2岩石力学与工程学报V ol.26 Supp.2 2007年12月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2007 开挖动态卸荷对节理岩体渗透特性的影响研究金李，卢文波，周创兵，孙金山(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072)摘要：利用应力波理论分析高地应力条件下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷效应，探讨卸荷松动后节理岩体渗透特性的变化规律。

研究结果表明，高地应力作用下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷松动效应显著，其影响必须考虑。

开挖荷载幅值、岩体弹性模量和节理分布间距等因素通过影响节理开度而影响岩体的渗透特性；岩体中完整母岩与节理岩体的结合部位往往是开挖松动较大的部位，其渗透系数变化明显。

对于等间距平行节理组垂直切割的直立坡岩体，若岩体的弹性模量由坡外向坡内呈线性增大，计算得到的节理岩体渗透系数分布符合幂函数衰减规律(由坡外向坡内)；若节理岩体的弹性模量由坡外向坡内无变化，则开挖动态卸荷松动现象不会发生。

关键词：边坡工程；节理岩体；动态卸荷；渗透系数；开挖中图分类号：P 642.22；TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)增2–4158–06 STUDY ON PERMEABILITY OF JOINTED ROCK MASS AFTER DYNAMIC UNLOADING OF INITIAL STRESS DURINGROCK EXCA V ATIONJIN Li，LU Wenbo，ZHOU Chuangbing，SUN Jinshan(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan，Hubei430072，China)Abstract：The theory about stress wave and its propagation is employed to analyze the effect of dynamic unloading during excavation of jointed rock mass slope under high geostress. And the change rule of permeability of joints after loosing of unloading is discussed. The results demonstrate that a sudden unloading of high in-situ stress will make a remarkable loosing effect during excavation of jointed rock mass slope under high geostress，which should be considered. The factors，such as value of unloading during excavation，modulus of elasticity of rock mass，distribution of joints，etc.，will influence the permeability by the way of affecting the openings of joints. The interface between integrated bedrock and joined rock mass is always the obvious loosing position during excavation，which gets a prominent change of permeability coefficient. For the rock mass of vertical slope which is divided vertically by a set of parallel joints with equal spacing，if modulus of elasticity of rock blocks linearly increases from outside to inside，the results of calculation present a rule that the value of permeability coefficient decreases exponentially(from outside to inside)；while if modulus of elasticity is constant，there is no loosing effect of unloading during excavation.Key words：slope engineering；jointed rock mass；dynamic unloading；permeability coefficient；excavation收稿日期：2006–10–18；修回日期：2006–12–08基金项目：国家杰出青年科学基金(50725931)；国家自然科学基金面上项目(50779050)；雅砻江水电开发联合研究基金项目(50639100，50539100)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET–06–0616)作者简介：金李(1983–)，男，2006年于武汉大学水工结构工程专业获硕士学位，现为博士研究生，主要从事与爆破开挖相关的岩石动力学问题第26卷增2 金李，等. 开挖动态卸荷对节理岩体渗透特性的影响研究 • 4159 • 1 引言在“西部大开发”战略的指导下，水电工程的建设逐渐向西部转移，目前在建和即将建设的许多水电工程都位于西部的高山峡谷地区，如瀑布沟、溪洛渡、向家坝等。

这些工程的建设中面临许多施工技术难题，其中之一是地下硐室群的开挖及高边坡开挖过程中引起的高地应力卸荷问题，特别是卸荷后岩体变形和稳定性问题最为关注。

而渗流作用是岩体稳定性中必须考虑的重要因素，因而高地应力的开挖卸荷对岩体渗流的影响也就成为目前岩石力学领域研究的重点和热点。

关于岩体开挖的卸荷效应，国内学者[1～7]进行了广泛研究，在卸荷松动机制、岩体变形和强度特性及数值模拟等方面取得了许多重要的成果。

特别是国内三峡工程的建设，使得节理岩体的卸荷问题倍受关注，卸荷分析也从传统的静载模式开始向动力学分析模式转变[8]。

关于节理岩体的渗透特性，已经建立了许多力学计算与分析模型，并开展了相关试验[9～12]。

研究成果表明，节理开度和应力的变化将不可避免地对岩体的渗透性造成影响。

理论分析、数值模拟和工程实践都表明岩体渗透性的改变将对岩体的稳定性造成影响，甚至可以导致工程事故[13～19]。

节理岩体的卸荷改变了节理开度和应力分布，因而使得岩体的渗透特性发生变化。

然而以往的研究较少涉及动态卸荷作用对节理岩体渗流的影响，也缺乏这方面的机制分析。

本文通过对节理岩体动态卸荷效应的分析，探讨动态卸荷作用对节理岩体的渗透特性的影响机制和基本规律，为节理岩体的变形及渗流稳定分析提供参考依据。

2 理论分析2.1分析模型为了简化分析，考虑的是简单的边坡模型，如图1所示，模型为平行的垂直节理组和水平节理切割的直立边坡，右端为开挖形成的直立边坡，垂直节理组将岩体切割成N块。

分析时假定节理面无黏结强度，水平节理不张开，且岩块满足“平截面假定”，同时假设第N个岩块后的母岩刚度很大，近图1 分析模型示意图Fig.1 Schematic diagram of model for analysis高地应力下节理岩体的爆破开挖的物理力学过程是一个高速的动态卸荷过程，主要特点是卸荷速率高，释放应力大，岩体松动特征明显。

在以往的研究中，对开挖卸除的荷载做过的假设主要有瞬态卸荷和延时卸荷两种[7]，本文仅考虑瞬态卸荷的情形。

设开挖前直立边坡存在的初始地应力为hσ，开挖时应力瞬间释放。

2.2 动态卸荷分析考虑单个岩块的运动，岩块卸荷经历两个阶段：恢复部分弹性变形阶段和整体运动阶段[8]。

由应力波理论可知，对于节理组的情形，在卸荷波传到节理面时，要考虑节理面是否张开的情况，如果节理面未张开，运动属于一阶段，节理面张开则进入第二阶段。

由于第二阶段为减速运动，因而不会发生追赶碰撞的情况，这样就将求解节理组的情形就按时间顺序分解成了求解单个节理的情形。

为了正确判断节理面张开的情况，利用卢文波等[8]研究成果中的式(12)来计算各个块体的大致位移(忽略了能量损失)。

然后通过考察岩块两端位移的大小，就可确定节理面是否张开的情况。

首先分析单个岩块的运动，设长度为l，运动规律服从波动方程：2222()()u x t E u x tg ft xρ∂∂=+∂∂，，(1) 式中：()u x t，为距原点距离为x的截面在t时刻的水平位移，ρ为岩块的密度，f为摩擦因数，E为岩体的弹性模量，g为重力加速度。

由应力波理论可知，波速C=。

仅考虑摩擦力做功，根据能量守恒定理，卢文波等[8]得到了计算岩块的刚体位移公式：2h h14lE gf Eσσ∆ρ=(2) 根据式(2)可以判断节理面是否张开，从而针对不同边界条件求解式(1)来得到岩块的位移。

由式(2)可知，岩块的长度l越大，则刚体位移∆越小；弹性y• 4160 • 岩石力学与工程学报 2007年个岩块长度为i l ，第i +1个岩块长度为1i l +。

进行时间坐标变换121()/i tt l l l C −=−+++ "，张开的时刻为open /i tl C = ，以岩块左端为坐标原点建立坐标系，则第i 个岩块的位移通过求解式(1)得h 22132233open 20012sin 82cos 21611cos sin 22 (0)()2cosi n i i i i i i i n n i i n n l Cn tE n l gfl Cn t n xC n l l t t l l gf u x t t t C C l Cn t C l l Cn σψϕϕψ∞=∞=π⎡⎢π−−⎢π⎢⎣⎤⎛⎞ππ−⎥⎜⎟π⎥⎝⎠⎦⎛⎞⎛⎞=−+−++⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎡⎛⎞π−⎜⎟⎢⎝⎠⎢+⎢⎢⎣π∑∑"" ，，，，＜≤，open s sin cos ()i i i l Cn t n x C l l t t t ⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎤⎛⎞π−⎪⎜⎟⎥π⎝⎠⎪⎥⎪⎥⎪⎥⎦⎪⎪⎩ ＜＜ (3) 式中：s t 为岩块停止运动的时间，其中的系数分别为0open 0 0open 0 open 0 open 01()d 1()d 2()cos d 2()cos d iiiil il i l n i il n i i u x t x l v x t xl n x u x t x l l n x v x t x l l ϕψϕψ⎫=⎪⎪⎪⎪=⎪⎬π⎪=⎪⎪⎪π=⎪⎭∫∫∫∫ ，，，， (4) 若二者之间的节理面不张开，此时将第i 个岩块和第i +1个岩块合并成一个整体岩块I 考虑，长度1I i i l l l +=+，再利用式(2)比较长度分别为I l 和2i l +的岩块是否张开，张开则利用式(3)求解；否则继续将第i +2个岩块与其合并，如此类推。