岩体节理三维网络模拟技术及渗透率张量分析

第23卷 第21期

岩石力学与工程学报 23(21)：3591～3594

2004年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2004

2004年3月8日收到初稿，2004年6月8日收到修改稿。

* 国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412704)和国家自然科学基金(50374064，50334060)资助课题。

作者 王贵宾 简介：男，1975年生，1999年毕业于武汉大学建筑工程系工民建专业，现为博士研究生，主要从事岩体节理及渗流方面的研究工作。E-mail ：wgb201@ 。

岩体节理三维网络模拟技术及渗透率张量分析

*

王贵宾 杨春和 殷黎明

(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室 武汉 430071)

摘要 在现场地质调查的基础上，对节理开度的概率分布函数进行了拟合，并进行了假设分布的有效性检验。这样，在进行节理三维网络模拟时，就可以生成具有厚度的圆盘来模拟岩体节理的空间分布。岩体节理的渗流量正比于节理开度的三次方，在Monte-Carlo 法生成的模拟节理开度的三维节理网络的基础上，结合所述方法对岩体渗透率张量进行分析，使岩体渗透率张量的计算更加合理可行，且计算结果能更加客观地反映岩体的渗透特性。 关键词 岩石力学，岩体节理，节理开度，三维模拟，渗透率张量

分类号 O 357.3，TU 452 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)21-3591-04

3D NETWORK SIMULATION TECHNIQUE OF JOINTS IN ROCK MASS

AND PERMEABILITY TENSOR ANALYSIS

Wang Guibin ，Yang Chunhe ，Yin Liming

(Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics ，Institute of Rock and Soil Mechanics ，

The Chinese Academy of Sciences ， Wuhan 430071 China )

Abstract On the basis of field geology survey ，the probability distribution function of joint aperture is fitted and the availability of the fitting is verified. So the discs with thickness can be generated to simulate the joint. The permeability tensor of rock mass is proportional to the third power of joint aperture. It is more reasonable to analyse the seepage of rock mass combining the simulated 3D network with joint aperture by the method in the paper. The calculation of permeability tensor comprehensively considers the effect of joint orientation ，aperture ，scale and distribution. Key words rock mechanics ，rock mass joint ，joint aperture ，3D simulation ，permeability tensor

1 前 言

经过长期的研究比较发现，将高放核废料进行深层地下储存是切实可行的方案。要进行核废料地下储存库的选址和概念库的设计以及进行核素迁 移规律的研究和稳定性评估，准确确定岩体节理裂隙的三维分布状况是必不可少的。自然界中大多数 岩体是非均匀、非连续、各向异性的特殊材料，岩

体内部存在着形态、产状、规模等各不相同的不连

续面，在三维空间中呈复杂的网络结构特征。在地质调查的基础上，对岩体结构条件进行有效的描述和定量化分析，是进行岩体工程力学特性判断的 基础。近20 a 来，用统计学方法对岩体结构参数进行定量化描述和分析，采用Monte-Carlo 法对岩体节理网络进行计算机模拟已取得了显著的研究成 果[1

～4]

。

然而，在三维节理网络模拟的过程中，目前仍

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然假设节理是没有厚度的光滑平面。实际上，节理的几何形态是复杂的，节理具有一定的开度，在多数情况下具有起伏度和粗糙度，没有开度的光滑平面不足以代表节理的实际情况。岩体节理的开度和粗糙度以及填充情况对节理本身的性质、岩体的质量与稳定性、渗流等有着十分重要的影响。结构面开度的大小及其分布形式控制着结构面的摩擦系数、粘聚力和渗透特性。文[5，6]的研究表明，岩体的渗流量正比于节理开度的三次方。即使是非常缓慢的渗流，也可能引起严重的核污染，因此，在进行节理网络的模拟时，考虑节理开度的三维网络的模型更加符合实际情况，利用它能够更加准确地揭示地下水的渗流规律，为有效地控制核素迁移提供可靠的依据。

2 考虑节理开度的三维网络模拟模型

目前，三维网络模拟还不具备模拟节理开度的功能，为了更好地模拟真实情况、合理地反映岩体的结构特征，进行三维节理网络数值模拟时，必须对节理的开度进行模拟。在节理网络模拟过程中，进行节理开度的偏差校正及分布函数的拟合，并利用Monte-Carlo法生成具有厚度的圆盘模拟节理。真实节理的开度是有一定的变化的，很难以简单的数学关系准确地表达节理开度的变化和粗糙起伏特征，在进行节理测量及其分布函数的拟合时，假设每一节理的开度是不变的。

岩体节理三维网络数值模拟是涉及复杂岩体多方面几何参数的数值模拟工作，它分为以下几个步骤：

(1) 详尽的野外地质原型调查。一般是采用窗口统计法获得露头和节理的几何参数，通过地质调查获得以下数据：露头类型、露头产状、露头规模、测线位置、测线产状以及表1中节理面的各项几何参数。

(2) 岩体结构统计均质区的划分。岩体节理不同的格局导致了岩体的不均匀性，通过均质区的划分确定相似岩体结构的边界。

(3) 节理优势组数的划分。将节理面产状数据以其极点投影到吴氏网上，并利用极点等密度图来进行节理面优势组数的划分。

(4) 节理面迹长、间距、产状等测量偏差的校正。节理数据观察值总会存在取样偏差，在进行节理的几何参数统计推断之前必须予以校正。

(5) 圆盘直径分布函数，节理面密度、节理面产状等的分布密度函数的拟合。把观察值划分为若干个区间，求得各区间内的相对频率，并做成频率直方图，然后，进行分布密度函数的拟合并检验其有效性。

(6) 根据第(5)步得到的分布密度函数利用Monte-Carlo法模拟生成三维空间中的节理网络。

在甘肃北山核废料处置库候选场址1# 钻孔周围近1.5 km2的范围内进行仔细的踏勘布设，选择露头点位39个，然后，认真布设测线，测量露头产状，逐条测节理，详细记录每条节理的位置、产状、迹长、隙宽和充填情况等。针对目前三维网络模拟中对节理开度的研究不充分的现状，在现场量测节理时对节理开度和充填情况进行了详细的记录。部分测量结果如表1所示。

表1 地面露头节理测量数据表

Table 1 Field survey data of surface outcrop joints

位置/m倾向/(°)倾角/(°)迹长/m 节理开度/mm 充填情况

0.00 235 76 5.59 6

1.72 313 74 0.80 8 杂草、泥土

2.41 314 81 4.00 4

2.90 316 83 4.00 2

3.40 313 82

4.00 4

3.90 341 82 1.60 2

4.20 358 81 1.90 2

4.45 316 80 4.00 4

4.50 285 82 4.55 红色岩脉1 cm

选取位置接近的6个露头的150条节理进行开度的分布统计及拟合。统计结果及拟合曲线如图1所示。统计结果表明，开度小的节理所占的比例很大，开度小于2 mm的节理占50％左右；随着开度的增加节理所占的比例逐渐减少；开度分布的累积频率和拟合的概率分布曲线如图1所示，拟合所得的概率分布函数可以用指数函数表示为

x

x

F34

316

.0

e

1

)

(−

−

=

利用文[2]中的K-S检验法进行假设分布的有效性检验。取置信水平=

α0.05，查表得临界值=

α

n

D

0.111，计算得实际上的最大差值=

n

D0.027。n D＜

α

n

D，所以，在置信水平=

α0.05上接受假设的指数分布。

对所得的概率分布函数求导可得开度的概率密度函数为