工程渗流分析与控制 林亚伟 141302020032,水工2班

一、裂隙岩体渗流模型分析
裂隙岩体渗流模型的建立是进行裂隙岩体渗流分析的基础，现在已经有不少学者提出了 各种各样的裂隙渗流模型，但是每种模型都有其不足之处，所以如何建立和选择一个较为完 善的裂隙岩体渗流模型仍然是一个继续解决的问题。对于当前已有的各种模型来分析，他们 的研究方向主要是两个： 第一、考虑岩体中裂隙系统和岩块空隙系统之间的水交替过程，即所谓的“裂隙——孔 隙双重介质模型” 。 第二、忽略两类系统的水交替过程，称为“非双重介质模型” 。
Review of the methods of analysis of Rock Mass Seepage Advances
Lin Yawei Abstract: Seepage in rock mass is the common Geotechnical Engineering problem in hydropower engineering，constructional engineering，transportation engineering and etc．There is a significant impact and even restrictive function on stability of a slope，a dam foundation and the bearing capacity of foundation rock． Summarize some aspects of seepage results through the analysis of the literature about seepage in rock mass at home and abroad in recent decades．They are analysis of modeling seepage field in fractured rock mass，Numerical analysis，osmotic coefficient，numerical simulation in seepage field and coupled seepage，stress and temperature fields． Key words: seepage in rock mass； model analysis； finite element； Numerical analysis； osmotic tensor； anisotropy； coupled seepage；stress and temperature fields
引 言
在人类工程活动中，一方面由于工程的开挖，工程荷载施加于岩体之上，改变岩体内部 应力场的分布，从而影响岩体的结构，引起岩体中地下水性质及地下水力学特性的改变；另 一方面，由于工程岩体的出现，改变了区域性或局部地下水的补给、径流和排泄条件，形成 人工干扰下的地下水渗流场，进而地下水对岩体的力学作用的强度、作用的范围以及作用的 形式亦发生改变，最终影响裂隙岩体的稳定性。 对于坝基、边坡和路基等的破坏，渗流起着 非常重要的作用。 渗流是流体通过多孔介质或裂隙介质的流动，是一种与人类的部分工程活动紧密相关的 现象。渗流的相关理论在水电工程、边坡工程、以及基础工程等方面都有着重要的应用。 18 世纪中叶，达西通过试验总结出了著名的达西定律即：平均渗透速度与渗透坡降成正比。后 来基于 Darcy 定律建立的经典渗流理论发展迅速，直至上世纪 60 年代，此理论也一直不加论 证地被沿用来求解裂隙岩体中渗流问题。对于经典的渗流理论来说，其前提是连续介质假设， 而众多工程实例和科学研究表明：岩体渗流和土体渗流之间有着本质的区别。曾经有学者提 出过相关的研究分析，如前苏联学者早在 20 世纪 50 年代中期就发表了一份具有开创性的关 于裂隙岩体渗流研究的报告，但是直到 1959 年法国马尔帕塞拱坝的溃决失事和 1963 年意大 利瓦依昂拱坝上游库区大滑坡等事故，人们才逐渐意识到岩体渗流研究的重要性和迫切性。 岩体中普遍存在着断层、节理和裂隙等各种不连续面,这些不连续面往往对岩体的渗流和 应力特性起着控制性作用。针对岩体的这一特点,学者们先后提出了多种数值仿真计算方法。 归纳起来,这些方法无外乎基于两套体系：以有限元法、有限差分法为代表的基于连续介质力 学的方法,以离散元法、 块体元法、 不连续变形分析方法为代表的基于非连续介质力学的方法。 新近发展的无网格法和数值流形法则能同时考虑材料的连续和非连续变形能力。 大多数情况下，对于土体渗流分析可以采用多孔连续介质渗流理论， ，但是对于存在裂隙 的土体，多采用裂隙岩体渗流分析方法惊醒渗流分析。岩体的裂隙网络是裂隙岩体渗流与应 力分析的物理基础，但是，实际情况中的岩体裂隙网络的分布式非常复杂的，用人为方法无 法全面描述岩体系统内裂隙的展布。 对于天然岩体来说，其中存在着大量的空隙和裂隙，这些缺陷不仅大大改变了岩体的力 学性质，如变形模量及强度参数降低，岩体呈各向异性，也改变了岩体的渗透特性。裂隙岩 体渗流场一应力场的耦合分析是研究地下水活动规律的首要问题，也是进行岩石力学分析的
1.1 裂隙——孔隙双重介质模型
裂隙——孔隙双重介质模型是由前苏联学者 Barenblatt 提出的，他把岩体看作由孔隙和裂 隙组成的双重介质空隙结构，孔隙介质和裂隙介质均处于渗流区域内，形成连续介质系统， 在该系统内，孔隙体积远大于裂隙的体积，而裂隙的导水性远高于孔隙的导水性，因此孔隙 介质储水，裂隙介质导水。该模型认为裂隙岩体是由孔隙性差而导水性强的裂隙系统和孔隙
1.2 非双重介质模型
裂隙岩体渗流分析的另外一种模型是非双重介质模型，它忽略岩体中裂隙系统和岩块孔 隙系统之间的水交换方程，着重研究裂隙的导水作用。该模型应用时不受岩体中裂隙配置关 系的限制，并能反映裂隙岩体渗流的非均匀、各向异性等特性。非双重介质模型主要包括等 效连续介质模型、离散裂隙网络模型和结合两者优点的等效——离散耦合模型。 1.2.1 等效连续介质模型 等效连续介质模型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 称张量的各向异性连续体，然后利用经典的连续介质理论进行分析。Snow、Long、Oda、张 有天和田开铭等都相继对此进行了研究。等效连续介质模型的突出优点是可以沿用各向连续 介质理论进行分析，无论在理论上还是在解题方法上均有雄厚的基础和经验，而且不需要知 道每条裂隙的确切位置和水力特性，对于那些不易获得单个裂隙数据的工程问题不失为一个 很有价值的工具。但等效连续介质模型在应用时还存在两个方面的问题：一是裂隙岩体等效 渗透张量的确定，二是等效连续介质模型的有效性不一定能得到保证。 1.2.2 离散裂隙网络模型 离散裂隙网络模型是在搞清每条裂隙的空间方位、裂隙宽度等几何参数的前提下，以单 个裂隙内水流基本公式为基础，利用流入和流出各裂隙交叉点流量相等的原则建立方程，然 后通过求解方程组获得各裂隙交叉点的水头值。针对离散裂隙网络模型 Wittke、Louis、毛昶 熙、Wilson、Long、Nordqvist、Dershowitz、万力等主要研究者提出了不同的研究方法。 在这些方法中，对于三维问题，有限元方法是模拟离散裂隙网络模型的一个最为有效和 方便的方法。如果可以忽略裂隙交叉处的水流干扰，为节省工作量，则以平面单元来模拟裂 隙面，以裂隙面的交叉点为结点，因此由裂隙网络中各局部裂隙面上的二维流动构成整体的 三维流动。 由于各裂隙单元不在同一平面上， 因此首先需对每个裂隙单元建立局部坐标系 oxy, 在局部坐标系 oxy 中,可以将裂隙单元上的水流视为局部二维各向同性流，分别建立各裂隙单 元的有限元支配方程 [K]h
林亚伟 （河海大学水利学院 南京 210098）
摘要：岩体渗流是水电、建筑、交通等土建工程中常见的岩土工程问题，而且对于边坡稳定、 坝基稳定及基础岩体承载力都具有显著的影响以及制约作用。通过对近几十年来国内外岩体 渗流的文献的整理分析，归纳出岩体渗流的如下几个方面的研究成果，分别是裂隙岩体渗流 模型分析、数值分析、渗透系数、渗流、应力和温度场耦合作用。 关键词：岩体渗流；模型分析；有限元；数值分析；渗透张量；各向异性；渗流、应力和温 度多场耦合作用
性好而导水性弱的孔隙系统共同构成的统一体。它考虑了两类系统之间的水交替过程。先基 于达西定律分别建立两类系统的水流运动方程，再利用两类系统之间的水交替方程将其联系 起来，根据水交替方程的建立方法，又可将其分为拟稳态流模型和非稳态流模型。 1.1.1 拟稳态流模型 拟稳态流模型认为裂隙系统与岩块孔隙系统的水交替量和两类系统中的水头差成正比， 又由于水交替量是时间的隐式， 因此称为拟稳态流模型。 该模型的主要代表人物有 Barenblatt、 Warren 和 Rott 等。Barenblatt 首先提出了水力双重介质的概念，其主要观点是：(1)裂隙系统 和岩块孔隙系统皆遍布整个区域，形成两个重迭的连续体，在渗流场中每一点都具有两个水 头值——该点附近岩块孔隙系统中的平均水头值和裂隙系统中的水头值；(2)岩块的渗透率比 孔隙率小几个数量级，而裂隙的渗透率比孔隙率大几个数量级，水在岩体中的运动就表现为 两类不同系统之间的激烈水交换；(3)假设裂隙和孔隙岩块皆为均质、各向同性。但是该模型 的主要缺点是不能反映裂隙岩体及其中水流普遍具有的各向异性特点。 因此，Warren 和 Rott 在该模型的假设的基础之上，又对裂隙系统的几何特性和渗透特性 增加了新的限制，从而使得该模型能够考虑到裂隙岩体的渗透特性普遍具有各向异性的特点， 较 Barenblatt 模型前进了一步， 但它也是有局限性的， 它只能应用于均质的正交裂隙网络模型。 1.1.2 非稳态流模型 非稳态流模型认为：两类系统的水交替是通过岩块孔隙中的水向裂隙中的流动来完成的， 根据岩块孔隙中的水流运动规律来建立水交替方程。由于水交替量是时间的显式，因此称之 为非稳态流模型。在非稳态流模型中，根据对裂隙系统空间配置的不同假定，目前主要包括 平行裂隙非稳态流模型和组裂隙非稳态流模型。 因此我们可以知道，裂隙——孔隙双重介质模型的突出优点是考虑了两类不同系统之间 的水交替过程，它尤其适合于考虑流体在裂隙含水层中的贮存作用，对于从埋深千米以上的 高压裂隙储层中采油或含稀有元素的古变质水时，有一定的指导意义。但在它所包含的两种 模型中，拟稳态流模型是假定水交替量与两类系统的水头差成正比，不直接为时间的显式， 实际上这会带来很大误差。对于非稳态流模型，水交替方程是与裂隙系统的空间配置有关的。 为了建立水交替方程，所有这些模型对裂隙系统的配置和形状都作了一定的限制，这样就局 限了这些型的应用，在实际工程中，需根据岩体中裂隙的实际发育情况谨慎选用。因此裂隙 ——孔隙双重介质模型尚需进一步完善。
重要组成部分。裂隙岩体渗流场—应力场的之间的耦合关系为：地下水压的变化会引起岩体 中应力分布的改变，而岩体中应力的改变又引起岩体中孔隙的变化，从而反过来又改变地下 水流量与水压力。因此，地下水受应力场的控制，而应力场又受到渗流的影响。 根据统计数据可以看出来，绝大部分的自然边坡以及人工边坡的破坏都与地下水的活动 有关。又有相当一部分的大坝失事跟岩体的渗流情况有关。因此，在当下国民建设日益兴盛 的情况下，岩体的渗流分析研究是当务之急。国内外对裂隙岩体的渗流情况都有相关的研究， 国外学者在裂隙岩体渗流的计算模型、渗透张量、渗流数值模拟和变形与渗流等方面的研究 均取得了令人瞩目的成就，国内 80 年代初才开始开展岩体渗流的研究，几十多年来，在裂隙 岩体渗流的基本理论、计算方法、试验方法、渗流—应力耦合作用及渗流控制等方面取得了 很大的进展。本文主要研究的内容是，对裂隙岩体的渗流模型分析、裂隙岩体渗流场渗透系 数研究。在有限元法的框架下,为降低网格划分的难度,提出了几种新的或改进的数值方法： 不连续有限元法、开挖模拟的动态有限单元法和改进的叠单元法。同时,由于基于非连续介质 力学的方法能很好的描述岩体有别于其他材料的渗流和应力特性,本文基于块体单元法,对三 维随机裂隙岩体的块体识别方法和渗流、应力及耦合特性进行了研究和探讨。
工程渗流分析与控制论文
岩体渗流分析方法研究综述
Review of the methods of analysis of Rock Mass Seepage Advances
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
学院：水利水电学院 姓名：林亚伟 学号：141302020032 指导老师：岑威钧 沈振中
2014 年 11 月 日
岩体渗流分析方法研究综述