巖體中地下水滲流模擬的主要方法及其適用性

1．巖體中地下水滲流模擬的主要方法，并評述其適用性巖體水流是由滲透介質(zhì)空間的結(jié)構(gòu)特征來描述的，表征這種特性的概念模型，是建立巖體滲流數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。目前巖體滲流模型正是沿對滲流介質(zhì)認(rèn)識、概化的基礎(chǔ)上向前發(fā)展的，可分為三類：1裂隙－孔隙雙重介質(zhì)模型裂隙－孔隙雙重介質(zhì)模型是建立在雙重孔隙度介質(zhì)這一概念的基礎(chǔ)上的，是將裂隙巖體視為由貯水性差而導(dǎo)水性好的裂隙系統(tǒng)和貯水能力強(qiáng)而導(dǎo)水性弱的巖石孔隙系統(tǒng)共同構(gòu)成的連續(xù)介質(zhì)體，并且考慮了兩類系統(tǒng)之間的水交替過程。2．裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)滲流模型(FlowModelinFracturedNetworkSystem)。把巖體看成是由單一的按幾何形態(tài)有規(guī)律分布的裂隙介質(zhì)組成，巖體中的巖塊滲透性極弱，可忽略不計。用裂隙水力學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)(如裂隙產(chǎn)狀、裂隙間距和隙寬等)來表征裂隙巖體內(nèi)滲透空間結(jié)構(gòu)的具體布局，所以在這類模型中，裂隙的大小、形狀和位置都在考慮之列。這類巖體滲流模型稱為巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)滲流模型(FlowModelinFracturedNetworkSystem)。3．等效連續(xù)介質(zhì)模型：則是將裂隙中的水流等效平均到整個巖體中，將裂隙巖體模擬為具有對稱滲透張量的各向異性連續(xù)體，然后利用經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)滲流理論進(jìn)行分析、求解。利用可在現(xiàn)場測量的裂隙水力參數(shù)(或幾何參數(shù))，如裂隙的方位、密度、張開度等來表征巖體內(nèi)滲透空間的滲流特性或滲流空間結(jié)構(gòu)的具體格局?？捎行У姆从硯r體滲流的非均勻、各向異性等特征，是目前研究最多、應(yīng)用最廣的模型。等效連續(xù)介質(zhì)模型的突出優(yōu)點是可以沿用理論上較為成熟的各向異性連續(xù)介質(zhì)理論進(jìn)行分析。從廣義上講，任何裂隙巖體均具有“雙重介質(zhì)”的性質(zhì)，只不過巖石孔隙系統(tǒng)的發(fā)育程度隨巖石成因、巖性、結(jié)構(gòu)及年代等地質(zhì)特征而異，變化較大，應(yīng)從孔隙系統(tǒng)對水在裂隙巖體中的貯存和運(yùn)移所起作用的角度來認(rèn)識它，如研究埋深在千米以下的裂隙巖層中地下流體(石油、深層鹵水等)運(yùn)移特征時，巖層中孔隙與微裂隙在其中起著重要作用，此時應(yīng)采用雙重介質(zhì)模型。然而必須指出的是，運(yùn)用裂隙－孔隙雙重介質(zhì)模型，為獲取所需參數(shù)的現(xiàn)場工作和計算過程畢竟比較復(fù)雜，因而限制了其在實際問題中的應(yīng)用。羊離散裂隙網(wǎng)絡(luò)猛模型對巖體裂辨隙網(wǎng)絡(luò)體系中垂每條裂隙都加驚以具體的模擬召，并力圖得到沿裂隙體系中各帶點的真實滲流痛狀態(tài)，顯然具逃有客擬真性好、精臟度高等或優(yōu)點，但當(dāng)裂秘隙較多或研究帖區(qū)域較大時，婆其工作量相當(dāng)溝大，甚至可能沫難以實現(xiàn)；另騎外，由于裂隙幅分布具有隨機(jī)充性，要建立離礦散的真實裂隙麗系統(tǒng)也較為困境難，因此，子除了較簡單的且條件，離散裂頁隙網(wǎng)絡(luò)模型尚脫難在實際工程責(zé)中廣泛應(yīng)用奏。型假等效連續(xù)介質(zhì)孤模型茫沿用理論上較待為成熟的各向?qū)ぎ愋苑蔷|(zhì)連深續(xù)介質(zhì)滲流理撇論燭，以大量實測深的裂隙系統(tǒng)幾酒何參數(shù)求取的潤巖體滲透張量跑表征由裂隙系掉統(tǒng)結(jié)構(gòu)所確定殼的滲流特性，挖在實際工作中殃具有廣泛的應(yīng)泊用前景。杰2阻試述地下水在寨斜坡變形中的蒸作用躍水是影響斜坡鞋穩(wěn)定性的最重賄要的原因之一妄，水對邊坡的武水力學(xué)作用，柜主要包括握靜水壓力延和盆動水壓力辣兩大方面，其煙中靜水壓力又其分為巖體的浮王力、底滑面的坦浮托力和側(cè)滑礙面的靜水壓力鈴，動水壓力主廊要由邊坡巖體年中水頭差引起爹。戀力學(xué)作用形式績和邊坡的巖土槳體的介質(zhì)類型澡有關(guān)，主要和顧巖土體的透水躺性能有關(guān)。尤力學(xué)作用大小基與水位的高低踏以及水位的動撞態(tài)變化有關(guān)。辣地下水在巖土平體中的賦存、拜運(yùn)動形式不同啟，表現(xiàn)出不同竄的力學(xué)效應(yīng)和古計算方法，它罩們可能在坡體輩中單獨存在，絲有時也共同作饅用。腦邊坡巖體介質(zhì)板分類疫透水介質(zhì)粉：松散土體邊漁坡和節(jié)理化程棗度較高的碎裂村結(jié)構(gòu)和散體結(jié)摘構(gòu)巖體邊坡。湖地下水在巖土舉體中形成自由民運(yùn)動的潛水，矛受大氣降水或猛河水補(bǔ)給并影日響變化。巖土連體內(nèi)水力聯(lián)系衡暢通，有統(tǒng)一露的地下水位面襯。范隔水介質(zhì)侍：嚴(yán)格地講，弓自然界不存在灑完全隔水的介萍質(zhì)。弱透水的豐固結(jié)密實的粘便性土組成的完瞇整結(jié)構(gòu)、塊狀這結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)第構(gòu)的巖體邊坡箏。地下水在巖偷體中不能自由尿運(yùn)動，多受結(jié)茄構(gòu)面控制，往幟往形成承壓水酸，邊坡巖土體默各部位的水力器聯(lián)系不暢通。恒復(fù)合介質(zhì)綁：整個邊坡由壽透水介質(zhì)和隔處水介質(zhì)相互疊拜置構(gòu)成，或前挨后部位復(fù)合，割或透水體部分折嵌套構(gòu)成。地眠下水在邊坡中姿的水力聯(lián)系十悟分復(fù)雜，比較激難以形成統(tǒng)一壯的潛水面。期1.那拉靜水壓力作用支巖土體的浮力謊：主要考慮巖養(yǎng)土體由于孔隙份水壓力的作用序致使其有效自母重降低。在穩(wěn)譯定性計算中，嘴可采用浮容重尸來考慮其力學(xué)包效應(yīng)。計算公獎式如下：雀式中：貨胡為巖體浮容重槐，扇捕為巖體飽和容億重，楚煤為水的容重，遲單位為嫂kN/m們3健。段(輔2)巴巖體的浮托力中：主要考慮巖盲土體滑坡底面三的靜水壓力作細(xì)用，它是一個冰呈三角形或梯呀形分布的面力張。如圖所示邊爬坡某條塊的受淹力情況，底面休AB缺受梯形面力作倦用，應(yīng)計算其程總的浮托力，敢參與穩(wěn)定性計姜算。勁巖土體的側(cè)面突靜水壓力某：主要考慮靜奉水壓力在邊坡欲條塊側(cè)面形成勸的面力，如圖摔中的爛AD彈，煉BC副面，以及滑坡綱后緣裂隙中的跑靜水壓力等。部在邊坡穩(wěn)定性鈔評價時，分別扮計算各側(cè)面面講力的總荷裁，粥參與穩(wěn)定性驗耀算。釣2.姥宵動水壓力作用潔動水壓力的作柏用主要存在于知透水體中，是膛由于巖體邊坡獅中存在水頭差默，使水體滲透厚流動而產(chǎn)生的煤一種體力。在輸降雨作用或水展庫泄水等條件強(qiáng)下，可增強(qiáng)邊押坡中的動水壓烤力作用。其計及算公式如下：合D=岔γ忍w狡JV融式中：剖D源為動水壓力（冠kN灣）；腦γ熊w仁為水的容重（寇kN/m種3槽）；掘J距為水力梯度；孕V莖為滲流體積（摟m躬3抄），可用結(jié)定威范圍內(nèi)巖土體層體積與其結(jié)水脾度的乘積值。仰大氣降雨可迅架速抬高坡體后狠緣的水位，而誘前緣的水頭則藝變化較慢，使遇得坡體的中的辟水頭差增加；告水庫的迅速泄愧水可大大的減邪低坡體的前緣刪水位，也同樣師可增加坡體的賭水頭差，形成那較大的罷水力坡度神，從而成較大珠的足動水壓力姥。因此，降雨楊和泄水往往成性為邊坡失穩(wěn)的膀誘發(fā)因素。響3饒水庫巖溶滲漏違的關(guān)鍵因素孟《分析原理舞》婚P499翁4沿．舉例說明地潛下工程中主要桶巖體水力學(xué)問童題花（鼠1韻）、地下洞室陣的涌水問題急（狡2確）通過影響應(yīng)形力狀態(tài)、圍巖依強(qiáng)度而影響圍窄巖的穩(wěn)定性投《分析原理短》簡P410彩5職．水庫誘發(fā)地歡震中地下水的秧控制作用丙目前盡管人們假對于水庫誘發(fā)紅地震形成機(jī)理趁還有不同觀點宜，但對庫水在過誘發(fā)地震中起虎著重要作用這瘡一認(rèn)識，是得手到公認(rèn)的。吉(涼1)鉤水體荷載作用垃水庫的存在給遞人們一種直觀反的感覺是在地悉表增加荷載，喪這個荷載使庫煙盆發(fā)生沉降，匠造成庫基彈性理變形，在巖體物內(nèi)造成附加應(yīng)縮力，從而惡化熊斷裂面的應(yīng)力粉條件。與構(gòu)造康應(yīng)力迭加在一游起將可能造成保誘發(fā)地震活動葛。得(2曲)你空隙水壓力作野用衰1962紛年在美國科羅尺拉多州丹佛深擱井中高壓注入繩廢液引起地震祖的事例，使人旨們注意到空隙掠水壓力的作用牌。后來份Evans(吃1966)驗和腫Healy(富1968)通根據(jù)念Hubber愿t賣和稍Rubey己早年罪(矛1959)供提出的液體壓泄力增大觸發(fā)地么震的機(jī)制，認(rèn)督為空隙水壓力譽(yù)增大降低了斷兇層面上的有效拐應(yīng)力而引起斷伸層錯動，這種懇認(rèn)識被后來在逝Rangel龍y欠油田的注水實尸驗所證實。只康要巖體中裂隙祥是透水的，庫匪水的滲入就會躲提高空隙水壓辱力，從而降低逃裂隙面上的抗推剪強(qiáng)度，使巖芝體的強(qiáng)度受到葵弱化。隨著所保積累的震例資戶料增多，空隙甚水壓力作為一悅種主要的誘震閃因素，被更多族學(xué)者所接受。敢(計3)誠水的弱化作用磚水的弱化作用畏包括水的潤滑掘、軟化和應(yīng)力狼腐蝕等物理化飯學(xué)作用。閑6煩．水庫斜坡破祖壞的多種因素辜顯示水庫水位矩快速下降時較鋪庫水位上升時凡，水庫水位緩泡慢下降更多，仔請用巖體水力爪學(xué)觀點解釋之莫。劑7諸．地質(zhì)結(jié)構(gòu)對色巖體中地下水孔的控制作用念黃鼎成（罷1987響）則更具體地予將地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃輪分為區(qū)域地殼步結(jié)構(gòu)、區(qū)域（必或地區(qū)）地質(zhì)易結(jié)構(gòu)、具體地盟段的山體或谷高坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)、拴工程巖體結(jié)構(gòu)脈和巖塊結(jié)構(gòu)等姑五級。遵區(qū)域地殼（地相質(zhì)）結(jié)構(gòu)的控碌滲作用主要表老現(xiàn)為：密（計1槳）對地幔流體鋒向上侵入方式只及侵入部位的倡控制；擴(kuò)（貢2塔）對巖石圈高推熱流體的流動錘特征及其聚集銷狀況的控制；伯（更3秤）形成深部水欄文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，吼決定了深部流欺體動力特征問區(qū)域（或地區(qū)森）地質(zhì)結(jié)構(gòu)的刃控滲作用主要遵表現(xiàn)如下：轉(zhuǎn)（漸1鑄）對地下油氣嘗藏分布規(guī)律的凈控制；許（球2悟）對地?zé)?、溫討泉和礦水等資婦源形成部位的炸控制；敢（供3琴）形成區(qū)域水蒜文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，白控制了區(qū)域（城或地區(qū)）地下現(xiàn)水動力特征。套具體地段的山講體或谷坡地質(zhì)謊結(jié)構(gòu)的控滲作疲用主要有：槐（帆1鷹）形成不同類無型的山體或谷剩坡水文地質(zhì)結(jié)都構(gòu)，控制了山對體或谷坡地下痰水動力特征；泄（紡2尊）與地形、地析貌等因素相結(jié)控合，控制了淺玻表地下水的補(bǔ)州給、徑流和排封泄的空間分布溜特征；筐（欄3瘦）通過區(qū)域（恒或地區(qū)）地質(zhì)議結(jié)構(gòu)面，與深壺部地下水發(fā)生掩一定的水力聯(lián)言系。盼工程巖體結(jié)構(gòu)謎的控滲作用主牧要表現(xiàn)如下：恭（鍋1蹦）形成不同的區(qū)滲流介質(zhì)類型所，體現(xiàn)了不同技的巖體滲透特遙性；寸（再2密）與地下水位葡、邊界條件及噴暴雨等因素相蹤結(jié)合，控制了麥工程活動范圍逃內(nèi)地下水的流恢動狀況及滲流傘作用力特征。職辣巖石塊體結(jié)構(gòu)親的控滲作用具法有如下特點：味（咳1秘）控滲作用較右弱，因塊體內(nèi)帖含大量的不連非通裂隙和死端隊空隙；否（浪2魔）受各種外力邊影響，隨時間羊變化明顯。乓由上述分析可引知，地質(zhì)結(jié)構(gòu)勒分級優(yōu)先控滲蹄效應(yīng)的基本觀繼點是：冒（搜1雷）地質(zhì)結(jié)構(gòu)的貞級別越高，對塵滲流的控制作隆用越強(qiáng)，對地錫質(zhì)體穩(wěn)定性的指影響也越大。楊（僵2短）地質(zhì)結(jié)構(gòu)控抬滲的優(yōu)先級序次為：從高級到績低級以結(jié)構(gòu)面玩為優(yōu)先的逐級倍控滲順序飛8想層狀巖體與塊糞狀巖體中的滲恰流規(guī)律抵層狀裂隙巖體征的滲流規(guī)律分踢析原層狀巖體響(酸Layere悲dRock琴Mass)送是以層理為特絨征的沉積巖巖蹄體和一些變質(zhì)檢巖巖體付(釋板巖、千枚巖床、片巖等慰)魂。層狀巖體的舉滲流規(guī)律主要計受巖體中構(gòu)造很裂隙和層面裂扭隙控制。派(怠1)撲層狀巖體構(gòu)造羽裂隙在巖層層仁面、褶皺軸部童、中傾角翼部早、斷裂帶及兩劃側(cè)影響帶較發(fā)大育。因而在這營些部位最易形講成富水帶惑(寸地形及地下水致補(bǔ)給條件有利爺匯水時警)曉；誓(情2)嘗由于構(gòu)造裂隙玻分布具有層狀員或脈狀特點，昆構(gòu)造裂隙水亦峽具有帶狀懇(秒或脈狀雨)須分布特點。構(gòu)裳造裂隙中滲流撥具有非均質(zhì)各叫向異性的特點疾；邪(熟3)乓構(gòu)造裂隙巖體到中的滲流具有腸非連續(xù)性泉,脆常常在局部不朱形成統(tǒng)一的地貧下水面，而在國區(qū)域上形成統(tǒng)限一的地下水位徑面；堆(隙4)稱層狀巖體的風(fēng)揮化帶裂隙水，杏一般為潛水。備由于風(fēng)化作用洗使得裂隙之間秀連通性好，風(fēng)嫩化帶內(nèi)多具相練對統(tǒng)一的地下瘋水位，水平方算向蓄水性比較驗均勻，垂直方酒向上隨埋藏深用度增加裂隙開屑度呈指數(shù)性減丟小。由于受地濕形和氣候影響朱，地下水動態(tài)蘆具有季節(jié)性變額化特點。風(fēng)化秒帶裂隙滲流問援題，可應(yīng)用非浪均質(zhì)各向異性你的連續(xù)介質(zhì)模驗型來描述；時(戰(zhàn)5)蛋層狀裂隙巖體橋具有明顯的層糞狀結(jié)構(gòu)，在沉泡積過程中由于箏水動力變化，買一般形成粗細(xì)舉相間的韻律層綠。粘土巖隔水辨，粗細(xì)粒的碎傲屑巖透水，容列易形成多層結(jié)嫌構(gòu)的含水層系爐統(tǒng)；算(化6)筋層狀裂隙巖體指由于保留原來梁沉積時的原生駛孔隙，再加之滾后期改造作用沿的擴(kuò)大，形成窩次生孔隙，孔壁隙與裂隙并存晨是層狀裂隙巖畏體的又一特點痕。孔隙和微裂傭隙儲水，裂隙逮導(dǎo)水，具有孔卻隙一裂隙雙重歸介質(zhì)滲流特點頓；色(也7)已在大的向斜盆抵地，容易形成珠地下水的自流稍盆地某塊狀裂隙巖體怒的滲流規(guī)律分碧析槐塊狀巖體鹽(鏡Blocke遷dRock買Mass)膊是指具有塊狀蔬構(gòu)造的巖體，校如侵入巖體和墓正變質(zhì)巖體。抖這些巖體的空丟隙結(jié)構(gòu)大多為踐裂隙型，裂隙宏有原生裂隙、殖構(gòu)造裂隙和風(fēng)米化裂隙，裂隙隙分布呈網(wǎng)狀，萌其間巖塊被分亭割成一個個塊樓體。秧塊狀巖體在我弟國分布極為廣晚泛，約占全國絮基巖面積風(fēng)1勸／恭4愿。侵入巖中以謹(jǐn)花崗巖類分布增最廣，其它中害性和基性侵入確巖也有出露。較塊狀變質(zhì)巖指委片麻巖、石英棟巖、大理巖以訓(xùn)及混合巖等。鐮一般來說，塊按狀巖體分布區(qū)兇，巖體的滲透賊性能比較差，幣不易形成大的禁地下水富集區(qū)扛。塊狀巖體的座滲流取決于裂獻(xiàn)隙的發(fā)育特征畫。塊狀巖體一羊般在逐風(fēng)化帶完、槽斷裂帶至(奴或斷裂影響帶塊)攀及究侵入接觸帶江裂隙較發(fā)育灘塊狀巖體風(fēng)化蠟帶裂隙滲流特種征罪風(fēng)化帶按風(fēng)化夕裂隙的發(fā)育強(qiáng)雜度和風(fēng)化作用斥對原生裂隙的均改造程度，將使風(fēng)化帶分為全簽風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)醫(yī)化帶和弱風(fēng)化湯帶三個帶。潛在北方地區(qū)，懼由于氣候干旱轟，巖體的風(fēng)化激以機(jī)械的、物樓理的風(fēng)化為主子，因而全風(fēng)化表帶和強(qiáng)風(fēng)化帶讀裂隙發(fā)育。墊在南方地區(qū)，習(xí)由于氣候濕熱袋，化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)蛛烈，全風(fēng)化帶坐風(fēng)化徹底，大嘆多呈粘土狀，坦或裂隙被粘土峰充填，因而，工強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙目較發(fā)育，充填食少。建因此，北方地收區(qū)，全風(fēng)化帶湊和強(qiáng)風(fēng)化帶裂博隙巖體滲透性蒼好，有利地下穗水滲流；南方銹地區(qū)，強(qiáng)風(fēng)化兔帶裂隙巖體滲近透性好，在地動形有利情況下良，可形成較好何的風(fēng)化帶裂隙喝潛水。貼一般塊狀巖體品的風(fēng)化帶潛水診，具有統(tǒng)一的體地下水面，且予裂隙發(fā)育較密魔集。定量化研汁究風(fēng)化帶裂隙拖水時，可運(yùn)用孫非均質(zhì)各向異威性連續(xù)介質(zhì)滲雜流理論。譯塊狀巖體斷裂弊帶裂隙滲流特性征呼(多1)哄具有帶狀滲流寄特征。距斷裂孫帶愈遠(yuǎn)，滲流侍強(qiáng)度減弱。壓倍性斷裂帶本身技阻水，造成地脫下水流的不連布續(xù)性，而斷層鬼一側(cè)或兩側(cè)的捆影響帶裂隙發(fā)傾育，易形成富回水帶。霧江(墨2)偷斷層帶與斷層桶帶以外塊狀巖撞體構(gòu)成地下水騰系統(tǒng)時，該巖墓體滲流為裂隙終網(wǎng)絡(luò)滲流，具框有定向流動性矮和非連續(xù)性，聯(lián)可用雙重介質(zhì)防或裂隙網(wǎng)絡(luò)滲帝流模型描述。銳塊狀巖體接觸落帶裂隙滲流特盾征散在侵入巖體和源深變質(zhì)巖體中鼠，一般都存在送后期侵入的各些種巖脈或巖體掃。當(dāng)巖脈的厚饞度較小時，巖窗脈在冷凝后，稼及以后的構(gòu)造械作用下巖脈本圾身容易發(fā)育裂勞隙，形成巖脈異本身導(dǎo)水帶；乘當(dāng)巖脈厚度很慌大時，在巖脈演一側(cè)或兩側(cè)的他接觸帶都可形奮成裂隙密集帶啄。礙巖脈接觸帶裂述隙密集，接觸洪帶滲流可看作嶄各向異性的連辛續(xù)介質(zhì)滲流。解釋跟1展．有效應(yīng)力原伸理久：油空隙水壓力對看巖土體變形破艷壞的發(fā)展起著裕十分重要的作蛇用，通常可由宣下述有效應(yīng)力對原理來表達(dá)，椅即：沒丙σ尋＝奮σ臘1擊＋也P眨w微或嬸σ神1土＝截σ差－醫(yī)P舍w朱千揮s抽＝（賽σ壺－貌P芹w?。裻g冊φ保＋象c澆式中緩，那σ警為總應(yīng)力飼，帶σ擱1向為有效應(yīng)力，庫s礙為巖土體中潛佩在破壞面的抗遞剪強(qiáng)度，嚇tg撕φ高、ｃ分別為潛低在破壞面的摩霸擦系數(shù)和內(nèi)聚崗力。撞在總應(yīng)力不變綱的條件下，巖朱土體內(nèi)空隙水鄭壓力的增大，環(huán)必然導(dǎo)致有效輕應(yīng)力的減少和廁巖土體澡“帳回彈反”配變形的發(fā)展。榆對于裂隙巖體聚，空隙水壓力隸的