裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

基于UDEC平台的裂隙岩体边坡渗流应力耦合分析

根据裂隙岩体边坡渗流的基本特征和基本理论,阐述了离散元软件UDEC渗流—应力耦合的基本计算理论。利用UDEC作为分析平台建立数学模型,在考虑到渗流场与应力场耦合的作用下对裂隙岩体边坡的稳定性进行了全面分析。对边坡的应力、位移、渗流、裂隙分布等方面进行了研究,重点分析了在渗流与应力耦合的作用下边坡的变形破坏规律及自身稳定性。结果表明利用离散元软件UDEC分析流固耦合是一种有效、可行的方法,同时也为裂隙岩体边坡流固耦合方面的研究提供较高的工程应用价值。     

深部隧洞裂隙围岩渗透特性及衬砌外水压力变化规律

高外水压岩是影响隧道开挖过岩围岩稳定及衬砌结构安全的关键因素之一,基于裂隙介质渗流经典理论,给出围岩、衬砌不同渗透系数下的外水压岩解析解,采用数值方法对隧洞二次衬砌后的外水压岩作用特性进行仿真模拟,探讨裂隙围岩岩衬砌渗透系数对渗流场的影响,围岩、衬砌渗透和排水措施岩外水压岩的相关性。研究表明岩体和衬砌渗透系数之比是影响衬砌外水压岩的关键,正确的灌浆、排水设计对外水压岩折减系数影响较大,是减小衬砌外水压岩的有效措施。结论对高压水作用下裂隙岩体渗流及衬砌外水压岩研究具有重要理论意义,对高水压下围岩注浆及衬砌结构材料选型、参数选择等具有重要岩岩实用价值。     

水库水位升降影响下库岸裂隙岩体渗流特性分析

水力边界变化对边坡岩体渗流应力状态以及岩体稳定性具有重要影响。本文应用离散裂隙网络非稳定渗流模型,分析水库水位升降运行方式对岩质边坡内渗流场的影响,探求裂隙岩体内部水头分布与边界水位之间的关系。分析表明,水库水位升降变化时,边坡岩体渗流场中水头改变存在滞后效应,滞后程度与水位变化速度、研究点距变化边界的距离、以及裂隙的连通性等密切相关。水库水位和运行方式是影响裂隙岩体渗流场分布的主要因素。水库水位单向匀速上升(下降)或连续等速升降时,裂隙岩体渗流场主要决定于边界水位值。水库水位非等速连续升降变化时,岩体渗流场主要决定于水位升降速度之差以及节点位置。如果采用慢蓄快泄的运行方式,将在岩体内形成较大的渗透动水压力,降低岩体的稳定性。     

岩体渗透特性对边坡稳定性影响分析

绝大多数岩质边坡的破坏均是由于地下水在裂隙中的渗流而引起,岩体的渗透特性对边坡稳定性的影响是不可忽视的。文章介绍了裂隙岩体渗透系数的确定方法及边坡的稳定性分析方法,并基于3D-FLAC模拟分析,探讨了岩体渗透系数对边坡稳定性的影响等问题,研究表明,随着岩体渗透系数的增大,孔隙水压力增大,有效应力减小,边坡的安全系数降低。     

岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制与应用

针对深部岩石所处的高地应力、强渗透水压等复杂的赋存环境特点,研制岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统,并详细介绍系统的主要结构、功能和使用方法。该系统可独立伺服控制施加三维应力,利用声测系统对试件在三维应力和渗透水压作用下的裂隙扩展演化过程进行实时跟踪。通过对不同渗透水压条件下大尺寸花岗岩人造节理试件的真三轴加载试验,研究三维应力和渗透水压对渗透特性的影响,试验结果很好地反映出深部岩体的应力–渗流耦合特性。岩石应力–渗流耦合真三轴试验系统的研制和试验,丰富深部高地应力、强渗透水压等环境下岩石力学性质的研究手段,可为采动围岩遇水作用的稳定性及渗流灾害控制技术的研究提供科学的试验基础。     

节理岩质边坡地下水渗流的离散元分析

从岩体裂隙网络渗流的特点出发,以节理开度变化为纽带,对裂隙岩体渗流场与应力场耦合的离散裂隙网络模型进行分析,采用离散单元法对节理岩质边坡不同库水位条件下的渗流场与应力场进行了耦合分析,比较真实地模拟了库水位上升对节理岩质边坡渗流场与应力场的改造,研究了库水位上升对边坡变形和稳定性的影响规律.结果表明:水库蓄水后,随着水位的抬升,坡体内的最大位移、最大孔压、最大流量均有不同程度的增大,而边坡的稳定性逐渐降低.     

基于激光点云数据的裂隙岩体渗流场的无单元法模拟

 利用三维激光扫描技术获取岩体表面高精度激光点云数据,进而得到岩体裂隙网络的几何信息和产状分布情况。研究基于激光点云坐标数据求解含复杂裂隙网络岩体二维渗流场的无单元法,采用罚函数法处理渗流边界条件,并推导无单元Galerkin法的基本方程和积分格式。该方法首先将激光点云数据经坐标投影和抽稀后作为无单元模拟的节点坐标数据;然后结合岩体裂隙网络的几何信息,采用无单元法计算渗流场,进而分析岩体的渗透特性。该方法具有以下优点：(1) 可以精确获取高陡边坡的裂隙产状、位置坐标、长度和开度等几何信息;(2) 直接将激光点云作为无单元法节点,减少生成裂隙网格和生成节点坐标的工作;(3) 将裂隙网络采用裂隙渗透张量表示,可以对非连通裂隙、不同开度和不同充填程度的裂隙进行模拟。在此基础上,应用IDL编制基于海量激光点云数据的岩体裂隙产状分析和无单元法渗流场数值模拟软件LIDAREFM,并计算怀柔县桥梓镇一裸露岩石边坡的渗流场。计算结果表明,该方法是可行、有效的,计算得到的渗流场分布及特性能够反映岩体裂隙网络对渗流场的影响。该方法为研究裂隙岩体真实渗流场分布提供了一种新的研究思路。     

裂隙岩体卸荷渗透规律试验研究

边坡开挖等岩体工程使得岩体形成卸荷作用,同时引起岩体中地下水性态的改变。水库蓄、放水使库岸边坡产生加载、卸荷效应,库岸边坡的稳定性受到影响。这都涉及到有关卸荷-渗流问题,因此研究裂隙岩体卸荷渗透规律具有重要意义。文章通过裂隙岩体的卸荷-渗流试验,探讨了裂隙岩体的渗透系数在卸荷过程中的变化规律,不仅揭示了裂隙岩体渗透系数与卸荷量的近似双曲线关系,还验证了裂隙岩体在加载、卸荷过程中渗透系数的迟滞现象。同时从理论上推导了裂隙岩体卸荷量与渗透系数之间的关系式,并对式中的试验系数进行了优化计算,其计算结果与试验结果吻合较好。     

裂隙岩体的热-水-应力耦合模型及二维有限元分析

尝试将Barton-Bandis模型和Oda的裂隙张量理论结合起来应用于饱和-非饱和裂隙岩体中热-水-应力耦合过程的计算分析,研制了相应的二维有限元程序,并列举算例比较了无、有多组裂隙岩体中的应力场、渗流场和温度场的分布及变化情况。由此看到:由于不连续面的存在减弱了母岩的刚度和增大了其透水能力,使得裂隙岩体中的应力集中程度降低和渗流速度提高,从而热源产生的热量可较快地被水流传输到周围区域中去,岩体中的温度和负孔隙水压力量值也相对较低。     

三峡永久船闸混凝土边坡极端不利外水压力分析

三峡永久船闸采用直立岩坡贴壁式薄衬砌边墙,墙后外水压力水是边墙稳定的重要荷载。船闸闸室水位变动频繁,当闸室水位突降,由室内渗出的外水即构成作用在边墙上的外水压力。考虑了墙内排水体系的作用,对非恒定渗流问题进行了多工况分析,给出极端最大外水压力值。     

岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟

对岩质边坡降雨入渗的数学模型及模拟方法进行了探讨。在此基础上，研究了非饱和－饱和渗流模型中的非线性方程组及其解法，给出了Picard迭代法求解该方程组的方法、步骤，并对边坡降雨入渗的规律进行了研究，阐述了岩质边坡降雨入渗过程中基质吸力的变化、暂态饱和区的形成、发展以及暂态水压力的分布、变化。用上述方法分析、模拟了某露天矿边坡降雨入渗的全过程。     

水下隧道渗流场解析解及其应用

 以复变函数和地下水水力学理论为基础,推导由围岩、注浆圈、衬砌混凝土组成的水下隧道渗流场解析解。以厦门海底隧道F4风化囊地段为工程背景,研究影响围岩、注浆圈、衬砌的渗流参数对衬砌外水压力和渗流量的影响。研究结果表明,注浆圈和初期支护施工效果对衬砌后水压力和渗流量的影响很大,应重视注浆圈和初期支护的施工。当排水系统堵塞,渗流量减小时,初期支护和二次衬砌的外水压力会重新分配。结合理论计算和现场实测水压力结果,提出在堵水限排情况下,初期支护水压力可降至静水压力的1/3。     

基于连续介质模型的海底隧道渗流问题分析

 与普通山岭隧道不同,海底隧道的一个显著的特点就是有着无限的水源对海底隧道进行补给。海底隧道开挖引起的地下水渗流带来两方面的问题：一是结构水荷载的确定问题,二是涌水量的预测问题。将围岩看作各向同性连续介质,针对这两方面的问题进行研究。明确孔隙介质中水压力的实质;根据国内外最新研究成果,针对山岭隧道和海底隧道不同的边界条件,对各向同性渗透系数下平面半无限含水空间圆形隧道稳定渗流的涌水量和水压力分布的解析解进行分析;以青岛胶州湾海底隧道为工程背景,采用数值方法比较应力场对渗流场的影响,以及围岩渗透系数、水深、注浆圈渗透系数和注浆圈厚度的改变对围岩孔隙水压力和洞内涌水量的影响。分析结果表明：隧道开挖的成拱效应对围岩孔隙水压力的分布和洞内涌水量的大小影响不大;在不考虑渗流场和应力场耦合作用、水深一定条件下,渗透系数的改变不会影响毛洞孔隙水压力的分布;隧道洞内涌水量随着围岩渗透系数或围岩上覆海水深度的增大呈线性增大;注浆圈渗透系数的减小和注浆圈厚度的增大都可以达到减小隧道洞内涌水量的目的,在实际施工中应该在注浆的经济性和其堵水效果两方面进行综合分析,确定最优化的注浆参数。     

华南典型巨厚层红层软岩边坡降雨失稳的模型试验研究

 针对华南巨厚层红层软岩边坡在强降雨条件下极易致灾的问题,采用相似理论,通过制备可表征软岩遇水软化特性的相似材料,构建巨厚层红层软岩边坡相似模型,研究其在中小雨(雨强Id＜25 mm)、大雨(25 mm≤Id＜ 50 mm)、暴雨(50 mm≤Id＜100 mm)等降雨模式下的灾变过程和规律。结果表明：(1) 该类型边坡的变形破坏受降雨模式的影响较大,大雨和暴雨等强降雨条件下边坡岩体逐渐崩解软化,在坡脚处首先达到饱和,产生初始裂缝,在重力及渗透力作用下,裂缝进一步扩展贯通,产生局部破坏,这样,坡脚之上的部分失去支撑,导致整个坡体产生牵引式滑坡。(2) 降雨入渗主要分为无压渗流、有压渗流与饱和渗流3个阶段,边坡表面裂缝主要出现在无压渗流阶段并在有压渗流阶段逐渐扩展贯通、在饱和渗流阶段发生破坏;降雨过程中超孔隙水压力的累积和消散改变了边坡有效应力场的分布,从而引起其位移。(3) 临滑阶段,有效应力和孔隙水压力比位移、位移变化速率等参数对边坡的破坏响应更敏感,因此提出基于应力监测的边坡灾变过程安全预警新思路。     

脆性岩石损伤断裂机理分析与试验研究

为了探讨渗透水压力对脆性岩石损伤劣化的影响，及脆性岩石变形过程中渗透特性的变化规律，分别取三峡船闸高边坡花岗岩和山西万家寨水电站灰岩进行不同应力状态的全应力-应变过程渗透性对比试验，然后将其岩石破坏断裂断口进行微观扫描电镜试验。试验结果反映出脆性岩石破坏前后渗透特性具有明显差异，从而也表明渗透水压力对岩石裂隙张开度与扩展变形起到一定程度的加剧作用。通过不同层次的试验研究与理论分析，给出了渗透水压作用下岩石破裂产生的微观破坏力学机制，为进一步分析暴雨入渗状态下水压急剧上升与聚降对裂隙岩体高边坡失稳的机理提供了可靠的试验依据。     

深埋隧道衬砌水荷载计算的基本理论

铁路，公路跨越山岭地，越岭隧道方案被大量采用，而深埋隧道的高水压和突，涌水则成为亟待解决的问题。合理设计有外水压力隧道的关键在于：（1）随道围岩渗流场的分析；（2）外水压力作用系数的研究。隧道衬砌的静力计算和围岩压力及水荷载密切相关，在衬砌的设计中，既可以将围岩压力和外水压力分算，也可以考虑二者的耦合作用，进行水－岩合算。根据前人的研究成果，总结和讨论了隧道衬砌水荷载计算中的基本理论。     

倾斜坡体中水工高压隧洞围岩应力场特性分析

把岩体看作均质、各向同性连续透水弹性介质，引用Harr(1962)提出的镜像理论，结合Zienkiewicz(1958)和Femandez(1994)所作的假定，推导了倾斜地表下水工压力隧洞内水外渗产生的有效应力：假定初始应力场为自重应力场，结合现有的部分成果，详细分析倾斜地表下水工压力隧洞初次充水和正常运行期围岩中的应力场分布。倾斜地表下水工压力隧洞在满足挪威准则的前提下，围岩最小主应力在一定范围内为拉应力，拉应力区呈蝶形分布，且其范围随地表倾斜角的增加而扩大：倾斜地表下压力隧洞最易出现水力劈裂现象的不利位置是围岩拉应力蝶形区伸展最大的方位：隧洞埋深增加1／8最小覆盖层厚度可有效地减小围岩中拉应力区的范围：陡倾地表下压力隧洞设计应慎用水工隧洞设计规范的边坡高限角。     

三峡库区猴子石滑坡地下水动力场分析

三峡库区的猴子石滑坡位于奉节县新城核心地段,滑坡体上有奉节县汽车客运中心、综合广场等近20个迁建单位与大量居民住宅楼,保证边坡稳定性有重要的意义。三峡水库蓄水后在猴子石滑坡部位将会形成较大的地下水压力,特别是在库水位骤降情况下,坡体内将产生较大的动水压力,这对边坡稳定非常不利。通过数值模拟不同工况边坡地下水渗流场可知,库水位从175m骤降至145m时,猴子石滑坡所受动水压力为正常蓄水位时的13倍,进行稳定计算时必须考虑动水压力的影响。最后对降低地下水位工程措施实施后的渗流场也进行模拟,为治理工程设计提供科学依据。