地应力对采动裂隙岩体渗流特性影响的研究

地应力对采动裂隙岩体渗流特性影响的研究

本文由jiefengfei贡献

第 26卷 第 9期 2 0 0 9年 9 月 长江科学院院报 V o l. 2 6N o. 9 Sep . 2 0 0 9

Journa l of Yang tze R iver Scientific R esea rch Instit ute 文章编号: 1001- 5485( 2009) 09- 0035- 04 地应力对采动裂隙岩体渗流特性影响的研究

孙玉杰1, 邬爱清1 , 张宜虎1 , 武涛2 ( 1. 长 江科学院 水利部岩土力学重点实验室, 武汉430010; 2 中国地质大学 工程学院, 武汉 .430074)

摘要: 岩体总是赋存于一定的渗流场和应力场中的, 在裂隙岩体中开挖洞室将打破最初的平衡状态, 引起渗流场和应力场发生变化, 因此研究地应力场对渗流场的影响具有重要的意义。采用 UDEC 程序, 利用数值试验的方法, 研究了块体边界尺寸以及初始地应力对在节理裂隙岩体中开挖洞室引起隧洞内涌水量变化的影响。结果表明, 随着块体边界尺寸和初始应力比的增加, 开挖后隧洞内的涌水量均减小。

关 键 词: 地应力; 地下洞室; 渗流; 节理 岩体 文献标识码: A 中图分类号: TU 459. 4 1 概述

张后全、 杨天鸿、等应用 F RFPA 渗流与应力 耦合分析系统, 对煤层顶板随着开采的逐步进行, 采动裂隙逐渐向上发展并最终与含水层连通, 进而发生顶板突水的全过程进行了数值模拟, 直观地显示了煤层顶板的变形、 破坏过程以及渗流场在整个岩体的运移过程及其突水前后渗流场的变化情况, 较好地揭示了顶板突水过程。

随着国民经济建设的迅猛发展, 基本建设规模的不断扩大, 人类的活动空间越来越大, 使得其开发 所依托的岩土体问题也越显突出, 裂隙介质地下水运动规律就是其中的突出问题之一。诸如大型水利水电工程中的地下水问题、核废料的深部贮存、垃圾填埋污水下渗、输油管道渗漏造成的地下水污染问题等都与裂隙岩体的渗流有关。而岩体是受结构面的纵横切割、具有一定结构的多裂隙体,同时赋存于一定的地质环境中,地应力场和地下渗流场是岩体物理力学环境中的2个重要组成部分。裂隙岩体渗流受应力的影响, 而渗流场的改变又会影响到应力场的改变, 两者相互影响、相互作用称为耦合作用。 由立方定理可知, 裂隙开度的变化对渗流的影响很大, 而应力会直接引起裂隙开度的变化 肖江、 高喜才[ 4][ 3]2D 率。 [ 1] 等研究

了采动过程中因顶板冒落、 放顶跨落造成顶板透水的灾害机理, 并结合具体工程地质条件,利用固 - 液耦合相似材料模拟方法对首采工作面综放开采过程进行了研究, 分析了裂隙带与冒落带导水通道分布特征, 总结了含水层潜水渗流规律。 黄涛、 立杨 [ 5] 中在裂隙围岩介质渗透性能等效处理的基础上, 提出了渗流与应力耦合环境下裂隙围岩隧道涌水量预测计算的确定性数学模型方法, 包括

理论解析法、 经验解析法和水文地质数值模拟方法。马立强、 张 东升 [ 6] 。因此,

等运用 FLAC 数值软件的应力渗流耦合系 3D

研究应力对渗流的影响具有重要的意义。目前, 国 内外学者多集中研究天然岩体的水力学特征, 而对于受扰动后的岩体渗流特征研究较少。殷黎明、 杨 春和 [ 1]

统, 结合工程实践, 系统分析了采动岩体的渗流矢量、 渗流速度、 孔隙压力及导水边界线动态发展的普遍规律和分布特征, 进行了顶板突水危险区域的识别。杨会军、 王梦恕 [ 7]

等分析了裂隙岩体渗流运动的基本规律, 研 应用岩体非连续介质渗流的

究了应力对渗流作用影响的机理, 并结合甘肃某工程进行了现场应力测量及高压压水试验, 得出了该地区渗透系数随地应力值的增大呈负指数递减的变化规律。陈伟、 阮怀宁 [ 2]

研究成果, 结合具体工程进行了最大涌水区段渗流数值模拟, 模拟了各种工况条件下地下水的渗流特性以及地表水体的水位变化。 隧洞作为地下建筑物, 修建过程中将不可避免地穿越不同水文地质、 工程地质条件的裂隙岩体。 当隧洞通过裂隙岩体的含水区段时, 由于隧洞的开 利用自己编制的随机连续

模型导入有限元程序进行了 2场耦合分析, 预测了锦屏二级水电站隧洞开挖过程中地下水的最大入渗

收稿日期: 2008– 11 12 ; 修回日期: 2008– 12 09 – – 基金项目: 国家重点自然科学基金项目 ( 50509003) 作者简介: 孙玉杰 ( 1982– ) , 男, 山东临沂人, 硕士, 主要从事岩石力学与工程方面的研究工作, ( 电话 ) 13954637126( 电子 信箱 ) sdu stsy@ j 163. com。 36

长江科学院院报 2009年

挖人为破坏了原有地下水的渗流条件, 使得隧洞自身成为地下水以不同形式(渗出、 滴流、 股流及大范围突水等 ) 向外排泄的地下廊道, 形成涌水灾害。 对于大埋深的越岭隧道来说, 裂隙岩体处于相对较高的地应力场中, 同时穿越含水区段的裂隙岩体中有地下水渗流场的存在, 与地应力场构成一种特定的动态平衡体系。因此, 研究地应力对隧洞开挖后裂隙岩体中渗流的影响十分必要且很有 意义 。 [ 9] Indraratna et( 1998) 基于 UDEC 利用数值模型对裂隙岩体中开挖洞室所引起的洞室中涌水量开展了研究。而本文将采用数值模拟的方法讨论初始地应力比 (水平地应力与垂直地应力的比值 ) 与典型块体尺寸对裂隙岩体中开挖隧洞所引起的隧洞中总的涌水量的影响。 [ 8]

由流动域中中心压力的大小决定。按块体接触条件的不同, 裂隙岩体中流体的速率有2种计算方法。 ( 1) 点接触。点接触分为角 - 边接触和角 - 角 接触, 设流动域的流体压力为 p 1, 流动域 # 的流体压力为 p 2, 则由流动域到流动域 # 流体的流速为 v = - kC p , 式中 kC 为接触处的渗透系

数。 式中: W ( 1)

p = p2 - p1 + w g ( y2 - y 1 ) , ( 2) 为流体密度; g 为重力加速度; y 1, y 2 为 2个 流动域的中心坐标。 ( 2) 边 - 边接触。首先定义接触长度, 图 1中 lD 和 lE 分别为接触点 D 和点 E 的接触长度, 然后利用平行板裂隙中的立方定律计算流动速度, 即 q = - kj a 3 p , l ( 3) 为

2 UDEC 基本算法

本文研究的重点是尝试研究裂隙岩体中开挖隧洞时, 地下洞室内总的涌水量随着块体尺寸以及地应 力比值如何变化。在本文研究中, 利用 UDEC ( I AS T CA, 1996)水力全耦合模型来模拟裂隙中水的流动。 UDEC ( Un iv ersa l D istin ct E lem ent Code ) 是 I ASCA T 公司开发的针对非连续介质的平面离散元程序, 在数学求解方式上采用了与 FLAC 一致的有限差分法。 对于水力全耦合的渗流分析, 当水流主要是由裂隙网络控制时, UDEC程序是非常合适的。因此本文中假设岩石基质是不透水的, 水流主要是通过水力连通的裂隙网络涌入隧洞内。有些研究者, 包括 H erbert ( 1996), Zhang 等 ( 1996) 和 H encher ( 1997 ) 利 用 UDEC 程序进行过裂隙岩体介质中的渗流模拟。 UDEC 中被裂隙所包围的岩块可以被模拟为刚体或者是可变形体。UDEC 通过域分析流体在裂隙中的流动。图 1中将域顺序标号为 ~ , 假定域内充满各向等压流体, 域域之间通过接触与邻域发生作用。 接触顺序标号为 A ~ F。域 、 、 表示节理, 域 # ! ? 表示 2个节理的焦点, 域 为空洞。 不计重力时, 假设流体压力在流动域中的分布是均匀的。考虑重力时, 流体压力则按线性分布的静水压力计算。流体的流动是由相邻流体域的压力差决定的, 其中流动域中流体压力的大小

图 1 通过域模拟流体在节理裂隙中的流动 F ig 1 F low in jo int fissure . m ode led by flow between do a ins m

式中: kj 为裂隙的渗透系数 ( 理论值为 1 /12 ) , 度; a 为接触的水力开度。 a = a0 + un, 流体的动力粘滞系数; l 为 2 流体域之间的接触长

其中: a 0 为裂隙在无法向应力时的开度, un 为裂隙的法向开度 ( 张开为正 ) 。水力开度的最小值为 a res, 最大值为 amax。裂隙宽度随节理法向应力的变化如图 2 ,图中节理法向应力 !n 为正时表示节理处于受压状态。 计算过程中, 每计算一个时步, 重新生成系统的几何形状, 而后计算出所有接触的裂隙宽度以及所有域的体积, 之后利用上面的公式计算出各接触处的流量。最后, 再考 虑流入域的流体流量综合以及由于周围块体的位移增

图 2 UDEC中水力开度 a 与法向应力 !n 之间的关 系 F ig 2 R elation between . hydrau lic ape rture ( a ) and jo int no r al stress ( ! n ) m in UDEC

量而产生的域体积的变化, 按下式计算出域内的孔隙压力, p = p 0 + kw Q t /v - kw v /vm , ( 4) 式中: p 0 为前一时步的孔隙压力; Q 为通过孔隙周围的所有接触点流入该孔隙的流量之和; kw 为流体的体积模量; v= v - v0, Vm = ( v+ v0 ) / 2 其中, v和 v0 分 , 别为现在时步和前一时步孔隙的体积; 步。 计算出域内孔隙压力后, 可以计算流体作用在其周围岩块的力。将该力与诸如接触点力和外力荷载等力迭加, 施加在块体的节点上。这样得到不透 t 为计算时 第 9期

孙玉杰 等

地应力对采动裂隙岩体渗流特性影 响的研究 37

水岩块的总应力以及节理的有效法向应力。 3 数值试验

3. 1 数值模型 本模型考虑在地表面下 100 m 深处开挖直径为 6 m 的圆形隧洞, 并假定地下水位在地表下 10 m 处。模型中考虑节理是 2组连续节理, 倾角 (与水平方向夹角 ) 分别为 30? 150?( 如图 3所 和 示 )。采用节理面接触模型以及莫尔库伦模型分别用于表征节理与完整岩块的物理响应。

3. 2 模型岩体材料性能以及边界条件 节理模型性质见表 1 。岩块、 节理和孔隙流体的材料性能见表 2 。

表 1 模型所采用节理参数 T ab le 1

变量 节理倾角 / ( ?) 节理间距 /m 间隙长度 /m 节理迹长 /m

图 4 UDEC 模拟中所用的边界条件 F ig 4 Boundary conditions applied to . in U DEC m ode l 假定的边界条件 (水力边界和应力边界 ) 如图 4 所示。流体压力 p yy = ? y , w 图 3 含有两组节理的 节理模型 F ig 3 Jo int m ode l conta in ing . w t o continuous jo int sets ( 5)

式中: ? 是水的重度, y 是距离水位面的垂直距离。 w 最初是没有水涌入开挖区域的, 开挖区域内是静水压力状态。一旦隧洞开挖后, 在隧洞开挖表面就会变为常量的大气压力。最初的压应力状态是由重力引起的各向同性状态。 !yy = 式中: g g gy,

!xx = # !yy , 1 !zz = # !yy, ( 6) 2

为岩块密 度; y 为水平面下的垂直距离;

!xx , !yy , !zz为 x, y, z 方向的初始应力; #1, #2为初始 应力比值因子, 并假定在分析中保持为常量。 上面的数值试验与简单的平板之间的层流是明显不同的, 平板之间的层流节理隙宽被假定为恒定的常量。当前的分析采用离散元法能够模拟出开挖引起围岩的变形对隙宽的影响, 反过来, 隙宽的变化 又影响渗流和应力的重分布。在下一步的迭代过程中将当前的应力用于耦合的渗流变形分析。水力耦合分析分2个步骤进行: 第一步是通过施加相应的边界条件模型在初始应力场下达到平衡状态; 第 二步是假设隧洞的开挖是瞬时完成的, 之后模型再次达到新的平衡状态。

在本文的研究中, 对隧洞内涌水量的以下两个影响因素进行了模拟分析: 不同的块体尺寸; # 不 同的初始应力比 (垂直应力和水平应力 ) 。

3. 0 & 1010 2. 0 & 1010 100 32 1 0 & 10- 3 . 3 0 & 10- 4 . 1 2 & 1010 . 1 0 & 1010 . 100 31 2 0 & 10- 3 . 4 0 & 10- 4 . 1 000 8 & 10- 4 2 & 109 流体 (水 ) 第 2组节理 150 3 5 . 0 3 0 .

Jo int para eters o f jo int m ode l m 第 1 组节理 30 4. 0 0 5. 0

表 2 岩体和水的材料性质 T ab le 2 M ater ia l properties o f rock mass and wa ter