岩体等效水力学参数研究

论文摘要

由岩块和结构面共同组成的岩体不属于连续介质的范畴，但是，在分析实际的岩体水力学问题时，通常会将不是连续介质的岩体等效为连续介质加以处理，采用等效连续介质理论分析岩体的水力学特征。本文主要讨论了采用等效连续介质理论分析岩体水力学问题时所将涉及到的几个基本问题：首先是岩体的等效条件：岩体必须具备什么样的前提条件，才能将其等效为连续介质加以处理；其二是如何确定岩体的等效水力学参数；其三是岩体的等效水力学参数具备哪些特征和规律。通过本论文的研究，主要取得了以下成果：（1）从系统工程地质学的角度，对岩体内所赋含的结构面进行了系统分类，探讨了各类结构面的一般特征；然后在此基础上，开发了一套相对完善的结构面网络模拟程序，为建立合理的岩体结构模型奠定了基础。（2）通过对连续介质水力学参数的研究，总结出了连续介质水力学参数所具备的两个特性：张量特性和常量特性。然后在此基础上，提出了类张量特性和类常量特性的概念，并指出：只有当所研究的岩体，其内绝大多数分析单元的等效水力学参数都具备类张量特性和类常量特性时，该岩体才具备等效条件。（3）基于离散网络介质数值分析理论，给出了确定岩体等效渗透性参数和等效变形参数的详细算法，开发了相应的分析程序。（4）给出了评价岩体等效渗透性参数和等效变形参数是否满足类张量特性和类常量特性的判据和分析流程。（5）为了进一步明确表征单元体REV的含义，提出了三个与REV有关的概念：REVK、REVS和REVC。其中，REVK是针对于单纯的渗流分析时的表征单元体：REVS是针对于单纯的应力（变形）分析时的表征单元体；REVC是针对于渗流-应力耦合分析时的表征单元体。（6）通过对不考虑渗流-应力耦合时岩体等效渗透性能的研究，指出岩体的等效渗透性

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 论文研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 单一裂隙的水力学特性

1.2.2 裂隙岩体的水力学特性

1.3 主要技术路线

1.4 主要研究内容及创新性研究成果

第二章结构面系统分类

2.1 原生结构面

2.1.1 岩浆岩中的原生结构面

2.1.2 沉积岩中的原生结构面

2.1.3 变质岩中的原生结构面

2.2 由构造作用形成的次生结构面

2.2.1 劈理

2.2.2 节理

2.2.3 断层

2.3 由表生改造作用形成的次生结构面

2.4 结构面系统分类表

第三章结构面网络计算机模拟

3.1 最佳测线长度的确定

3.1.1 确定最佳测线长度的常规方法

3.1.2 常规方法的缺陷

3.1.3 常规方法的修正

3.2 迹长的估算

3.2.1 与测线相交的结构面样本的迹长统计规律

3.2.2 与测线相交的结构面样本的半迹长统计规律

3.2.3 删节半迹长的统计规律

3.2.4 有关全迹长估算的几点结论

3.3 隙宽的量测

3.4 连通水力网络的生成

3.5 有限元分析网格的生成

3.6 本章小节

第四章岩体的等效条件

4.1 连续介质的水力学参数特性

4.1.1 连续介质的渗透性参数

4.1.2 连续介质的变形参数

4.1.3 渗流-应力耦合条件下的连续介质水力学参数

4.1.4 连续介质水力学参数的特性

4.2 判断岩体等效水力学参数是否具备连续介质参数特性的判据

4.3 判断岩体等效水力学参数是否具备连续介质参数特性的一般方法

4.3.1 类张量特性的判别

4.3.2 类常量特性的判别

4.4 岩体的等效条件以及与 REV有关的几个概念

4.5 本章小结

第五章岩体的等效渗透性参数

5.1 规则裂隙岩体的等效渗透系数矩阵

K'>5.2 规则裂隙岩体的 REV_K

5.2.1 类常量特性的校验

5.2.2 类张量特性的校验

K的综合取值'>5.2.3 REV_K的综合取值

5.3 不规则裂隙岩体的等效渗透系数矩阵

5.3.1 分析原理

5.3.2 计算机程序的编制及检验

K的确定'>5.4 不规则裂隙岩体REV_K的确定

5.5 算例

5.5.1 分析模型

5.5.2 类常量特性及类张量特性的校验

K及岩体等效渗透性参数的综合取值'>5.5.3 REV_K及岩体等效渗透性参数的综合取值

5.6 岩体等效渗透性参数的一般规律

5.7 有关渗流场数值模拟中边界效应的讨论

5.8 本章小结

第六章岩体的等效变形参数

6.1 规则裂隙岩体的等效变形参数

6.1.1 岩体模型

6.1.2 等效柔度矩阵的解析解

6.1.3 等效变形参数的确定

6.1.4 等效变形参数随方位的变化关系

6.2 不规则裂隙岩体等效变形参数的确定

6.2.1 数值分析原理

6.2.2 由数值分析结果反演岩体等效变形参数

6.2.3 计算机程序的编制

6.2.4 计算机程序的检验

S的确定'>6.3 不规则裂隙岩体REV_S的确定

6.4 算例

6.4.1 分析模型

6.4.2 类常量特性的校验

6.4.3 类张量特性的校验

S及等效变形参数的综合确定'>6.4.4 REV_S及等效变形参数的综合确定

6.5 岩体等效变形参数的一般规律

6.6 两点讨论

6.6.1 有关分析模型的讨论

6.6.2 有关岩体等效泊松比的讨论

6.7 本章小结

第七章渗流-应力耦合条件下的岩体等效水力学参数

7.1 单一裂隙的水力耦合参数

7.1.1 假设条件

7.1.2 简化公式

7.2 规则裂隙岩体的水力耦合参数

7.2.1 研究对象描述

7.2.2 初始条件下规则裂隙岩体的等效水力学参数

7.2.3 规则裂隙岩体受荷载作用时渗透性能的改变

7.2.4 耦合条件下规则裂隙岩体等效渗透性参数的类张量特性

7.3 不规则裂隙岩体水力耦合参数的确定

7.3.1 分析步骤

7.3.2 计算机程序的编制

7.3.3 程序的检验

C的确定'>7.4 不规则裂隙岩体REV_C的确定

7.5 算例

7.5.1 模型及参数

7.5.2 模拟方案

7.5.3 隙宽随荷载条件的变化情况

7.5.4 等效渗透系数随荷载条件的变化情况

C的综合取值'>7.5.5 REV_C的综合取值

7.6 耦合条件下岩体等效渗透性能的变化规律

7.7 本章小结

第八章关于不规则裂隙岩体等效渗透张量解析公式的讨论

8.1 数值试验

8.1.1 试验方案

8.1.2 迹长组合模拟结果分析

8.1.3 分布密度组合模拟结果分析

8.1.4 隙宽组合模拟结果分析

8.2 解析公式的适用条件

8.3 耦合条件下不规则裂隙岩体等效渗透张量的确定

8.3.1 常规做法及存在的不足

8.3.2 本文建议的分析方法

8.4 本章小结

第九章工程实例

9.1 工程概况

9.2 基本地质情况

9.2.1 工程区地层岩性及成因时代

9.2.2 工程所在位置区域构造演化历史

9.3 结构面形态特性

9.3.1 工程区内结构而形态、规模预测

9.3.2 现场结构面观测及描述

9.4 岩体的等效渗透特性

9.4.1 分析模型

9.4.2 常量特性的校验

9.4.3 张量特性的校验

K及岩体等效渗透性参数的综合取值'>9.4.4 REV_K及岩体等效渗透性参数的综合取值

9.4.5 数值分析结果与现场试验结果的对比

9.5 岩体的等效变形性能

9.5.1 分析模型

9.5.2 常量特性的校验

9.5.3 张量特性的校验

S及等效变形参数的综合确定'>9.5.4 REV_S及等效变形参数的综合确定

9.6 隧道穿越地段岩体等效条件分析

9.6.1 围岩风化程度分带

9.6.2 数值分析中的网格单元大小

9.6.3 全风化围岩等效条件分析

9.6.4 强-中风化围岩等效条件分析

9.6.5 弱微风化围岩等效条件分析

9.6.6 隧道穿越地段围岩等效条件综合评价

9.7 本章小结

第十章结论与展望

10.1 结论

10.2 展望

致谢

参考文献

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