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硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目渗流应力耦合下裂隙岩体边坡稳定性分析渗流应力耦合下裂隙岩体边坡稳定性分析 英文题目英文题目Stability analysis of fractured rock slope under coupled seepage stress 学位类别学位类别 工程硕士工程硕士 研究生姓名研究生姓名 陈超陈超 学号学号 2014022434 学科学科领域领域名称名称 矿业工程矿业工程 指导教师指导教师 刘树新刘树新 职称职称 教授教授 二零一六年六月十三日 分类号分类号 TD824 TD824 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 10127 10127 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 目前，伴随着经济发展的迫切需要，人类的大型工程活动越来越频繁，如露天 矿渗流应力的防治、水利大坝中渗流的控制、地铁工程中关于渗流的控制、煤矿地 下水的疏干降压工作、石油油井的钻探、海底隧道的施工以及地下水的开发与利用 等等，都涉及到了岩体应力与地下水渗透力的耦合问题。因此，地下水的运动规律 以及渗流场和应力场的耦合问题，成为学者普遍关注的研究内容，同时也是一项兼 具理论和实践价值的重大课题。裂隙岩体中，地下水进行着一种复杂的动态流动过 程，在这一动态流动中，裂隙的空间形状和力学特性随着应力场与渗流场的变化而 变化，流体的水力学条件也在不断改变，因此，在上面所述过程中进行渗流与应力 耦合分析有必要的。 本文主要研究的是渗流应力耦合对露天矿边坡稳定性的影响。首先，笔者充分 搜集国内外裂隙岩体渗流场与应力场耦合研究现状， 然后采用理论分析、 数值模拟、 工程应用相结合的方法，先对单裂隙岩体渗流场与应力场的相互作用进行了研究， 再对多裂隙的露天矿边坡稳定性进行了分析。 本文研究主要内容如下所示根据前人的研究内容，概括归纳了裂隙岩体渗流 场与应力场耦合的数学模型。针对本文所运用的离散网络介质模型的特点和使用的 具体条件给出了比较详细的阐述， 而且对其求解的具体方法进行了深入具体的讨论； 对裂隙岩体渗流的基本理论做出了详细的介绍。在 NavierStokes 方程的基础上， 演算推导出了立方定律以及变隙宽裂隙渗流的基本方程，最后，总结了裂隙岩体渗 流与应力之间的关系；建立了裂隙岩体渗流场与应力场耦合的离散元求解模型，通 过离散元软件UDEC对单裂隙岩体的受力情况与渗透系数的关系进行了研究验证确 定了单裂隙的一些相关规律， 为后续的白云矿边坡模型提供了理论基础； 利用 UDEC 对白云鄂博 C 区 C3 亚区的渗流场与应力场进行了模拟分析，分别研究了降雨和边 坡开挖对边坡稳定性的影响，并计算了安全系数。分析比较得出了降雨和开挖对边 坡的影响情况。 关键词关键词裂隙岩体；渗流场；应力场；耦合；离散元 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract At present, accompanied by the urgent need of economic development, largescale human engineering activities are becoming more and more frequent, such as the open pit seepage and stress prevention and control of seepage in dam, the subway project on seepage control, drainage of mine groundwater dry buck, petroleum well drilling, subsea tunnel construction and groundwater development and utilization and so on, are related to the stress in rock mass and groundwater seepage force coupling problem. Therefore, the law of groundwater movement and the coupling of seepage field and stress field have become the research contents of the scholars, and it is also a major issue with both theoretical and practical value. Fractured rock mass, groundwater is a a complex dynamic flow process, in which a dynamic flow, fracture space shape and mechanical properties change with the changes of stress field and seepage field, fluid hydrodynamic conditions also is constantly changing. Therefore, in above the seepage and stress coupling analysis is necessary. Seepage stress coupling effect to the stability of openpit mine slope is the main research of this paper. First of all, the author fully collect the seepage field in fractured rock mass and stress field coupling research status, and the theoretical analysis, numerical simulation, engineering application of a combination of s, first of single fracture rock mass seepage field and stress field of interaction were studied and of multi crack open pit mine slope stability analysis. The main contents of the study are as follows According to the content of previous studies, summarizes the fractured rock mass seepage field and stress field coupling mathematical model. According to the model of discrete network media with the characteristics and the use of specific conditions gives a more detailed description of and the specific s to solve the were in-depth discussion；On the permeability of fractured rock masses of basic theory to make a detailed introduction. In based on the Navier Stokes equations, calculus for deriving the cubic law and variable aperture fissure 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III seepage of the basic equation. Finally, summarizes the seepage flow in fractured rock mass and the relationship between force；Establish the fractured rock mass seepage field and stress field coupling discrete element model, through the discrete element UDEC software of single fracture rock mass stress and penetration coefficient for the validation study. To determine the single fracture and some related laws, for subsequent beiyinite slope model provides theoretical basis； Using UDEC white cloud in Baiyun District C C3 sub district of seepage field and stress field were simulation analysis. Respectively, to study the rainfall and slope excavation on slope stability influence, and calculate the factor of safety. Analysis and comparison of the rainfall and excavation influence on the slope. Key words fractured rock mass; seepage field; stress field; coupling; discrete element 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 目 录 摘 要 ................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................. II 1 绪论 .................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及意义 ..................................................................................................... 1 1.2 裂隙岩体渗流特点 ................................................................................................ 1 1.2.1 岩石与岩体 ................................................................................................. 1 1.2.2 岩体渗流的特点 ......................................................................................... 3 1.2.3 裂隙岩体渗流的特点 ................................................................................. 3 1.3 渗流与应力耦合的研究现状 ................................................................................. 4 1.3.1 岩体渗流应力耦合模型的建立方法 ...................................................... 4 1.3.2 耦合模型的计算方法 .................................................................................. 5 1.3.3 岩体渗流应力耦合理论 .............................................................................. 5 1.3.4 数学模型研究现状 ...................................................................................... 7 1.4.数值计算研究现状 ................................................................................................. 8 1.5 课题研究内容及方法 ............................................................................................. 9 1.5.1 课题研究内容 ............................................................................................. 9 1.5.2 课题研究方法 ............................................................................................. 9 1.5.3 课题研究路线 ............................................................................................ 10 2.离散型网络模型及 UDEC 简介 ..................................................................................... 11 2.1 离散裂隙网络模型介绍 ....................................................................................... 11 2.1.1 岩体裂隙网络渗流与应力耦合机理 ........................................................ 11 2.1.2 裂隙网络的数学模型 ................................................................................ 12 2.2 裂隙岩体渗流场与应力场耦合的离散元求解模型 .......................................... 13 2.2.1 离散单元法的基本原理 ............................................................................ 13 2.2.2 离散元程序软件 UDEC ............................................................................ 15 2.3 本章小结 ............................................................................................................... 15 3.单裂隙渗透系数研究 ...................................................................................................... 17 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 3.1 天然岩体的裂隙特性 ........................................................................................... 17 3.2 单一裂隙渗流的基本规律 ................................................................................... 17 3.2.1 立方定律的推导 ........................................................................................ 17 3.2.2 修正的立方定律 ........................................................................................ 21 3.3 影响裂隙渗流的因素 ........................................................................................... 21 3.3.1 裂隙渗流与其应力的关系研究 ............................................................. 21 3.4.单裂隙岩体渗流应力耦合研究 ........................................................................... 22 3.4.1 模型概况 ................................................................................................... 22 3.4.2 压应力对渗透系数影响 ........................................................................... 23 3.4.3 数值计算研究 ........................................................................................... 24 3.4.4 相同条件下不同厚度裂隙的数值模拟 ................................................... 25 3.4.5 相同条件下不同角度下节理的数值模拟 ............................................... 27 3.4.6 0o单节理的等比例加载 ......................................................................... 32 3.5 本章小结 ............................................................................................................... 35 4. 裂隙岩体渗流场与应力场耦合的数值模拟 ................................................................ 36 4.1 白云铁矿东矿 C 区概况 .................................................................................... 36 4.2 矿区水文地质概况 ............................................................................................... 37 4.3 工程地质岩组及分区 ........................................................................................... 37 4.4 断层构造 ............................................................................................................... 38 4.5 东矿 C 区 C3 亚区地质模型的建立 .................................................................. 39 4.6 有关参数的取值 ................................................................................................... 40 4.6.1 地下水的孔隙水压力 ................................................................................ 40 4.6.2 定水头及其影响半径的确定 ................................................................... 41 4.7 降雨入渗对孔隙水压力的影响 ........................................................................... 42 4.8 开挖后渗流应力耦合作用下边坡稳定性分析 ................................................... 45 4.9.本章小结 ............................................................................................................... 50 5 总结建议与展望 .............................................................................................................. 51 5.1 总结建议 ............................................................................................................... 51 5.2 展望 ...................................................................................................................... 51 参考文献 ............................................................................................................................. 53 附录 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录 ............................................................ 57 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 致 谢 ............................................................................................................................. 58 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 选题背景及意义选题背景及意义 自然界的岩体是多相的、各部分不连续的介质体，这些介质体由于各种地质的 作用而被分割成为性质不同的裂隙。地下水是赋存在裂隙中的流体，其也受到地质 构造、地形、地层、水文地质及其他地质作用因素的影响，地下水的渗流运动受地 质构造的影响最大。岩体的力学性质以及渗透特性都受到来自裂隙的影响。研究地 下水活动规律，首先必须研究分析裂隙岩体渗流场与应力场的。地下水压发生变化 会引起岩体中应力的重新分布，而岩体中应力的重新分布又将引起岩体中裂隙张开 度的变化。因此，地下水压（渗流场）与应力场相互影响，应力场和渗流场的耦合 关系便确立了[15]。 我们日常生活中所看到的大多数岩体工程中，影响其稳定性的一个重要因素便 是裂隙中地下水的自由活动。根据权威机构统计，岩质边坡破坏的案例中，十之八 九都与水的渗流有关，还有大约 6000 多起矿井事故是因为地下水的参与，等等。直 到上世纪 60 年代之前，工程师进行设计时仍把岩体看作与土体渗流相同的多孔介 质，分析时还是用的连续介质渗流理论，这便是那时事故频发的主要原因。究其原 因，主要是因为人们对裂隙岩体渗流的特性认识上存在误区。地下巷道工程、煤矿 开采、地下水抽放、过山隧道等都涉及渗流与应力耦合问题。当然，露天矿边坡也 涉及到有关渗流与应力耦合的知识。因此，研究渗流场与应力场的耦合关系及其在 露天矿边坡的应用，成为学者普遍关注的研究内容，同时也是一项兼具理论和实践 价值的重大课题[67]。 1.2 裂隙岩体渗流特点裂隙岩体渗流特点 1.2.1 岩石与岩体岩石与岩体 首先，大家要明白的就是，岩石和岩体不是一个概念。他们之间属于从属关系， 岩体包含岩石，岩体有岩石组成。在地质科学中，我们一般把具有一定的化学成分 和结构的化合物成为矿物。而岩石在地质科学中的定义为具有一种或几种矿物且矿 物之间形成了一定结构；岩体的定义却是由多块岩石组成并且他们之间具有一定结 构，还有就是他们存在于地质环境中[8]。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 大自然中天然的地质体都是经过很长的地质历史才逐渐形成的，而且他们还必 须经历风吹日晒和多种地壳作用力，在这些因素的长期影响下，地质体本身会发生 各种各样的变化，进而会其内部会保存这些变化，这些变化就是我们通常所说的各 种地质构造，例如不整合、褶皱、断层、层理、片理、劈理和节理等。岩体就是一 种地质体，所以其内部也存在着各种地质变化而形成的地质构造，我们简称为节理 裂隙，也叫做结构面。结构面者，不连续面也，它的抗拉强度极低甚至没有抗拉强 度。由于结构面的存在，使得岩体被切割成不连续的结构体。换句话说，岩体的不 连续性都是由于结构面的存在引起的。因而，地质科学称这种岩体为不连续岩体或 节理裂隙岩体。 通常，结构面者，岩体之软弱面也，由于他的存在，岩体中应力分布及受力变 形就变得复杂了。而且它还降低了岩体的力学强度。因而，岩石块体与结构面共同 组成了岩体。岩石块和结构面共同对岩体的强度和稳定性起作用。根据一些我们掌 握了的资料[9]，我们可以知道在某些工程项目中，发生了伤亡惨重的事故，痛定思 痛，经过实验分析，发现由于岩体中存在着结构面，而岩体强度的降低的直接原因 就是岩体中结构面的存在，同时也导致岩体稳定性的降低。所以，岩石与岩体是两 图 1.1 岩体结构示意图 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 个完全不同的概念，岩体包括岩石。 1.2.2 岩体渗流的特点岩体渗流的特点 渗透性是用来表示岩体的渗流特性的物理量，众所周知，液态水只能沿连通孔 隙或裂隙进行渗流。渗透系数是用来衡量岩体的渗透性大小的一个物理量，孔隙大 小以及连通状况都会影响它的大小。 岩体是一种不均匀的裂隙介质，它的渗流特性与土体渗流特性有着天壤之别， 具体有如下几个特点岩体渗流的不均匀性、各向异性、非饱和性以及耦合特性。 在这些特性中，岩体渗流的耦合特性是本文的研究重点。 1.2.3 裂隙岩体渗流的特点裂隙岩体渗流的特点 研究裂隙岩体渗流场与应力场耦合，我们首先应该全面深入的了解裂隙岩体渗 流的性质。众所周知，岩体和土体之间天壤之别。相对于岩体来说，土体是比较均 匀的介质；而相对于土体而言，岩体的结构是块状的。孔隙性好而导水性差的岩块 孔隙系统和孔隙性差而导水性强的裂隙系统共同构成了岩体，所以它具有孔隙与裂 隙的双重介质。如上所述，岩体与土体在力学特性方面存在着很大差别，此差别也 决定了他们在渗流特性上存在着差别。岩体具有自己独一无二的渗流特性，这些特 性是土体所没有的。如下所示 [1011]。 （1）岩体各部分渗透系数各不相同 裂隙岩体各部分渗透系数各不相同首先，通常情况下裂隙的渗透系数比岩块 的渗透系数大成千上万倍，裂隙是地下水的一般路径；其次，不同的裂隙自身的几 何要素和物理性质的有很大的差别；三是随着空间区域的变化，裂隙岩体的渗透系 数发生明显的变化。 （2）渗透系数各向异性明显 如（1）所述，裂隙是地下水渗流的一般路径，而研究发现裂隙的生成方式主要 是构造，一般情况下成组生成，且通常情况下多组裂隙存在于某一区域岩体中，而 各组裂隙之间具有相同的物理以及力学特性，所以地下水在岩体中的流动不会漫无 目的了，而是具有了一定的方向性。因此裂隙岩体的渗透系数，方向不同，差异也 比较明显。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - （3）渗透介质类型难以界定 根据岩体裂隙介质的典型单元体REV是否存在，从而确定采用哪种介质模型 分析地下水渗流。典型单元体定义为能够反应岩体渗流特性的最小体积。因为进行 试验时，试样体积超过典型单元体时，渗透系数会达到一个定值，不在发生变化。 典型单元体简称为 REV。 对于整个裂隙岩体来说，由于裂隙的数量、规模以及长度存在着较大的不同， 所有能代表整个研究体的 REV 一般体积都比较大，并且不容易找到，更有甚者，研 究人员压根就找不到 REV。综上所述，渗透介质模型很难进行确定。 （4）渗透与应力的耦合作用显著 裂隙变形是岩体受到荷载作用下产生的。裂隙变形会引起裂隙内水的渗流状态 发生变化， 而引起渗流力发生比较明显的变化， 于是渗流场又反过来影响岩体荷载， 即影响应力场。这样就形成了渗流与应力耦合作用。与此同时，大量的实验实践告 诉我们，渗透与应力的耦合作用显著。 1.3 渗流与应力耦合的研究现状渗流与应力耦合的研究现状 从上世纪 60 年代至今， 对于裂隙岩体结构的复杂性和多样性， 学者们集思广益， 经过对大量的试验及工程实例的研究，在渗流与应力耦合的各个研究领域都取得了 一定的进展。 本文概括为如下 耦合模型建立方法以及计算方法取得了较大的发展， 而且耦合的相关理论也有了很大的进展。 1.3.1 岩体渗流岩体渗流应力耦合模型的建立方法应力耦合模型的建立方法 1.3.1.1 机理分析法 机理分析法， 顾名思义就是通过分析岩体裂隙与地下水之间的力学作用的机理， 运用物理学中力学以及数学方法，从而建立起兼具力学与数学的耦合模型。它的优 点是简便快捷，一般应用于比较简单的模型。它的不足之处是无法进行较复杂模型 的建模。 1.3.1.2 混合分析法 混合分析法，由词语的意思可以知道，它是运用两种及以上的分析方法来进行 分析的。实际上它确实是由两种分析方法共同组成的，分别是机理分析方法和试验 分析法。其数学模型也是融合了机理分析与试验分析的分析结果，因此学者称它为 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 混合建模法。这种方法弥补了采用单一的机理分析方法的不足，是一种应用广泛的 分析方法。 1.3.1.3 系统辨识方法 系统辨识方法是一种估算的分析方法，它的原理是人为的输入响应然后通过测 量系统给出输出响应，最后研究员再进行必要的数据处理便得到了我们想要的结果 [11]。 1.3.2 耦合模型的计算方法耦合模型的计算方法 1.3.2.1 迭代耦合法 通常情况下，迭代法包含两个及以上的分析模块，因为通常分析时不只一种物 理环境，所以需要多个模块来模拟各个不同的环境。而通过模块求得的结果又互为 外加荷载或者边界条件。迭代法通常先要将渗流场与应力场分别计算，然后才把两 场进行迭代计算，最后得到自己想要的结果。陈平、张有天[12]对渗流应力耦合做了 一些研究，他们的研究是以现有的一些裂隙渗流理论以及本构关系为依据，而渗透 系数采用的是前人的经验公式得到的。此法的优点就是比较容易，可以利用现成的 两场耦合程序进行分析，但是，它最后也没有将两场看成一场来进行分析，所以， 严格意义上，这不能算是一种耦合算法。 1.3.2.2 直接耦合法 直接法即是参考所有有关的物理量，然后组成各个物理量有关的矩阵，最后结 合为总耦合矩阵。它的优点是比较直观可见，计算结果也容易调节。王媛等[15]利用 直接耦合法，通过实验与理论研究提出了物理意义更全面的耦合法用来分析渗流应 力耦合。杨志锡[16]等根据直接耦合法进行了理论分析与数值计算，得出他们的一些 新方法。 1.3.3 岩体渗流应力耦合理论岩体渗流应力耦合理论 1.3.3.1 土体介质的渗流应力耦合 土固结理论是渗流耦合问题的鼻祖。土固结理论的大体内容是当土体所受的 外部作用力增加时，土体体积逐渐减小，此时，土体中的自由水会从土体中流出， 那么此时土体中自由水所受的力会转移到土的骨架上，直到他们之间的作用力达到 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 平衡为止。 上世纪 20 年代， 现代土力学之父 Terzaghi 经过一定的努力， 提出