裂隙巖體水力學(xué)模型的建立

張延玲　徐朝霞

【摘要】庫(kù)岸邊坡常因庫(kù)水位變動(dòng)而失穩(wěn)，并且?guī)r體在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)經(jīng)歷了多次反復(fù)的地質(zhì)作用，經(jīng)受過(guò)變形、破壞，形成了一定巖石成分和結(jié)構(gòu)，尤其是巖石里面的節(jié)理裂隙，由于水在裂隙中流動(dòng)，影響巖石的各種特性，控制著巖體的變性破壞特征，但是傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)模型很難反映出水在裂隙中的流動(dòng)規(guī)律，本文簡(jiǎn)單論述一下如何運(yùn)用UDEC建立斜坡離散裂隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬計(jì)算模型，可以更加正確的反映巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。

【關(guān)鍵詞】斜坡；庫(kù)水；UDEC；離散裂隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬計(jì)算模型

1、引言

庫(kù)岸邊坡常因庫(kù)水位變動(dòng)而失穩(wěn)，尤其是巖石里面的節(jié)理裂隙，由于水在裂隙中流動(dòng)，影響巖石的各種特性，控制著巖體的變性破壞特征。本文簡(jiǎn)單論述一下如何運(yùn)用UDEC建立斜坡離散裂隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬計(jì)算模型，可以更加正確的反映巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。從而可以幫助我們揭示一些裂隙巖體邊坡在各種水的作用下的下變形機(jī)制，為一些巖質(zhì)邊坡的防治提供科學(xué)的理論依據(jù)。

2、離散單元法的基本原理

離散單元法是1970年由Cundall首次提出的，于1986年由王永嘉引入我國(guó)，是專門(mén)針對(duì)不連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題提出的數(shù)值模擬解決方法，它對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的研究是將所研究的邊坡巖土體劃分為一個(gè)個(gè)小塊，通過(guò)每一個(gè)小塊間的相互作用，以及力與位移的相互作用建立方程。通過(guò)一次次的迭代，配合所建立的平衡方程，使每一個(gè)小塊都達(dá)到平衡狀態(tài)。由于離散單元法是通過(guò)計(jì)算塊體之間的作用得到的結(jié)果，所以這種方法可以分析實(shí)際巖塊間大位移的情況，而且可以詳細(xì)的解析出巖體內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變的分布情況。它還有一個(gè)重要特點(diǎn)，既其求解平衡方程是利用時(shí)間差分法。因此該方法在實(shí)際工程中可以彌補(bǔ)有限元法的缺點(diǎn)，進(jìn)而求解非均質(zhì)和不連續(xù)體的大位移和大變形的問(wèn)題。

2.1離散元程序UDEC

UDEC（Universal Distinct Element Code）是一款由ITASCA公司基于離散單元法原理開(kāi)發(fā)并推廣應(yīng)用的二維的大型商用數(shù)值模擬軟件。UDEC對(duì)模擬節(jié)理化巖體材料介質(zhì)在準(zhǔn)靜態(tài)及準(zhǔn)動(dòng)態(tài)荷載條件下的反應(yīng)過(guò)程特別合適，它不但能夠?qū)崿F(xiàn)接觸脫離的模擬，而且可以自動(dòng)偵測(cè)并識(shí)別新的接觸產(chǎn)生，并模擬其力學(xué)行為。UDEC數(shù)值分析程序是為一系列工程問(wèn)題開(kāi)發(fā)的專業(yè)求解工具，例如：它可以應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)、地震、礦山、核廢料處理、能源等問(wèn)題的研究。

2.2裂隙巖體離散裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)模型研究

巖石中有很多斷層、節(jié)理、裂隙，統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)面，在巖石水力學(xué)中都稱之為裂隙。水在裂隙巖石中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常復(fù)雜，任何一種數(shù)學(xué)模型都很難正確的反映巖體滲流的真實(shí)規(guī)律性。巖石中有很多斷層、節(jié)理、裂隙，統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)面，在巖石水力學(xué)中都稱之為裂隙。水在裂隙巖石中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常復(fù)雜，任何一種數(shù)學(xué)模型都很難正確的反映巖體滲流的真實(shí)規(guī)律性。實(shí)際工程中的大量巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)破壞不僅僅是一個(gè)巖體對(duì)水或單純的水對(duì)巖體的作用問(wèn)題，而是水—巖耦合作用的研究，所以建立合理可行的裂隙巖體水力學(xué)模型是至關(guān)重要的。

水在裂隙巖石中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常復(fù)雜，任何一種數(shù)學(xué)模型都很難正確的反映水在裂隙巖體中運(yùn)動(dòng)的實(shí)際規(guī)律。

目前主要有下面三種裂隙巖體水力學(xué)模型：第一，擬連續(xù)介質(zhì)模型；第二，離散介質(zhì)模型；第三，雙重介質(zhì)模型。這幾種模型前面第一章有介紹過(guò)。三種模型各有其特點(diǎn)，但均存在計(jì)算工作量巨大和難以滿足實(shí)際工程精度要求等缺陷，為避免這類缺陷，采用分形理論，并根據(jù)裂隙發(fā)育規(guī)模與工程尺度的關(guān)系，提出了基于巖體與流體相互作用的擬連續(xù)介質(zhì)模型和離散介質(zhì)模型耦合的計(jì)算模型。對(duì)于巖體中大的裂隙斷層之類采用離散介質(zhì)模型，對(duì)于含有小的裂隙、微裂隙的巖體采用擬連續(xù)介質(zhì)模型，然后根據(jù)兩類介質(zhì)接觸處的水頭相等及位移連續(xù)從而建立裂隙巖體水力學(xué)模型。在該模型中首次提出了跨越尺度效應(yīng)的滲透張量表達(dá)式。耦合模型使用離散介質(zhì)滲透理論描述巖體主干裂隙中的水運(yùn)動(dòng)，使用連續(xù)介質(zhì)滲流理論來(lái)描述巖體次要裂隙及孔隙的儲(chǔ)水性質(zhì)。

離散裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)模型就是把巖塊本身確定為不透水，水只沿裂隙流動(dòng)，地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是通過(guò)巖體內(nèi)部的裂隙網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)的。對(duì)于表征單元不存在或者存在但是很大的巖體，離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型更適合分析這類巖體的滲流特征。本文就是通過(guò)離散元軟件UDEC建立離散裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)模型，根據(jù)邊坡典型剖面，通過(guò)提取坐標(biāo)建立塊體單元，然后根據(jù)其中的層面和統(tǒng)計(jì)的節(jié)理，將編制的程序?qū)氲経DEC中生成裂隙巖體離散裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)模型（DFN）。

3、模型建立舉例

選取一巖質(zhì)邊坡剖面圖，考慮其內(nèi)部的巖層層面和斷層面建立地質(zhì)概化模型，具體見(jiàn)圖1。在對(duì)此概化模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)，考慮到庫(kù)水對(duì)岸坡的影響，岸坡剖面剖分的相對(duì)較密，采用UDEC軟件自動(dòng)生成的三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，這樣處理在不影響模擬效果的同時(shí)能節(jié)省大量機(jī)時(shí)。共剖分273個(gè)塊體，16663個(gè)單元，10674個(gè)結(jié)點(diǎn)（圖2）。然后選取一定的參數(shù)和工況，進(jìn)行數(shù)值模擬，就可以得到邊坡水壓力場(chǎng)、變形特性、應(yīng)力場(chǎng)特性、斜坡穩(wěn)定性等。

4、結(jié)論及展望

本文簡(jiǎn)單論述一下如何運(yùn)用UDEC建立斜坡離散裂隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬計(jì)算模型，離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型跟傳統(tǒng)的擬連續(xù)介質(zhì)模型比較，可以更加正確的反映巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，運(yùn)用離散裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)模型可以更加準(zhǔn)確的模擬水在裂隙巖體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

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