岩石节理面形态与水力特性研究-中国科技论文在线.pdfVIP

第 8卷 第 3期 水 科 学 进 展 VoI．8 No．3 1997年 9月 ADVANCES IN W ATER SCIENCE Sep． 1997 岩石节理面形态与水力特性研究。 周创兵 叶 自桐 韩 冰 (武汉水利 电力大学 武汉 430072) 摘 要 通过节理面粗糙度测量 、张开度模拟 、节理渗漉试验及有限元数值分析 ，探讨了岩石节 理复杂的水力特性 。研究表 明 ，节理渗流具有 明显的不均匀性 、各 向异性及与变形耦 台等性质 ，节 理的渗透系数与法向应力之间呈负指数关系。 关键词 岩石节理 粗糙度 张开度 水力特性 分娄号 TV223．6 1 引 言 节理是岩体 中分布最为广泛的一类地质不连续面 。岩体渗流在本质上是不连续面及其 网 络的渗流 问题 。因此 ，节理水力特性的研究对于认识岩体的水力学性质具有重要意义。 节理 的透水性主要受节理地质属性 的影响 ，尤其受节理的形态及张开度的控制。在岩石 节理粗糙度研究方面 ，Barton[1建议采用粗糙度系数 JRC表征节理面 的粗糙程度 ，井提 出了 10个典型节理剖面的JRC值 。在实际工作中，JRC的取值较多地依赖于岩石工程经验 。为了 减少JRC取值时的人为性 ．一些学者 (Tse和Cruden，Reeves，Yu等)采用统计方法确定 JRC值 ]。近几年．还有学者 (Lee、Carr、谢和平等)采用节理面的分形维数表征粗糙度[s ]。 Barton和Bakhtar曾根据节理的JRC值估算节理的张开度 ]，但没有提出张开度与应力状态 的关系 。 早期在节理水力模型研究时．大多采用平板模型。由于通过节理的单宽流量与平板开度 的立方成正 比，故称为立方定理 。已有 的研究表 明，立方定理仅近似地描述两侧壁光滑平直 且无充填节理的渗流规律 。但 Tsang等认为，节理面渗流出现沟槽流现象 ]，立方定理不能 成立 。 应当指出，岩体水力学问题较早被提出，但研究进展缓慢 ，这是 由岩体地质特征的复杂 性所决定的。本文通过节理面粗糙度测量、节理张开度的模拟 、节理渗流试验及有限元数值 分析 ．讨论了节理渗流的不均匀性，各向异性及与变形的耦合性质等 ．为研究岩石节理的水 力特性探索了一条新的途径 。 本文于 1995年 12月 25日收到，1996年 6月24日收到修改稿 。 *国家 自然科学基金资助项 目 (No。 转载 中国科技论文在线 234 水 科 学 进 展 8卷 2 节理面的粗糙度 岩石节理面的形态特征可 以由起伏度和粗糙度进行描述 ，前者通常采用起伏角 i表征，后 者则用粗糙度系数 dRC和分形维数 D表征。起伏角 i一般可 由天然节理的宏观量测予以确 定 ．而 JRC和 D 需要进行微观量测进行估计 2．1 粗糙度的量测与统计分析 在三峡坝址采取了三件节理样品，其 中一块加工后的试件尺寸为 31cm×17cm。采用游动 的千分表沿某一方 向按一定的间距测定节理面的相对起伏高差，共获得 727个数据序列。根 据测量数据 ，计算统计量z ：： Z，：√∑ l二 (1) 式中 L为某一测量方向上节理面的长度}z和 z 分别为第 i个、第 +1个测点处的横坐 标 ；Y 和 分别为 、z