裂隙岩体表征方法及岩体水力学特性研究

第27卷第9期岩石力学与工程学报Vol.27No.92008年9月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringSept.，2008收稿日期：2008–05–18；修回日期：2008–07–02基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2006BAK30B02)作者简介：刘晓丽(1978–)，男，2001年毕业于辽宁工程技术大学力学与工程科学学院工程力学专业，现为博士研究生，主要从事水岩耦合理论与应用及隧道风险评估方面的研究工作。E-mail：[e-mail]裂隙岩体表征方法及岩体水力学特性研究刘晓丽1，2，王恩志1，王思敬1，3，樊赟赟1(1.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084；2.瑞士洛桑联邦高工岩石力学实验室，瑞士洛桑CH–1015；3.中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029)摘要：岩体中裂隙展布的多样性和随机性是裂隙岩体工程特性研究的关键问题。考虑岩体裂隙几何形态(走向、倾角、迹长、间距、隙宽等)的随机性，利用MonteCarlo模拟技术，编制裂隙网络生成程序RFNM2D和RFNM3D。利用RFNM，不但能够生成可以描述和表征岩体及其裂隙结构信息的虚拟裂隙网络岩体，还能够将生成的裂隙网络岩体进行数值离散化，从而可以直接和多种数值计算方法(有限元法、离散元法等)相结合来解决实际工程问题。因此，RFNM生成的裂隙网络岩体实际上是一种数字随机裂隙岩体模型。基于渗流力学理论，应用有限元方法编制软件GeoCAAS，研究裂隙岩体的水力学特性，探讨裂隙几何形态对渗流性状的影响。关键词：岩石力学；MonteCarlo模拟技术；随机裂隙岩体；数字裂隙岩体模型；岩体水力学中图分类号：TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2008)09–1814–08REPRESENTATIONMETHODOFFRACTUREDROCKMASSANDITSHYDRAULICPROPERTIESSTUDYLIUXiaoli1，2，WANGEnzhi1，WANGSijing1，3，FANYunyun1(1.StateKeyLaboratoryofHydroscienceandEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2.RockMechanicsLaboratoryinEcolePolytechniqueFédéraledeLausanne(LMR-EPFL)，LausanneCH–1015，Switzerland；3.InstituteofGeologyandGeophysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China)Abstract：Themultiplicityandrandomnessoffracturesdistributioninrockmassarekeyissuesinresearchonengineeringpropertiesoffracturedrockmass.Therandomnessoffracturesgeometricalshapes(orientation，dip，tracelength，spacing，andwidth)offracturesisconsidered；andMonteCarlosimulationtechniqueisadoptedtodevelopanewcodeRFNM(includingRFNM2DandRFNM3D).ByRFNM，notonlythevirtualfracturedrockmass，inwhichthestructureinformationoffracturesisdescribedandtherealengineeringrockmassisrepresented，canbegenerated；butalsothedigitalfracturedrockmasscanbediscretizedandthenbecombinedwithnumericalmethods(suchasFEM，DEM，andsoon)tosolvepracticalengineeringproblems.Therefore，thevirtualfracturedrockmasswithrandomfracturenetworksisadigitalfracturedrockmassmodelactually.Inaddition，basedonseepagetheoryofporousmedia，FEMisadoptedtodevelopthesoftwareGeoCAAS(geo-engineeringcomputeraidedanalysissystem).Thehydraulicpropertiesoffracturedrockmassarestudied；andtheeffectsoffracturegeometricalshapesontheseepagepropertiesarediscussed.Keywords：rockmechanics；MonteCarlosimulationtechnique；randomfracturedrockmass；digitalfracturedrockmassmodel；rockhydraulics第27卷第9期刘晓丽，等.裂隙岩体表征方法及岩体水力学特性研究•1815•1引言自20世纪70年代以来，裂隙岩体的渗流特性及其数值模拟一直是国内外学者研究的热点问题，并已取得了丰富的成果[1～10]。随着计算机技术和数值计算方法的发展，数值计算越来越多地用于岩石力学与岩石工程问题[11，12]。省时、省力、灵活、经济是数值计算相比于理论分析和试验手段所具有的优势。而有效模拟岩体的工程特性，却是岩石工程数值计算的前提和挑战。在长期的地质历史过程中，岩体中孕育了大量的断层、裂隙、节理，这些结构面使得岩体的力学特性和水力学特性异常复杂，不但具有非连续性、非均质性、各向异性和非弹性(DIANE)[13]，还具有多尺度效应。岩体中结构面对岩体工程特性的控制作用要求用任何一种方法分析岩体工程问题时，必须体现岩体的这些结构，只有这样才有可能比较准确地描述岩体的工程特性。因此，数值计算必须和岩体的结构特性相结合，才能有效地解决岩石力学和岩石工程问题。近年来，从岩体结构和形态出发，基于大量的野外岩体结构面实测资料统计，应用概率与统计理论研究岩体中大量随机结构面的方法在众多工程中得到应用与验证[14～16]。然而，迄今为止，能正确地描述岩体中各种结构的分布，并将其与岩石力学数值计算方法相结合的应用实例还很鲜见[12]。本文针对裂隙岩体，考虑岩体裂隙几何形态(走向、倾角、迹长、间距、隙宽等)的随机性，利用MonteCarlo模拟技术，编制了二维和三维裂隙网络生成程序RFNM(rockfracturenetworkmodelling)。利用RFNM不但能够生成可以描述和表征岩体及其裂隙结构信息的裂隙网络岩体，还能够将生成的裂隙网络岩体进行数值离散化，从而可以直接和多种数值计算方法(有限元法、离散元法等)相结合来解决实际工程问题。由于RFNM生成的裂隙网络模型实现了对每条裂隙的精确定位，能够结合实际工程现场调查研究每条裂隙的工程特性演化规律，因此，本文称其为数字裂隙岩体模型。基于多孔介质渗流力学理论，应用有限元法编制了软件GeoCAAS(geo-engineeringcomputeraidedanalysissystem)[17]，通过将数字岩体模型和有限元法相结合，研究了裂隙岩体的水力学特性，探讨了裂隙几何形态对渗流性状的影响。2数字裂隙岩体模型地质体是一个复杂的未知系统，如何尽可能多地获得地质体内的信息并有效利用是对地质体工程特性进行评价的关键。工程岩体中一般含有数量众多、几何结构难以一一确定的节理和裂隙。基于有限的地质测量数据，利用统计方法分析，获得这些结构体的几何特征(走向、倾角、迹长、间距、隙宽等)分布规律，进而运用MonteCarlo模拟技术，得到与现场勘察的结构体具有相同统计规律的随机裂隙网络结构来描述真实的工程岩体。尽管从原理上说，因为某些尺度上的裂隙可能不存在统计分布规律或者模拟的随机裂隙网络和实际测量裂隙只是统计意义上的一致，这种研究的结构体系并不严密，但在当前研究水平上，这是一条合理、可行、有效的研究途径。近20a来，裂隙网络随机模拟技术得到了很快发展，并日趋成熟[14～16]。本文先采用MonteCarlo模拟技术根据工程岩体裂隙测量和统计数据生成随机裂隙网络。随机裂隙网络由一系列裂隙组合而成，每条裂隙的几何结构信息都保存在裂隙结构数据文件中，计算过程中，裂隙结构数据可以不断更新，进而可以获得每条裂隙的变形演化过程。将裂隙网络结构和研究区域的边界联合起来，在空间上统一进行离散，得到基于某种数值计算方法的网格信息(块体结构或节点信息)。通过以上分析可以看出，利用本文方法得到的岩体模型实际上是对工程岩体的数字化，因此作者称其为数字裂隙岩体模型。本文主要利用有限元法进行数值分析，文中将包含裂隙网络结构的研究域进行有限元网格离散。数字裂隙岩体模型的生成主要包括两部分：岩体裂隙网络随机模拟过程和含裂隙网络岩体的统一离散化过程。2.1岩体裂隙网络随机模拟岩体裂隙网络随机模拟的步骤[14～16，18]一般为：(1)选取工程岩体的特征尺度为研究域，通过测线法或统计窗方法对研究域裂隙几何结构信息进行测量和调查；(2)对裂隙测量数据进行统计分析，建立各组裂隙几何结构要素的概率模型，并通过数据拟合的方式确定概率模型中的特征参数；(3)采•1816•岩石力学与工程学报2008年用MonteCarlo技术进行随机模拟，确定各组裂隙的条数、中心位置、迹长(半径)、产状和隙宽等几何要素；(4)结合现场测量数据，对各组裂隙的模拟结果进行有效性检验，组合各组裂隙生成裂隙网络。根据已有的岩体裂隙研究成果以及地质工程实践可知，岩体裂隙的几何要素一般都具有统计规律，服从某一种或几种类型的概率分布。一般来说，裂隙的条数依据其密度服从Poisson随机过程；裂隙中心点位置服从研究域内的均匀分布；产状(走向和倾角)通常服从Bingham分布、单变量或双变量Fisher分布、双变量正态分布或对数正态分布、均匀分布等；迹长(半径)和隙宽服从负指数分布或对数正态分布。表1所示为几种典型的概率分布函数及随机变量的取值[7]。在实际工程应用中，必须根据现场测量数据，通过数据拟合来确定裂隙几何要素分布形式。基于以上分析，本文编制了裂隙网络生成程序RFNM2D和RFNM3D，实现了岩体裂隙网络的自动生成。利用RFNM，可以根据工程地质水文地质勘察资料，生成含单组或多组、充填或非充填、断续或连通的随机裂隙岩体，如图1，2所示。2.2岩体裂隙网络离散化裂隙网络模拟提供了具有较为完备的几何信息和非几何信息的裂隙岩体特征模型，而将其自动转换成有限元模型，是目前有限元建模技术的一个难点。有限元网格生成是有限元计算手段走向工程应用的桥梁，研究有限元网格生成算法对于计算几何和计算数学具有重要的理论价值[19]。基于裂隙岩体结构的复杂性，其有限元网格的实现包括了模型区域分解和子域网格划分两个过程。上述所建立的裂隙岩体特征模型，已经完成了区域分解过程(分解成岩体基材料域和岩体裂隙域)。对于每个区域，本文利用波前法实现有限元网格的自动划分，其基本流程是：(1)离散待剖分域的边界，二维待剖分域的边界离散后是首尾相连的线段的集合，三维待剖分域的边界离散后是拓扑相容的三角形面的集合，离散后的域边界称为前沿；(2)从前沿开始，一次插入一个节点，连接生成一个新的单元；(3)前沿继续向域内推进，此过程(插入节点、生成新单元、更新前沿)不断循环，直到两个相向的前沿相遇，表明整个域剖分结束。表