第四章 岩体的力学特性.ppt

2.8 岩体的水力学特性 2.8.1 渗流的基本概念 1、渗流(seepage)及其假定： 研究地下水的运动，一般不去直接研究个别液体质点的运动规律，而是研究岩体内液体的平均运动，即研究具有平均性质的渗流规律。用一个假想的充满整个含水层（包括全部空隙和岩石颗粒所占空间）水流代替真实的水流。 2.8 岩体的水力学特性 2.8.1 渗流的基本概念 1、渗流(seepage)及其假定： 水流通过同一断面的流量与真实水流的流量相等； 在某一断面上的压力或水头等于真实水流的压力或水头； 在任一体积内所受的阻力等于真实水流所受的阻力。 满足下列条件的假想水流称为渗流水流或简称渗流: 2、渗透速度（渗流速度） 渗流垂直于过水断面渗流平均速度，称为渗透速度，即 式中，v 为渗透速度；A 为过水断面（m2）；Q 为渗流量（L/s），即单位时间通过过水断面的渗流体积（升）。 3、渗流基本定律 渗流的基本定律是达西定律，其表达式为： 式中 I 为水力坡度，K 渗透系数(permeability coefficient) 。 在实际的地下水流中，水力坡度往往各处不同，所以更一般的表达式是：?? ——适用于层流(laminar flow) 在紊流(turbulent flow)，的情况下，地下水的渗流服从哲才（A.Chezy）公式 式中，Kc 为紊流时的渗透系数。 岩体与水共同作用所表现出来的力学性质。 2.水与岩体（或应力）相互耦合作用下的力学效应 水在岩体中的作用： 2.8.2 岩体水力特性 1.水对岩石的物理化学作用 岩体水力学性质： 一、单个结构面的水力特征 1、平直光滑无充填贯通结构面 假设如图，有微分方程 牛顿粘滞定律 平均流速 边界条件 2、非平直光滑无充填贯通结构面 K2为结构面的面连续性系数 c为结构面的相对粗糙修正系数 h为结构面起伏差 为水的运动粘滞系数（cm2/s）， 1、含一组结构面岩体的渗透性能 二、裂隙岩体的水力特征 设结构面的张开度为e，间距为S，渗透系数为Kf；岩块的渗透系数为Km。 根据结构面发育的随机性，借助计算机有哪些信誉好的足球投注网站出一定范围内的连通结构面网络图，在此基础上，进一步计算岩体的渗透张量。 2、含多组结构面岩体的渗透性能(permeability) 3、岩体渗透系数的测试 p 为试验压力，用压力水头（m）表示。 岩体渗透性系数: 式中，r0 为钻孔半径；a 为与试验段位置有关的系数，当试验段底与下部隔水层的距离大于试验段长度时，a=0.66, 反之, a=1.32 抽水试验 压水试验 单位试验压力下、单位长度试段在单位时间内的岩体的吸水量。 岩体单位吸水量: 按巴布什金经验公式计算： 岩体渗透性分级 渗透性 等级 标准 岩体特征 渗透系数(cm/s) 极微透水 0~10-6 含张开度＜0.025mm裂隙的岩体 微透水 10-6~10-5 含张开度0.025~0.05mm裂隙 弱透水 10-5~10-4 含张开度0.05~0.1mm裂隙 中等透水 10-4~10-2 含张开度0.1~0.5mm裂隙 强透水 10-2~1 含张开度0. 5~2.5mm裂隙 极强透水 ≥1 含张开度＞2.5mm裂隙或连通孔洞 三、地下水对岩体水力作用 1、静水压力作用 在裂隙充水的情况下，不连续面的抗剪强度为： 式中， s 是无水情况下不连续面上的正应力；u 是静水压力。 2、动水压力作用 动水力： 当地下水在裂隙中流动时，会受到阻力，同时它对岩体产生一个大小相等、方向相反的力，这种力是一种体积力，是地下水流动对裂隙壁及壁内充填物质的作用力 式中，s 为渗流路径；H 为地下水水头高；rw 为地下水密度；Z 为位置高程。 在非均匀各向异性岩体中，动水力可表示为 2.8.3 岩体渗流场与应力场的耦合模型 1、渗流场(seepage field) Louis（1974）提出了岩体水力学的概念，它把岩体水力学作为岩体力学的一部分 。在岩体中存在着在应力场、地温场和地下水渗流场，这三种场都与岩体的稳定性有关，它们与岩体相互作用、相互影响。 渗流速度与渗流应力的空间分布状态 2、渗流场与应力场的耦合模型 （1）渗流场与应力场的等效连续介质模型 把岩体看作一种等效连续介质，把裂隙渗流平均到岩体中，运用渗透系数张量描述岩体的渗透性能，用应力张量描述岩体的力学性能，可用经典的孔隙介质渗流分析方法，使用方便； 鉴于结构体近乎隔水状态，将岩体中的渗流看作裂隙网络流，在弄清每条裂隙的空间方位、隙宽等几何参数的前提下，以单个裂隙水流基本公式为基础，利用流入和流出各裂隙交叉点的流量相等来求其水头值，这种模型接近实际，但处理的难度大，数值分析工作量大； 双重介质模型把岩块视为渗透系数较小的渗透连续介质，研究岩块孔