裂隙岩体渗透系数张量的反演分析岩石力学与工程学报.PDF

( ) 第16 卷　第 5 期 岩石力学与工程学报 16 5 : 461～ 470 1997 年 10 月 Ch inese J ou rna l of R ock M echan ics and E ng ineering O c t. , 1997 裂隙岩体渗透系数张量的反演分析 朱岳明　张燎军　吴　忄音 (河海大学水电系　南京　210024) 摘要　视岩体为非均质各向异性渗透体, 以渗流场中测点水头及流量的计算值与实测值的最 佳拟合为准则, 把反演岩体渗透系数张量等参数的反问题归结成一个数学优化问题。为了确 保反演计算的顺利进行, 对极小化目标函数设置惩罚性附加项, 在计算机上自动求得岩体工 程中三维复杂渗流场反问题的解。最后介绍一个复杂工程实例的求解。 关键词　裂隙岩体, 渗透系数张量, 渗流反问题, 优化, 结点虚流量法 1　前言 一般地, 岩体的渗流特性主要取决于岩体中各裂隙结构面的渗透性。因结构面有成因 复杂、历史悠久和不确定性影响因素多等特点, 岩体渗流特性的个性极为突出, 离散性大, 参数的可能取值范围大, 相互间之比常可达多个数量级。对于常见的工程渗流问题, 岩体 常可视为强非均质各向异性的连续体, 各区的宏观渗流特性需用渗透系数张量来表示。但 目前仍没有一种在理论上严密的、能较准确、快速和经济地确定岩体渗透系数张量的试验 或计算方法。 为了尽量弄清岩体地质构造体系及其渗流特性等, 在水利工程中, 一般事先都得进行 大量地质勘探、压水试验及地下水水头的观测等工作, 有时还尽可能准确地对地质平硐等 洞室中的地下水突逸点和天然泉水的出露点进行认真的观测记录。这些现场观测资料是岩 体中各种实际渗流影响因素综合影响结果的集中表现。因此, 按某种或某些算法, 依据尽 可能多的测点的原始观测数据来反演岩体中的各个渗透系数张量与边界条件等参数的工作 已是岩体渗流场求解与渗控设计工作的重要组成部分。近年来这一工作已越来越受重视。 作者在已有工作的基础上[ 1～ 4 ] , 鉴于工程实践中尤其是在拟建和在建工程中, 在渗流 场方面往往只有很少的观测期短且观测间断性突出的测点的钻孔水位资料和离散性很大的 [ 5 ] 压水试验结果资料的事实, 采用有限单元法及优化理论 , 迭代反演岩体中各子区的渗透 系数张量。并且针对水利工程中的渗流反问题规模大、待定参数多、参数取值范围大、渗 流场有自由面、有限元支配方程组的病态性强等特点, 为了确保反演计算能顺利地进行, 避免解题时计算被迫或自动中断的现象, 使能得到问题的真解或能够满足工程精度要求的 1995 年 8 月 4 日收到初稿, 1995 年 12 月 4 日收到修改稿。 系国家教委优秀年轻教师基金和水利技术开发基金项目的部分成果。 4·62 · 岩石力学与工程学报 1997 年 较优解, 采用的主要措施有: 一方面在用固定网格求解自由面渗流问题的结点虚流量法[ 3 ] 中, 为了提高程序的收敛能力, 尽可能在算法上严密地挖掘和在程序中采用多种计算策 略; 另一方面在优化目标函数中设置了惩罚性附加项,