岩体裂隙渗流立方定律修正及其工程应用

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天然岩体在长期地质构造作用下,断层、节理、裂隙等结构面纵横交错,构成岩体渗流的主要通道,其粗糙起伏、连通率等因素决定了裂隙岩体的渗透特性。研究裂隙岩体渗流对水利水电工程、边坡工程、隧洞工程、油/气能源地下储存、核废料地质处置等有着重要的意义。本文从水利水电工程应用出发,首先针对单裂隙渗流特性开展研究,分别提出了基于多粗糙参数和基于JRC指标的节理裂隙立方定律修正系数公式;然后依托某水库工程,将提出的修正系数公式应用于渗透张量的求解中,并对库区渗流场特性开展研究。主要研究成果如下:(1)提出了包含多个粗糙参数的节理裂隙立方定律修正系数公式。采用有限体积法,对粗糙节理裂隙进行精细模拟,提出了考虑裂隙面相对凸起高度、起伏角和曲折度的立方定律修正系数公式;通过与其它修正系数公式的对比分析,同时通过Barton提出的10条典型JRC曲线构建的裂隙模型,验证了本文提出的修正系数公式精度较高,且适用于任意天然裂隙。(2)提出了基于JRC指标的立方定律修正系数公式。该公式形式简单,工程实用性强,适用于水利水电工程中裂隙岩体渗流特性的快速估算,在实际岩体工程中有很好的应用前景。(3)讨论了本文提出的立方定律修正系数公式的适用范围。结果表明:公式不仅适用于层流流态,同时也适用于部分过渡流流态。对于水电工程中关注的大长节理裂隙,在不发生渗透破坏的情况下,本文提出的修正系数公式是适用的。(4)对某岩溶地区水库工程开展三维渗流场分析,并将基于JRC指标的立方定律修正系数公式进行应用。首先采用有限单元法,依据天然河流水位、地下水位以及地下水补给、排泄等相关资料,反演渗流边界条件,得到库区初始渗流场;接着在水库蓄水条件下,考虑防渗帷幕,研究基岩各向同性条件下的库区三维渗流场特性及渗流量,初步评价库坝区帷幕防渗效果,为工程初步设计提供依据;为了考虑裂隙岩体的渗透各向异性与各向同性对水库渗漏造成影响的差别,假定3组优势节理裂隙,采用本文提出的基于JRC指标的修正系数公式,求得各组裂隙的修正系数,并应用于渗透张量的计算中;最后以渗透张量研究库区渗流场,结果表明:考虑岩体的各向异性,库区渗漏量发生改变;依据节理裂隙的不同分布特征,库区渗漏量可能增加,也可能减少,因此,裂隙岩体的渗透各向异性不可忽视。
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