裂隙岩体水力学模型的建立

张延玲　徐朝霞

【摘要】库岸边坡常因库水位变动而失稳，并且岩体在漫长的地质历史时期内经历了多次反复的地质作用，经受过变形、破坏，形成了一定岩石成分和结构，尤其是岩石里面的节理裂隙，由于水在裂隙中流动，影响岩石的各种特性，控制着岩体的变性破坏特征，但是传统的连续介质模型很难反映出水在裂隙中的流动规律，本文简单论述一下如何运用UDEC建立斜坡离散裂隙网络数值模拟计算模型，可以更加正确的反映岩石内部的结构和构造。

【关键词】斜坡；库水；UDEC；离散裂隙网络数值模拟计算模型

1、引言

库岸边坡常因库水位变动而失稳，尤其是岩石里面的节理裂隙，由于水在裂隙中流动，影响岩石的各种特性，控制着岩体的变性破坏特征。本文简单论述一下如何运用UDEC建立斜坡离散裂隙网络数值模拟计算模型，可以更加正确的反映岩石内部的结构和构造。从而可以帮助我们揭示一些裂隙岩体边坡在各种水的作用下的下变形机制，为一些岩质边坡的防治提供科学的理论依据。

2、离散单元法的基本原理

离散单元法是1970年由Cundall首次提出的，于1986年由王永嘉引入我国，是专门针对不连续介质问题提出的数值模拟解决方法，它对于边坡稳定性的研究是将所研究的边坡岩土体划分为一个个小块，通过每一个小块间的相互作用，以及力与位移的相互作用建立方程。通过一次次的迭代，配合所建立的平衡方程，使每一个小块都达到平衡状态。由于离散单元法是通过计算块体之间的作用得到的结果，所以这种方法可以分析实际岩块间大位移的情况，而且可以详细的解析出岩体内部应力与应变的分布情况。它还有一个重要特点，既其求解平衡方程是利用时间差分法。因此该方法在实际工程中可以弥补有限元法的缺点，进而求解非均质和不连续体的大位移和大变形的问题。

2.1离散元程序UDEC

UDEC（Universal Distinct Element Code）是一款由ITASCA公司基于离散单元法原理开发并推广应用的二维的大型商用数值模拟软件。UDEC对模拟节理化岩体材料介质在准静态及准动态荷载条件下的反应过程特别合适，它不但能够实现接触脱离的模拟，而且可以自动侦测并识别新的接触产生，并模拟其力学行为。UDEC数值分析程序是为一系列工程问题开发的专业求解工具，例如：它可以应用于地下结构、地震、矿山、核废料处理、能源等问题的研究。

2.2裂隙岩体离散裂隙网络介质模型研究

岩石中有很多断层、节理、裂隙，统称为结构面，在岩石水力学中都称之为裂隙。水在裂隙岩石中的运动规律非常复杂，任何一种数学模型都很难正确的反映岩体渗流的真实规律性。岩石中有很多断层、节理、裂隙，统称为结构面，在岩石水力学中都称之为裂隙。水在裂隙岩石中的运动规律非常复杂，任何一种数学模型都很难正确的反映岩体渗流的真实规律性。实际工程中的大量岩质边坡的失稳破坏不仅仅是一个岩体对水或单纯的水对岩体的作用问题，而是水—岩耦合作用的研究，所以建立合理可行的裂隙岩体水力学模型是至关重要的。

水在裂隙岩石中的运动规律非常复杂，任何一种数学模型都很难正确的反映水在裂隙岩体中运动的实际规律。

目前主要有下面三种裂隙岩体水力学模型：第一，拟连续介质模型；第二，离散介质模型；第三，双重介质模型。这几种模型前面第一章有介绍过。三种模型各有其特点，但均存在计算工作量巨大和难以满足实际工程精度要求等缺陷，为避免这类缺陷，采用分形理论，并根据裂隙发育规模与工程尺度的关系，提出了基于岩体与流体相互作用的拟连续介质模型和离散介质模型耦合的计算模型。对于岩体中大的裂隙断层之类采用离散介质模型，对于含有小的裂隙、微裂隙的岩体采用拟连续介质模型，然后根据两类介质接触处的水头相等及位移连续从而建立裂隙岩体水力学模型。在该模型中首次提出了跨越尺度效应的渗透张量表达式。耦合模型使用离散介质渗透理论描述岩体主干裂隙中的水运动，使用连续介质渗流理论来描述岩体次要裂隙及孔隙的储水性质。

离散裂隙网络介质模型就是把岩块本身确定为不透水，水只沿裂隙流动，地下水的运动规律是通过岩体内部的裂隙网络反应的。对于表征单元不存在或者存在但是很大的岩体，离散裂隙网络模型更适合分析这类岩体的渗流特征。本文就是通过离散元软件UDEC建立离散裂隙网络介质模型，根据边坡典型剖面，通过提取坐标建立块体单元，然后根据其中的层面和统计的节理，将编制的程序导入到UDEC中生成裂隙岩体离散裂隙网络介质模型（DFN）。

3、模型建立举例

选取一岩质边坡剖面图，考虑其内部的岩层层面和断层面建立地质概化模型，具体见图1。在对此概化模型进行网格剖分时，考虑到库水对岸坡的影响，岸坡剖面剖分的相对较密，采用UDEC软件自动生成的三角形网格进行剖分，这样处理在不影响模拟效果的同时能节省大量机时。共剖分273个块体，16663个单元，10674个结点（图2）。然后选取一定的参数和工况，进行数值模拟，就可以得到边坡水压力场、变形特性、应力场特性、斜坡稳定性等。

4、结论及展望

本文简单论述一下如何运用UDEC建立斜坡离散裂隙网络数值模拟计算模型，离散裂隙网络模型跟传统的拟连续介质模型比较，可以更加正确的反映岩石内部的结构和构造，运用离散裂隙网络介质模型可以更加准确的模拟水在裂隙岩体中的运动规律。

参考文献

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