含裂隙多孔介質(zhì)非飽和滲流初步分析

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1、三峽大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論1.1問題的提出長期的物理和化學(xué)風(fēng)化、地質(zhì)構(gòu)造以及卸荷等作用,使得天然巖石中存在著大量的裂隙;而氣候的變化、干濕循環(huán)等作用也使得某些類型的土體形成裂隙。裂隙巖土體中地下水位以上部分是未被水充滿的非飽和帶,降雨入滲和地面水體的下滲都是通過該帶到達(dá)穩(wěn)定地下水面的非飽和滲流過程.可以說,在自然界中裂隙巖土體非飽和[1]滲流是普遍、客觀存在的。雖然巖石和土體中的裂隙成因不盡相同,但水在裂隙及其賦存的巖土介質(zhì)中滲流特性有相似性,大量試驗結(jié)果也表明水在裂隙和巖土介質(zhì)中[2][3]的飽和、非飽和都滿足達(dá)西定律。所以,可以將裂隙巖土體滲流統(tǒng)一起來研究,不同之處

2、主要表現(xiàn)在介質(zhì)滲透性質(zhì)的不同。工程建設(shè)中,對于巖基上的大壩、地下洞室、巖石邊坡等工程,水在裂隙巖土體中的流動而形成的荷載對工程的安全是至關(guān)重要的。如1976年,美國的Teton土壩潰壩,經(jīng)反復(fù)查證,確認(rèn)壩基巖石節(jié)理發(fā)育,庫水流經(jīng)巖石裂隙使心墻齒槽土體發(fā)生管涌而最終遭致潰壩。還比如,我國的梅山連拱壩,1958年開始蓄水,1962年9月到11月在高水位持續(xù)了40天,右岸壩座錯動,巖石裂隙大量滲水,壩體出現(xiàn)不正常[4]位移,支墩地基測到很大的揚壓力后,緊急放空水庫,才避免了潰壩災(zāi)害。另外,各類工程建設(shè)也常被某種工程性質(zhì)極差的特殊土——裂土(裂隙粘土、膨[5-9]脹土、脹縮土的

3、統(tǒng)稱)所困擾,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。這類土危害工程建設(shè)的一個重要表現(xiàn)形式就是裂土邊坡失穩(wěn)。因為裂土具有吸水膨脹、脫水收縮的特性,裂土邊坡在蒸發(fā)條件下含水率降低,從而導(dǎo)致土體形成許多不規(guī)則的裂隙,裂隙的存在破壞了土體的完整性,同時為水分的入滲開辟了通道。在降雨條件下,土體裂隙的存在使得水分滲入土體更加容易,從而引起土體滲流場、應(yīng)力場的變化,極易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[11]。而在裂土地區(qū)修筑的鐵路、公路路堤與塹坡及渠坡也常在雨季產(chǎn)生溜坍、坍塌,甚至滑坡,引起邊坡破壞,妨礙工程設(shè)施的正常使用和運行,且這種破壞往往具有多[6-10]發(fā)性、反復(fù)性及長期潛在性。近年來已經(jīng)充分認(rèn)識到土體裂隙對土

4、體滲流和邊坡[11]穩(wěn)定的重要影響??傊?,隨著社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展,深入開展裂隙巖土體非飽和滲流問題研究不僅具有突出的理論意義,而且具有重大工程實用價值。1.2研究現(xiàn)狀流體通過多孔介質(zhì)或裂隙介質(zhì)的流動,即滲流,是一種與人類的一些工程活動密切相關(guān)的現(xiàn)象,對于滲流的研究最早開始于土體中。1856年,法國工程師Darcy總1三峽大學(xué)碩士學(xué)位論文結(jié)出線性滲流定律,即著名的達(dá)西定律,標(biāo)志著經(jīng)典滲流理論的誕生。100多年來,建立在達(dá)西定律基礎(chǔ)上的經(jīng)典滲流理論在工程實踐中得到了廣泛的成功的應(yīng)用。經(jīng)典滲流理論是以連續(xù)介質(zhì)假定為基礎(chǔ)的。而近代連續(xù)介質(zhì)力學(xué)是建立在質(zhì)點或“表征體積單元”的基礎(chǔ)

5、上的。引入了表征體積單元,就可以把實際上為離散型的多孔介質(zhì)抽象為由表征體積單元組成的連續(xù)介質(zhì),只要表征體積單元與研究域的尺寸相比很小,就可以用連續(xù)介質(zhì)滲流理論進(jìn)行分析。對于土體,表征體積單元很小,連續(xù)介質(zhì)滲流理論可以直接進(jìn)行應(yīng)用。巖體的滲流有著不同的特點。巖體中一般分布有大小不等的裂隙。在流體通過巖石流動的過程中,盡管孔隙也可以作為滲流通道,但裂隙扮演著更重要的角色。裂隙和孔隙的關(guān)鍵性的差別有兩點。首先,孔隙在三維方向上延伸,其各個方向的尺寸的差別不顯著,而裂隙在二維方向上延伸,其兩個方向上的尺寸比第三個方向上的大得多。其次,孔隙的延伸尺度比研究域小得多。例如孔隙的尺寸

6、一般為幾毫米或更小,而研究域一般大于幾十米。然而,裂隙的延伸尺度可以達(dá)到整個研究域,其大小可以從幾厘米,或更小,變化到幾千米。這些差別則導(dǎo)致裂隙巖土體中的滲流規(guī)律不同于多孔介質(zhì)。因為巖石與土體中裂隙存在著差異,所以在巖石裂隙滲流方面,國外有大批學(xué)者相繼開始了巖石裂隙的試驗和理論研究。WangJ.S.Y.于1991年對1987到1990年期間內(nèi)有代表性的論文進(jìn)行了評述,發(fā)表了具有代表性的綜述性論文“Flowandtransport[12]infracturedrocks”,此時西方國家在該領(lǐng)域的研究達(dá)到了高潮。在國內(nèi),田開銘、張有天、張武功等人最早開展了對巖石滲流的研究,

7、給出了關(guān)[13][14-17]于裂隙巖石滲透性的初步研究,揭示水在裂隙中的運動狀態(tài),以及裂隙巖體滲[18][19]流特性、數(shù)學(xué)模型及系數(shù)量測等,拉開了國內(nèi)裂隙巖體滲流問題研究的序幕。目前,裂隙土體非飽和區(qū)的滲流問題還存在一些值得關(guān)注的現(xiàn)象。[20]首先,在裂隙土體非飽和區(qū),水流常常以毛細(xì)管流、片流和間歇流的形式進(jìn)行。毛細(xì)管流假定流體與孔隙或者裂隙兩側(cè)壁均接觸,從而產(chǎn)生表面張力,形成負(fù)孔隙水壓力,流體滲流由孔隙水壓力和重力梯度之和,即水力梯度來驅(qū)動。它常見于多孔介質(zhì)滲流。片流與毛細(xì)管流不同,它只與裂隙一面?zhèn)缺诮佑|,裂隙兩側(cè)的片流中間由空氣隔

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