1、第 38 卷 第 2 期 四 川 大 学 学 报 ( 工 程 科 学 版 ) Vol. 38 No. 22006 年 3 月 JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY ( ENGINEERING SCIENCE EDITION) Mar. 2006文 章 编 号 :100923087 (2006) 0220015204雾 化 雨 作 用 下 的 裂 隙 岩 体 边 坡 渗 流 分 析张 卓 1 ,练 继 建 1 ,杨 晓 慧 2(1. 天 津 大 学 建 筑 工 程 学 院 , 天 津 300072 ;2. 秦 皇 岛 市 保 神 交 通 监 理 有 限 公 司 , 河 北
2、秦 皇 岛 066000)摘 要 :针 对 裂 隙 密 度 较 大 的 岩 体 ,利 用 等 效 连 续 介 质 理 论 ,建 立 了 裂 隙 岩 体 在 雾 化 雨 入 渗 下 的 饱 和 - 非 饱 和 渗 流数 学 模 型 。 根 据 雾 化 雨 模 型 试 验 ,选 定 雾 化 雨 的 强 度 。 结 合 自 然 降 雨 ,对 裂 隙 岩 体 岸 坡 进 行 了 雾 化 雨 入 渗 的 数 值分 析 。 分 析 结 果 显 示 ,相 对 与 薄 雾 区 和 自 然 降 雨 区 ,暴 雨 区 的 孔 隙 水 压 力 升 高 较 快 ,易 形 成 对 边 坡 稳 定 不 利 的 暂 态饱
3、和 区 。 因 此 ,暴 雨 区 的 坡 面 防 护 和 坡 内 排 水 应 给 予 重 视 。关 键 词 :渗 流 ;雾 化 雨 ;裂 隙 岩 体 ;暂 态 饱 和 区中 图 分 类 号 :TV139. 14 ;O357. 3 文 献 标 识 码 :AAnalysis on Seepage Flow in Fractured Rock Slope Under Atomized RainZHANG Zhuo1 , LIAN Ji2jian1 , YANG Xiao2hui2(1. School of Civil Eng. , Tianjin Univ. , Tianjin 300072 ,Ch
4、ina ;2. Qinhuangdao Baoshen Transportation Supervision Group ,Hebei Qinhuangdao 066000 ,China)Abstract :Aimed at densely fractured rock masses , the paper sets up the saturated2unsaturated seepage flow mathematicmodel for atomized rain infiltration using equivalent continuum theory. Atomized rain st
5、rengths are selected according tothe model experiment. Combined with natural rainfall , numerical analysis on atomized rain infiltration in fractured rockslope is conduced. The results show that pore water pressure increases quickly and transient saturated zone which is dis2advantagous to the slope
6、stability is easily formed in great storm zone , relative to thin frog zone and natural rainfall zone.So slope surface protection and inside bailing within great storm zone should be emphasised.Key words :seepage flow ; atomized rain ; fractured rock masses ; transient saturated zone泄 洪 雾 化 雨 是 泄 水
7、建 筑 物 泄 洪 时 伴 随 的 一 种 物理 现 象 ,它 不 同 于 自 然 降 雨 ,具 有 强 度 大 、 区 域 集 中 、雨 强 衰 减 速 度 快 等 特 点 。 与 工 程 实 测 资 料 进 行 对比 ,雾 化 雨 浓 雾 区 日 降 雨 强 度 远 远 大 于 水 文 中 的 暴雨 降 雨 强 度 (50 100 mm/ d) 1 。 因 此 ,长 时 间 泄 洪雾 化 雨 会 对 下 游 一 定 范 围 的 岩 体 边 坡 稳 定 性 形 成 威胁 。 已 建 工 程 如 龙 羊 峡 电 站 、 白 山 和 东 江 水 电 站 等泄 洪 时 所 发 生 的 山 体 滑
8、坡 事 件 也 充 分 印 证 了 这 一点 。 随 着 水 电 工 程 的 迅 速 发 展 ,高 坝 修 建 数 量 在 增收 稿 日 期 :2005 - 07 - 05作 者 简 介 :张 卓 (1976 - ) ,女 ,博 士 生 . 研 究 方 向 :岩 体 边 坡 渗流 和 稳 定 性 研 究 .多 ,雾 化 雨 问 题 显 得 也 越 来 越 突 出 。 所 以 研 究 雾 化雨 入 渗 对 岩 体 边 坡 渗 流 场 的 影 响 具 有 重 要 的 实 际 意义 。作 者 针 对 裂 隙 密 度 较 大 的 岩 体 ,采 用 等 效 连 续介 质 模 型 来 研 究 雾 化 雨
9、入 渗 的 岩 体 边 坡 饱 和 - 非 饱和 渗 流 。1 雾 化 雨 入 渗 的 渗 流 数 学 模 型雾 化 雨 虽 然 不 同 于 自 然 降 雨 ,但 两 者 的 入 渗 原理 是 相 通 的 。 下 面 ,在 降 雨 入 渗 分 析 方 法 的 基 础 之上 ,结 合 雾 化 雨 的 特 点 ,建 立 雾 化 雨 入 渗 的 渗 流 数 学模 型 。 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/2. 1 基 本 方 程岩 体 边 坡 的 饱 和 -
10、 非 饱 和 渗 流 基 本 方 程 可 表 示为 2 :3i =1 3j =155xi kr ( h) kij5 h5xi - c ( h) + ss 5 h5t - s = 0(1)式 中 , kr为 相 对 于 饱 和 渗 透 系 数 的 比 值 ,是 饱 和 度 的函 数 ; kij 为 等 效 饱 和 渗 透 张 量 ; xi 为 坐 标 位 置 ; h 为测 压 管 水 头 , h = hp + z ,其 中 , hp 是 压 力 水 头 ,在 非饱 和 区 为 负 值 , 饱 和 区 为 正 值 ; c 为 等 效 比 容 水 度 ,在 饱 和 区 c = 0 ,在 非 饱 和
11、区 = 0 ,在 饱 和 区 = 1 ;ss 为 等 效 单 位 贮 存 量 ; t 为 入 渗 时 间 ; s 为 源 (汇 ) 项 。1. 2 定 解 条 件为 了 得 到 基 本 微 分 方 程 的 定 解 ,需 要 确 定 一 些必 要 的 初 始 条 件 和 边 界 条 件 。初 始 条 件 为 :h ( xi ,0) = h0 ( xi) , i = 1 ,2 ,3 (2)式 中 , h0 为 xi 的 给 定 函 数 。边 界 条 件 :h ( xi , t) | 1= hc ( xi , t) (3)- kr 3i = 33j =1kij 5 h5 xini | 2 = qn
12、(4)- kr 3i = 33j =1kij 5 h5 xini 0 , 且 hc | 3 = 0 (5)- kr 3i = 33j =1kij 5 h5 xini | 4 = qi (6)式 中 , ni 为 边 界 面 外 法 向 方 向 余 弦 , qn、 qi 为 边 界 面 法向 流 量 , 1 为 已 知 水 头 边 界 , 2 为 流 量 边 界 , 3 为 饱和 逸 出 面 边 界 , 4 为 降 雨 入 渗 或 非 饱 和 逸 出 边 界 。降 雨 入 渗 边 界 面 根 据 具 体 情 况 可 作 为 第 一 类 边界 或 第 二 边 界 处 理 。 当 入 渗 边 界 面
13、 的 最 大 入 渗 能 力大 于 等 于 降 雨 强 度 时 ,按 第 二 类 边 界 处 理 ,入 渗 强 度为 降 雨 强 度 ;当 入 渗 边 界 面 的 最 大 入 渗 能 力 小 于 降雨 强 度 时 ,按 第 一 类 边 界 处 理 ,边 界 面 各 节 点 的 水 头值 hi = zi ,其 中 , zi 为 入 渗 地 表 节 点 高 程 。逸 出 面 分 为 饱 和 部 分 和 非 饱 和 部 分 ,饱 和 部 分作 为 零 压 力 水 头 边 界 ;非 饱 和 部 分 作 为 不 透 水 边 界 。在 迭 代 过 程 中 不 断 调 整 各 部 分 的 长 度 ,直 到
14、饱 和 部分 节 点 的 流 量 值 和 非 饱 和 部 分 节 点 的 压 力 水 头 值 为负 值 为 止 。1. 3 等 效 饱 和 渗 流 张 量 的 计 算等 效 连 续 介 质 模 型 是 将 裂 隙 的 透 水 性 平 均 到 岩体 里 ,将 裂 隙 岩 体 模 拟 为 具 有 对 称 渗 透 张 量 的 各 向异 性 连 续 体 。 通 常 进 行 等 效 渗 透 张 量 的 确 定 方 法 有3种 3 :现 场 压 水 试 验 法 、 反 演 分 析 法 和 几 何 形 态法 。 几 何 形 态 法 主 要 是 由 裂 隙 系 统 的 几 何 参 数 ,如 裂隙 的 宽 度
15、、 间 距 和 密 度 等 确 定 裂 隙 岩 体 的 透 水 性 。 如岩 体 中 存 在 着 n 组 裂 隙 面 ,第 i 组 裂 隙 面 的 倾 向 、 倾角 、 缝 宽 和 间 距 分 别 为 i 、 i 、 bi 及 di ,则 岩 体 的 等 效渗 透 张 量 K 为 : K = ni = 1ki1 - n2xi - nxinyi - nxinzi- nyinxi 1 - n2yi - nyinzi- nzinxi - nzinyi 1 - n2zi(7)式 中 , nxi , nyi , nzi 为 i 组 裂 隙 面 的 外 法 线 向 量 ni 在 总体 直 角 坐 标 系
16、xyz 中 的 方 向 余 弦 ; ki 为 第 i 组 裂 隙 的渗 透 系 数 ,层 流 时 为 4 ki = gb3i12 di (8)式 中 , 为 水 的 运 动 粘 滞 系 数 。2 算 例 分 析以 某 水 电 站 坝 下 游 右 侧 岸 坡 为 例 。 选 取 岸 坡 的计 算 横 断 面 ( xoz 平 面 ) 如 图 1所 示 。 边 坡 主 要 由 闪 云斜 长 花 岗 岩 构 成 。 岩 体 由 外 到 内 分 别 为 风 化 带 (图 1中 ) 和 微 新 岩 体 (图 1 中 ) 。图 1 计 算 域 横 断 面 图Fig. 1 Cross2sectional dr
17、a wing of computation region2. 1 渗 透 介 质 的 水 力 参 数浅 层 岩 体 因 为 风 化 严 重 ,其 渗 透 特 性 趋 于 各 向同 性 ,因 此 ,将 风 化 岩 作 为 各 向 同 性 材 料 ,其 等 效 饱和 渗 透 系 数 取 为 1 10 - 2 m/ h ,孔 隙 率 为 0. 268 ,比 贮存 为 0。微 新 岩 的 等 效 饱 和 渗 透 张 量 按 几 何 形 态 法 计算 。 综 合 考 虑 风 化 、 卸 荷 裂 隙 的 分 布 情 况 ,计 算 中 选定 两 组 裂 隙 来 计 算 所 研 究 区 域 的 渗 透 张 量
18、 。 一 组 走向 NE50 ,倾 向 NW ,倾 角 85 ,间 距 1 m ,开 度 0. 07mm ;另 一 组 裂 隙 走 向 SE140 ,倾 向 NE ,倾 角 15 ,间距 1 m ,开 度 0. 07 mm。 由 式 (7) 计 算 微 新 岩 的 等 效61 四 川 大 学 学 报 (工 程 科 学 版 ) 第 38 卷 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/饱 和 渗 透 张 量 为 :Kij =1. 39 0. 456 - 0. 22
19、80. 456 1. 38 - 0. 136- 0. 228 - 0. 136 1. 06 10 - 5风 化 带 的 非 饱 和 水 力 参 数 参 照 三 峡 强 风 化 带 材料 的 非 饱 和 水 力 参 数 来 确 定 5 ,微 新 岩 的 非 饱 和 水力 参 数 参 照 类 似 岩 土 材 料 确 定 的 6 。 渗 透 介 质 具 体的 压 力 水 头 ,等 效 相 对 渗 透 系 数 与 体 积 含 水 量 的 关系 见 表 1、 表 2。表 1 风 化 带 水 土 特 性 关 系 表Tab. 1 Characteristic relationship of water an
20、dearth in regolith压 力 水 头 / m 体 积 含 水 量 相 对 渗 透 系 数0 0. 268 1. 00- 0. 13 0. 250 0. 53- 0. 32 0. 11 0. 03- 0. 46 0. 06 0. 021- 0. 94 0. 03 0. 0- 2. 6 0. 0 0. 0表 2 微 新 带 的 水 土 特 性 关 系 表Tab. 2 Characteristic relationship of water andearth in light regolith压 力 水 头 / m 体 积 含 水 量 相 对 渗 透 系 数0 0. 13 1. 00-
21、 3. 0 0. 127 0. 62- 6. 5 0. 118 0. 60- 10. 2 0. 073 0. 181- 26. 0 0. 0 0. 02. 2 雾 化 雨 强 度 及 其 降 雨 组 合雾 化 雨 影 响 范 围 和 强 度 参 考 文 献 7 拟 定 。 为了 便 于 计 算 ,大 暴 雨 区 、 暴 雨 区 和 薄 雾 区 3 区 的 雨 强取 等 值 。 表 3 即 是 雾 化 分 区 及 其 对 应 的 雨 强 。表 3 雾 化 分 区 及 其 设 计 雨 强Tab. 3 Atomized subzone and design rain strength雾 化 区 高
22、程 / m 雨 强 / (mm h - 1)大 暴 雨 1 400 以 下 100暴 雨 2 400 450 50薄 雾 3 450 510 10水 电 站 泄 洪 时 大 多 数 会 遇 到 降 雨 ,因 此 为 了 更贴 近 实 际 ,文 中 也 考 虑 了 自 然 降 雨 的 作 用 。 通 过 参阅 有 关 文 献 ,取 一 般 的 暴 雨 强 度 5 mm/ h 为 设 计 降雨 强 度 。 自 然 降 雨 的 降 雨 范 围 为 边 坡 高 程 510 600m 和 坡 顶 面 。2. 3 边 界 条 件具 体 的 边 界 划 分 见 横 断 面 图 1 ( xoz 平 面 ) 。
23、 图1中 ,1 2、 10 11为 定 水 头 边 界 ;2 3为 有 铺 砌 的不 透 水 边 界 ;3 4 为 逸 出 边 界 ;4 5、 5 6 和 6 7为 雾 化 雨 入 渗 边 界 ;7 8 和 8 9 为 自 然 降 雨 入 渗边 界 ;9 10 为 不 透 水 边 界 。2. 4 结 果 分 析利 用 上 述 模 型 对 算 例 进 行 饱 和 - 非 饱 和 渗 流 计算 。 xoz 横 断 面 在 雾 化 雨 入 渗 4 d、 8 d、 12 d 和 16 d时 的 零 压 力 线 位 置 见 图 2 5。图 2 入 渗 4 d 时 零 压 力 线 位 置Fig. 2 Po
24、sitions of zero pressure line on the 4th dayinfiltration图 3 入 渗 8 d 时 零 压 力 线 位 置Fig. 3 Positions of zero pressure line on the 8th dayinfiltration图 4 入 渗 12 d 时 零 压 力 线 位 置Fig. 4 Positions of zero pressure line on the 12th dayinfiltration71第 2 期 张 卓 ,等 :雾 化 雨 作 用 下 的 裂 隙 岩 体 边 坡 渗 流 分 析 1994-2008 Ch
25、ina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/图 5 入 渗 16 d 时 零 压 力 线 位 置Fig. 5 Positions of zero pressure line on the 16th dayinfiltration由 计 算 结 果 如 图 2 5 可 看 出 :1) 雾 化 雨 强 度 最大 的 大 暴 雨 区 首 先 出 现 暂 态 饱 和 区 ,而 后 是 暴 雨 区 ,薄 雾 区 和 自 然 降 雨 区 在 入 渗 计 算 时 段 内 一 直 未 形 成饱 和 状
26、 态 。 该 结 果 显 示 ,雨 强 的 大 小 对 边 坡 渗 流 场的 影 响 程 度 是 不 一 样 的 ,雨 强 越 大 ,影 响 程 度 也 越大 。 因 此 ,在 实 际 工 程 中 ,应 注 重 暴 雨 区 的 坡 面 防 护和 坡 内 排 水 ;2)随 着 雾 化 雨 入 渗 的 进 行 ,暂 态 饱 和 区的 范 围 在 不 断 扩 大 ;3) 由 于 微 新 岩 体 的 渗 透 性 远 小于 浅 层 的 风 化 岩 ,使 得 暂 态 饱 和 区 主 要 出 现 在 风 化带 内 ;4)雾 化 雨 入 渗 区 出 现 饱 和 后 ,防 护 铺 砌 后 的 边坡 孔 隙 水
27、压 力 为 负 值 ,这 说 明 此 范 围 内 的 边 坡 未 达到 饱 和 ,铺 砌 起 到 了 一 定 的 防 渗 作 用 ;5)地 下 水 水 位上 方 附 近 的 微 新 岩 体 渗 透 性 较 小 ,再 有 设 置 了 具 有防 渗 功 能 的 边 坡 铺 砌 ,使 得 地 下 水 水 位 在 整 个 雾 化雨 入 渗 过 程 中 增 长 甚 微 。3 结 论通 过 对 泄 洪 雾 化 雨 入 渗 的 计 算 ,可 以 得 出 以 下主 要 结 论 :在 雾 化 雨 入 渗 的 3 个 分 区 中 ,大 暴 雨 区 孔隙 水 压 力 升 高 最 快 ,易 形 成 对 边 坡 稳 定
28、 不 利 的 暂 态饱 和 区 ;其 次 是 暴 雨 区 ;对 边 坡 稳 定 性 影 响 最 小 的 是薄 雾 区 ,该 区 在 入 渗 计 算 时 段 内 一 直 未 形 成 暂 态 饱和 区 。 因 此 在 实 际 工 程 中 ,应 重 视 雾 化 雨 入 渗 ,尤 其是 暴 雨 入 渗 的 控 制 。参 考 文 献 :1 Xue Xicheng , Liu Jiacai , Sun Mei. Mechanism for instability ofrock slope induced by atomized rainJ . Journal of EngineeringGeology ,
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