岩体单裂隙饱和-非饱和渗透特性及其工程应用研究

论文摘要

由于岩体裂隙的透水性远远大于岩体基质,则裂隙构成了岩体主要渗流通道,故裂隙岩体的渗透能力主要取决于裂隙的渗透特性。单裂隙作为裂隙渗流研究的基本单元,其饱和与非饱和渗透特性与裂隙的几何特征密切相关。单裂隙的饱和渗流分析过程,通过修正水力隙宽建立经验公式,以往大多数文献仅考虑接触面积、隙宽分布以及粗糙度等诸多因素之一,难以准确地进行单裂隙饱和渗流计算。对于单裂隙非饱和渗透特性的研究,现有的相关试验和理论研究很少,更多的是借鉴多孔介质理论建立相应的理论模型和经验公式。事实上,岩体裂隙的细观结构和渗流路径与多孔介质的有着根本差异。拟从以下三方面展开研究:（1）提出了考虑隙宽分布、粗糙程度以及接触面积的单裂隙饱和渗流计算经验公式。利用C++开发环境,提出单裂隙饱和渗流数值分析方法,分析了水力梯度、隙宽分布和分形维数对饱和渗透系数的影响机制,建立了考虑隙宽分布、粗糙度以及接触面积的单裂隙饱和渗流模型;并通过与Zimmerman的修正公式、Yeo的修正公式以及王刚的修正公式的预测结果对比,验证了该计算模型在单裂隙渗流计算中的有效性。（2）对于单裂隙非饱和渗流,结合隙宽概率密度函数,建立了相对渗透系数-饱和度函数关系,即van Genuchten-Mualem模型。通过与具有不同隙宽分布的粗糙单裂隙非饱和渗流试验数据对比分析,验证了该理论模型的可靠性。基于Invasion percolation模型、立方定理和分形几何方法,建立了相对渗透系数-饱和度关系的数值模拟方法。对比多组不同分形维数下裂隙相对渗透系数-饱和度的数值模拟数据与VG-M模型理论结果,进一步验证了理论模型描述不同粗糙裂隙相对渗透系数-饱和度关系的适用性。（3）基于上述修正水力隙宽公式和相对渗透系数-饱和度模型,获得各岩层材料的渗透系数函数和体积含水量函数,采用Geostudio数值软件SEEP/W和SLOPE/W程序计算降雨条件下裂隙岩质边坡稳定系数,揭示了降雨入渗对裂隙岩质边坡稳定性的影响机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 岩体单裂隙饱和渗流计算研究现状
•     1.2.2 岩体单裂隙非饱和渗透系数分析研究现状
•     1.2.3 降雨条件下裂隙岩质边坡稳定性分析研究现状
•   1.3 问题的提出
•   1.4 研究内容及技术路线
• 第2章 裂隙渗流基本理论
•   2.1 裂隙渗流的基本概念
•   2.2 裂隙渗流的运动规律
•     2.2.1 平行板模型的建立
•     2.2.2 裂隙渗流的理论模型
•   2.3 裂隙面分形模拟
•     2.3.1 2-D SRAM
•     2.3.2 裂隙的隙宽分布
•   2.4 边坡渗流及稳定性计算基本理论
•     2.4.1 饱和-非饱和渗流控制方程
•     2.4.2 Morgenstern-Price极限平衡法
• 第3章 考虑分形特征的单裂隙饱和渗流计算模型
•   3.1 引言
•   3.2 单裂隙渗流计算模型
•   3.3 单裂隙接触面积计算
•   3.4 单裂隙饱和渗流数值模拟
•     3.4.1 饱和渗透系数影响因素的探究
•     3.4.2 粗糙单裂隙渗流计算公式的验证
•   3.5 本章小结
• 第4章 基于van Genuchten-Mualem模型的岩体单裂隙非饱和渗透特性分析
•   4.1 引言
•   4.2 岩体单裂隙相对渗透系数模型
•     4.2.1 岩体单裂隙VG-M模型
•     4.2.2 对比分析VG-M模型理论结果与试验结果
•   4.3 单裂隙非饱和渗流数值模拟
•     4.3.1 非饱和流数值模拟基本理论
•     4.3.2 数值模拟结果分析与讨论
•   4.4 本章小结
• 第5章 降雨条件下某裂隙岩质边坡稳定性分析
•   5.1 引言
•   5.2 某裂隙岩质边坡工程概况
•   5.3 某裂隙岩质边坡渗流计算
•   5.4 某裂隙岩质边坡渗流稳定性计算
•   5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄涛

导师: 盛建龙

关键词: 单裂隙,饱和,非饱和,渗透特性,稳定性

来源: 武汉科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 武汉科技大学

分类号: TU45

总页数: 79

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