1、4.9巖體水力學(xué)性質(zhì)巖體的水力學(xué)性質(zhì)是指巖體的滲透恃性及在滲流作用下所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)。水在巖體 中的作用包括兩個(gè)方面:一方面是水對(duì)巖石的物理化學(xué)作用，在工程上常用軟化系數(shù)來(lái)表示； 另一方面是水與巖體相互相耦合作用下的力學(xué)效應(yīng)，包括裂隙水壓力與滲流動(dòng)水壓力等的力 學(xué)作用效應(yīng)。在裂隙水壓力的作用下，減少了巖體內(nèi)的有效應(yīng)力，從而降低了巖體的剪切強(qiáng) 度；在滲流動(dòng)水壓力作用下，改變了巖體中的應(yīng)力場(chǎng)和破壞機(jī)理，直接影響巖體工程的穩(wěn)定 性。影響巖體水力學(xué)特性的重要因素是結(jié)構(gòu)面的幾何特性和力學(xué)特性，包括結(jié)構(gòu)面的分布密 度、產(chǎn)狀、延展性、張開(kāi)度、粗糙起伏度、充填與膠結(jié)特征等。同時(shí)，還受到巖體應(yīng)力狀態(tài) 及水流特

2、征的影響。在研究巖體水力學(xué)特征時(shí)，以上諸多因素不可能全部考慮到。往往先從 最簡(jiǎn)單的單個(gè)結(jié)構(gòu)面開(kāi)始研究，而且只考慮平面光滑無(wú)充填時(shí)的情況，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)面的連 通性、粗糙起伏及充填等情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。?duì)于含多組結(jié)構(gòu)面的巖體水力學(xué)特征則比較 復(fù)雜，研究成果不多，一般用等效連續(xù)介質(zhì)模型和數(shù)值模擬方法來(lái)研究。4.9.1.單個(gè)結(jié)構(gòu)面的水力特征& _0pdydx（4.68）（4.69）圖4.45單結(jié)構(gòu)面平直光滑水力學(xué)模型設(shè)結(jié)構(gòu)面為一平直光滑無(wú)限延伸的面，張開(kāi)度e各處相等。取坐標(biāo)系xoy，如圖4.45 所示。水流沿結(jié)構(gòu)面延伸方向流動(dòng)，當(dāng)忽略結(jié)構(gòu)面壁的滲透性時(shí)，則穩(wěn)定流情況下，各水層 間的剪應(yīng)力，和靜水壓力P

3、之間的關(guān)系，由水力平衡條件得由牛頓滯定理，得duT=：xdy由上兩式得d2u _ dpdy2ydx（4.70） 式中：ux 為沿x方向的水流速度；門(mén)X一為水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，（0.町S）。該模型的邊界條件為：y=0,（4.71）設(shè)結(jié)構(gòu)面張度e很小，靜水壓力p沿y軸的變化忽略不計(jì)。用分離變量法，解方程（4.70）， 并代入邊界條件（4.71），得e2dp8qdx(1-4 y2)e（4.71）由此式可見(jiàn)，水流速度在斷面上呈二次拋物線(xiàn)分布，當(dāng)y=0處，水流速度最大。其斷 面平均流速為：2dp12q8x(4.72)j 2 u dyn由于靜水壓力p和水力梯度J可以寫(xiě)成p = P wgh所以，斷面平均流速又

4、可以寫(xiě)成為：,AhJ =Ax(4.73)J -KJ 12qv(4.74)ge212T(4.75)式中：V 為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)(cm2； )，V-。w以上是按平直光滑無(wú)充填貫通結(jié)構(gòu)面導(dǎo)出的，但實(shí)際上巖體中的結(jié)構(gòu)面往往是粗糙起伏 的和非貫通的，并常有充填物阻塞。為此，路易斯(Louis，1974)提出了如下的修正式：u -K2ge2 J -K Jx1A Cf(4.76)K *f12v c(4.77)式中：K 2為結(jié)構(gòu)面的面連續(xù)性系數(shù)，指結(jié)構(gòu)面連通面積與總面積之比;c 為結(jié)構(gòu)面的相對(duì)粗糙修正系數(shù)c 1 + 8.8(#)1.5。其中，h為結(jié)構(gòu)面起伏差。 2e4.9.2.巖體的滲透性一、單組結(jié)構(gòu)面巖體的

5、滲透性能層狀巖體是一種典型的單結(jié)構(gòu)面巖 體，如圖4.46所示。設(shè)其層狀結(jié)構(gòu)面的/(/77/77,張開(kāi)度為e、間距為S,滲透系數(shù)為Kf ；巖塊的滲透系數(shù)為Kr。將結(jié)構(gòu)面內(nèi)的水流平攤到巖體中去，可得到順結(jié)構(gòu)面走向方向的巖體等效滲透系數(shù)：K = * + K。由于巖塊的滲透性比結(jié)構(gòu)面要弱得多，因此常常忽略K不計(jì)，這樣巖體4.46層狀巖體的水力學(xué)模型的滲透系數(shù)就變成:(4.78)二、多組結(jié)構(gòu)面巖體的滲透性多組結(jié)構(gòu)面巖體的滲透性不僅取決于單組結(jié)構(gòu)面的貫通率，而且取決于各組結(jié)構(gòu)面之間 的互相連通率，其滲透性難于從理論上準(zhǔn)確確定，通常由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。為了進(jìn)行近似估計(jì)， 羅姆(Romm，1966)假設(shè)，同組結(jié)構(gòu)

6、面的間距和張開(kāi)度為固定值，但不同組結(jié)構(gòu)面的間距 和張開(kāi)度可以不同；各組結(jié)構(gòu)面內(nèi)的水流相互不干擾。同時(shí)認(rèn)為，巖體中水的滲流速度矢量-是各結(jié)構(gòu)面組平均滲流速度矢量u之和，即: in e(4.79)V =乙-i-Ui 1 S i式中：e,和S 分別為第i組結(jié)構(gòu)面的張度和間距。按單個(gè)結(jié)構(gòu)面的水力特征(4.77 )式，第i組結(jié)構(gòu)面內(nèi)的斷面平均流速矢量為:(4.80)式中：m為水力梯度矢量j在第i組結(jié)構(gòu)面上的單位矢量。將(4.80)式代入(4.79)式得：(4.81)v = _、e；g (J Em )m =Ek (J Em )m 12vSc/ i ji / ii =1i ii=1以上各式中的結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、

7、結(jié)構(gòu)面間距、張開(kāi)度等參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到，由于巖體中的這些參數(shù)都具有某種隨機(jī)性，因此，必須在大量實(shí)側(cè)資料統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上才能確定。9.4.3巖體中的滲流應(yīng)力當(dāng)巖體中存在著滲透水流時(shí)，位于地下水面以下的巖體將受到滲流靜水壓力和動(dòng)水壓 力的作用，這兩種滲流應(yīng)力又稱(chēng)為滲流體積力。由水力學(xué)可知，不可壓縮流體在重力作用 下的壓力總水頭(h )為： TOC o 1-5 h z 1D U2h = Z + + (4.82)P wg 幺式中：z 為位置水頭；P 為靜水壓力；pw 為水的密度；pU 2 為壓力水頭；u 為水流速度；一為速度水頭。P wgg由于巖體中的水流速度很小，因此u2于比起z和上?？珊雎裕杂校篻

8、待由滲流引起的體積力為:(4.83)rdpdhfx 一虱 一Pwg 虱(4.84)/dpdh偵飛=pwg dydpdh匕dzP/ d +Pwg由（4.84）式可知，滲流體積力由流動(dòng)水壓力-P g -p wg I、-P g dh和重力P g兩w dzw部分組成，前者與水力梯度有關(guān)；后者在滲流空間為一常數(shù)；只要求出了巖體中各點(diǎn)的水頭 值h，便可完全確定出滲流場(chǎng)中的體積力；并可由（4.83）式求得相應(yīng)各點(diǎn)的靜水壓力p。習(xí)題1、試簡(jiǎn)述影響巖體力學(xué)性質(zhì)的主要因素。2、表述巖體結(jié)構(gòu)面空間狀態(tài)的幾何參數(shù)通常有哪些？各參數(shù)的含義是什么？3、如果確定巖體中的結(jié)構(gòu)面密度？4、簡(jiǎn)單說(shuō)明按地質(zhì)成因分類(lèi)時(shí)，各類(lèi)結(jié)構(gòu)面的

9、地質(zhì)特征。5、根據(jù)結(jié)構(gòu)面的破壞屬性，分別說(shuō)明各類(lèi)結(jié)構(gòu)面的破壞特征。6、試說(shuō)明用測(cè)線(xiàn)法測(cè)試結(jié)構(gòu)面跡線(xiàn)的基本步驟。7、試分析結(jié)構(gòu)面切向變形典型t - u曲線(xiàn)的特點(diǎn)。8、什么是巖體擴(kuò)容？為什么會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象？9、 一種砂巖，其強(qiáng)度符合庫(kù)侖準(zhǔn)則，C = 5MPa，9= 30。，如果三軸應(yīng)力狀態(tài)下，最 小主應(yīng)力氣=10MPa，保持不變，求巖石強(qiáng)度極限狀態(tài)時(shí)的最大主應(yīng)力*。若此時(shí)*和 63作用方向分別為鉛直和水平，而巖塊內(nèi)僅包有一條節(jié)理。該節(jié)理的c = 0，9 = 30。節(jié) 理對(duì)水平面的傾角或30o， 或?yàn)?5o，或?yàn)?0o， 或?yàn)?5o，或?yàn)?0o。問(wèn)：1）在何種節(jié)理況下，節(jié)理不破壞，僅巖塊破壞？2）在

10、何種節(jié)理情況下，僅節(jié)理破壞，或巖塊和節(jié)理都破壞且?guī)r塊破裂面與節(jié)理重合？3）在何種節(jié)理情況下，節(jié)理和巖塊都破壞，但巖塊破裂面并不與節(jié)理面重合？10、試論述結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體強(qiáng)度和變形特性的影響。11、試分析規(guī)則齒狀結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度特性。12、有一結(jié)構(gòu)面，其起伏角，=10。，結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角9w = 25。，兩壁巖石的內(nèi)摩擦角9= 40。 C=10MPa，作此結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度線(xiàn)（T-b曲線(xiàn)）。提示：齒尖的剪斷強(qiáng)度近似為巖石的剪斷強(qiáng) 度。13、巖體中有一結(jié)構(gòu)面，其9 = 30。，cw 0；而巖石的內(nèi)摩擦角9 = 48。，內(nèi)聚力C= 20MPa，巖體受?chē)鷫簹?3= 10Mpa，最大主應(yīng)力。廣45Mpa；問(wèn)當(dāng)結(jié)構(gòu)面法線(xiàn)與*方向的 夾角為45。時(shí)，巖體是否會(huì)沿結(jié)構(gòu)面破壞？14、試分別用直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)做出13題巖體的Q bJ-G曲線(xiàn)。15、試簡(jiǎn)述通過(guò)彈性波在巖塊和巖體中的傳播速度來(lái)估計(jì)巖體強(qiáng)度的原理和方法。16、估計(jì)巖體強(qiáng)度的H0ek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式考慮了哪些因素，各因素選擇的依據(jù)是