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1、0流体力学渗流模型在矿井地下水的应用院 系： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 0流体力学渗流模型在矿井地下水的应用摘要：水流是由渗透介质空间的结构特征来描述的，表征这种特性的概念模型，是建立岩体渗流数学模型的基础。目前岩体渗流模型正是沿对渗流介质认识、概化的基础上向前发展的，可分为三类：关键词 流体力学 渗流 水压1 裂隙孔隙双重介质模型裂隙孔隙双重介质模型 裂隙孔隙双重介质模型是建立在双重孔隙度介质这一概念的基础上的，是将裂隙岩体视为由贮水性差而导水性好的裂隙系统和贮水能力强而导水性弱的岩石孔隙系统共同构成的连续介质体，并且考虑了两类系统之间的水交替过程。2裂隙网络系统渗
2、流模型把岩体看成是由单一的按几何形态有规律分布的裂隙介质组成，岩体中的岩块渗透性极弱，可忽略不计。用裂隙水力学参数和几何参数(如裂隙产状、裂隙间距和隙宽等)来表征裂隙岩体内渗透空间结构的具体布局，所以在这类模型中，裂隙的大小、形状和位置都在考虑之列。这类岩体渗流模型称为岩体裂隙网络系统渗流模型。3等效连续介质模型是将裂隙中的水流等效平均到整个岩体中，将裂隙岩体模拟为具有对称渗透张量的各向异性连续体，然后利用经典的连续介质渗流理论进行分析、求解。利用可在现场测量的裂隙水力参数(或几何参数)，如裂隙的方位、密度、张开度等来表征岩体内渗透空间的渗流特性或渗流空间结构的具体格局。可有效的反映岩体渗流的
3、非均匀、各向异性等特征，是目前研究最多、应用最广的模型。等效连续介质模型的突出优点是可以沿用理论上较为成熟的各向异性连续介质理论进行分析。 从广义上讲，任何裂隙岩体均具有“双重介质”的性质，只不过岩石孔隙系统的发育程度随岩石成因、岩性、结构及年代等地质特征而异，变化较大，应从孔隙系统对水在裂隙岩体中的贮存和运移所起作用的角度来认识它，如研究埋深在千米以下的裂隙岩层中地下流体(石油、深层卤水等)运移特征时，岩层中孔隙与微裂隙在其中起着重要作用，此时应采用双重介质模型。然而必须指出的是，运用裂隙孔隙双重介质模型，为获取所需参数的现场工作和计算过程毕竟比较复杂，因而限制了其在实际问题中的应用。 离散
4、裂隙网络模型对岩体裂隙网络体系中每条裂隙都加以具体的模拟，并力图得到裂隙体系中各点的真实渗流状态，显然具有拟真性好、精度高等优点，但当裂隙较多或研究区域较大时，其工作量相当大，甚至可能难以实现；另外，由于裂隙分布具有随机性，要建立离散的真实裂隙系统也较为困难，因此，除了较简单的条件，离散裂隙网络模型尚难在实际工程中广泛应用。1 等效连续介质模型沿用理论上较为成熟的各向异性非均质连续介质渗流理论，以大量实测的裂隙系统几何参数求取的岩体渗透张量表征由裂隙系统结构所确定的渗流特性，在实际工作中具有广泛的应用前景。4 试述地下水在斜坡变形中的作用试述地下水在斜坡变形中的作用水是影响斜坡稳定性的最重要的
5、原因之一，水对边坡的水力学作用，主要包括静水压力和动水压力两大方面，其中静水压力又分为岩体的浮力、底滑面的浮托力和侧滑面的静水压力，动水压力主要由边坡岩体中水头差引起。力学作用形式和边坡的岩土体的介质类型有关，主要和岩土体的透水性能有关。力学作用大小与水位的高低以及水位的动态变化有关。地下水在岩土体中的赋存、运动形式不同，表现出不同的力学效应和计算方法，它们可能在坡体中单独存在，有时也共同作用。5 边坡岩体介质分类边坡岩体介质分类透水介质透水介质：松散土体边坡和节理化程度较高的碎裂结构和散体结构岩体边坡。地下水在岩土体中形成自由运动的潜水，受大气降水或河水补给并影响变化。岩土体内水力联系畅通，
6、有统一的地下水位面。隔水介质隔水介质：严格地讲，自然界不存在完全隔水的介质。弱透水的固结密实的粘性土组成的完整结构、块状结构、层状结构的岩体边坡。地下水在岩体中不能自由运动，多受结构面控制，往往形成承压水，边坡岩土体各部位的水力联系不畅通。复合介质复合介质：整个边坡由透水介质和隔水介质相互叠置构成，或前后部位复合，或透水体部分嵌套构成。地下水在边坡中的水力联系十分复杂，比较难以形成统一的潜水面。6 静水压力作用静水压力作用(1) 岩土体的浮力岩土体的浮力：主要考虑岩土体由于孔隙水压力的作用致使其有效自重降低。在稳定性计算中，可采用浮容重来考虑其力学效应。计算公式如下：式中： 为岩体浮容重， 为
7、岩体饱和容重， 为水的容重，单位为kN/m3。(2) 岩体的浮托力岩体的浮托力：主要考虑岩土体滑坡底面的静水压力作用，它是一个呈三角形或梯形分布的面力。如图所示边坡某条块的受力情况，底面 AB 受梯形面力作用，应计算其总的浮托力，参与稳定性计算。s2(3) 岩土体的侧面静水压力岩土体的侧面静水压力：主要考虑静水压力在边坡条块侧面形成的面力，如图中的 AD，BC 面，以及滑坡后缘裂隙中的静水压力等。在边坡稳定性评价时，分别计算各侧面面力的总荷裁，参与稳定性验算。7 动水压力作用动水压力作用动水压力的作用主要存在于透水体中，是由于岩体边坡中存在水头差，使水体渗透流动而产生的一种体力。在降雨作用或水
8、库泄水等条件下，可增强边坡中的动水压力作用。其计算公式如下：D= w J V式中：D 为动水压力（kN） ；w 为水的容重（kN/m3） ；J 为水力梯度；V为渗流体积（m3） ，可用结定范围内岩土体体积与其结水度的乘积值。大气降雨可迅速抬高坡体后缘的水位，而前缘的水头则变化较慢，使得坡体的中的水头差增加；水库的迅速泄水可大大的减低坡体的前缘水位，也同样可增加坡体的水头差，形成较大的水力坡度，从而成较大的动水压力。因此，降雨和泄水往往成为边坡失稳的诱发因素。8 举例说明地下工程中主要岩体水力学问题举例说明地下工程中主要岩体水力学问题（1） 、地下洞室的涌水问题（2）通过影响应力状态、围岩强度而
9、影响围岩的稳定性9 水库诱发地震中地下水的控制作用水库诱发地震中地下水的控制作用目前尽管人们对于水库诱发地震形成机理还有不同观点，但对库水在诱发地震中起着重要作用这一认识，是得到公认的。(1)水体荷载作用水库的存在给人们一种直观的感觉是在地表增加荷载，这个荷载使库盆发生沉降，造成库基弹性变形，在岩体内造成附加应力，从而恶化断裂面的应力条件。与构造应力迭加在一起将可能造成诱发地震活动。(2)空隙水压力作用1962 年在美国科罗拉多州丹佛深井中高压注入废液引起地震的事例，使人们注意到空隙水压力的作用。后来 Evans(1966)和 Healy(1968)根据 Hubbert和 Rubey 早年(1
10、959)提出的液体压力增大触发地震的机制，认为空隙水压力增大降低了断层面上的有效应力而引起断层错动，这种认识被后来在 Rangely 油田的注水实验所证实。只要岩体中裂隙是透水的，库水的渗入就会提高空隙水压力，从而降低裂隙面上的抗剪强度，使岩体的强度受到弱化。随着所积累的震例资料增多，空隙水压力作为一种主要的诱震因素，被更多学者所接受。(3)水的弱化作用水的弱化作用包括水的润滑、软化和应力腐蚀等物理化学作用。10 地质结构对岩体中地下水的控制作用地质结构对岩体中地下水的控制作用更具体地将地质结构划分为区域地壳结构、区域（或地区）地质结构、具体地段的山体或谷坡地质结构、工程岩体结构和岩块结构等五
11、级。区域地壳（地质）结构的控渗作用主要表现为：（1）对地幔流体向上侵入方式及侵入部位的控制；（2）对岩石圈高热流体的流动特征及其聚集状况的控制；（3）形成深部水文地质结构，决定了深部流体动力特征区域（或地区）地质结构的控渗作用主要表现如下：（1）对地下油气藏分布规律的控制；3（2）对地热、温泉和矿水等资源形成部位的控制；（3）形成区域水文地质结构，控制了区域（或地区）地下水动力特征。具体地段的山体或谷坡地质结构的控渗作用主要有：（1）形成不同类型的山体或谷坡水文地质结构，控制了山体或谷坡地下水动力特征；（2）与地形、地貌等因素相结合，控制了浅表地下水的补给、径流和排泄的空间分布特征；（3）通过
12、区域（或地区）地质结构面，与深部地下水发生一定的水力联系。工程岩体结构的控渗作用主要表现如下：（1）形成不同的渗流介质类型，体现了不同的岩体渗透特性；（2）与地下水位、边界条件及暴雨等因素相结合，控制了工程活动范围内地下水的流动状况及渗流作用力特征。岩石块体结构的控渗作用具有如下特点：（1）控渗作用较弱，因块体内含大量的不连通裂隙和死端空隙；（2）受各种外力影响，随时间变化明显。11 层状裂隙岩体的渗流规律分析层状裂隙岩体的渗流规律分析层状岩体(Layered Rock Mass)是以层理为特征的沉积岩岩体和一些变质岩岩体(板岩、千枚岩、片岩等)。层状岩体的渗流规律主要受岩体中构造裂隙和层面裂
13、隙控制。(1)层状岩体构造裂隙在岩层层面、褶皱轴部、中倾角翼部、断裂带及两侧影响带较发育。因而在这些部位最易形成富水带(地形及地下水补给条件有利汇水时)；(2)由于构造裂隙分布具有层状或脉状特点，构造裂隙水亦具有带状(或脉状)分布特点。构造裂隙中渗流具有非均质各向异性的特点；(3)构造裂隙岩体中的渗流具有非连续性,常常在局部不形成统一的地下水面，而在区域上形成统一的地下水位面；(4)层状岩体的风化带裂隙水，一般为潜水。由于风化作用使得裂隙之间连通性好，风化带内多具相对统一的地下水位，水平方向蓄水性比较均匀，垂直方向上随埋藏深度增加裂隙开度呈指数性减小。由于受地形和气候影响，地下水动态具有季节性
14、变化特点。风化带裂隙渗流问题，可应用非均质各向异性的连续介质模型来描述；(5)层状裂隙岩体具有明显的层状结构，在沉积过程中由于水动力变化，一般形成粗细相间的韵律层。粘土岩隔水，粗细粒的碎屑岩透水，容易形成多层结构的含水层系统；(6)层状裂隙岩体由于保留原来沉积时的原生孔隙，再加之后期改造作用的扩大，形成次生孔隙，孔隙与裂隙并存是层状裂隙岩体的又一特点。孔隙和微裂隙储水，裂隙导水，具有孔隙一裂隙双重介质渗流特点；(7)在大的向斜盆地，容易形成地下水的自流盆地12 块状裂隙岩体的渗流规律分析块状裂隙岩体的渗流规律分析块状岩体(Blocked Rock Mass)是指具有块状构造的岩体，如侵入岩体和
15、正变质岩体。这些岩体的空隙结构大多为裂隙型，裂隙有原生裂隙、构造裂隙和风化裂隙，裂隙分布呈网状，其间岩块被分割成一个个块体。4块状岩体在我国分布极为广泛，约占全国基岩面积 14。侵入岩中以花岗岩类分布最广，其它中性和基性侵入岩也有出露。块状变质岩指片麻岩、石英岩、大理岩以及混合岩等。一般来说，块状岩体分布区，岩体的渗透性能比较差，不易形成大的地下水富集区。块状岩体的渗流取决于裂隙的发育特征。块状岩体一般在风化带、断裂带(或断裂影响带)及侵入接触带裂隙较发育13 块状岩体风化带裂隙渗流特征块状岩体风化带裂隙渗流特征风化带按风化裂隙的发育强度和风化作用对原生裂隙的改造程度，将风化带分为全风化带、强
16、风化带和弱风化带三个带。在北方地区，由于气候干旱，岩体的风化以机械的、物理的风化为主，因而全风化带和强风化带裂隙发育。在南方地区，由于气候湿热，化学风化强烈，全风化带风化彻底，大多呈粘土状，或裂隙被粘土充填，因而，强风化带裂隙较发育，充填少。因此，北方地区，全风化带和强风化带裂隙岩体渗透性好，有利地下水渗流；南方地区，强风化带裂隙岩体渗透性好，在地形有利情况下，可形成较好的风化带裂隙潜水。一般块状岩体的风化带潜水，具有统一的地下水面，且裂隙发育较密集。定量化研究风化带裂隙水时，可运用非均质各向异性连续介质渗流理论。14 块状岩体断裂带裂隙渗流特征块状岩体断裂带裂隙渗流特征(1)具有带状渗流特征。距断裂带愈远，渗流强度减弱。压性断裂带本身阻水，造成地下水流的不连续性，而断层一侧或两侧的影响带裂隙发育，易形成富水带。
