裂隙岩体的工程特征

1.裂隙岩体渗流的非连续性

裂隙岩体为非连续介质,内部结构面分布的随机性和不连续性导致了其非连续的渗流特性,以裂隙为主的结构面构成了裂隙岩体的水力通道。然而,并非所有的裂隙都在渗流过程中起作用,裂隙内部的填充物透水性较差,或裂隙在岩体内部与其他裂隙结构无法形成一条完整的水力通道,都会使得这部分裂隙不具备导水能力。

如图2.12所示,大部分裂隙在整体网络中无法构成一条完整的水力通道,甚至部分裂隙单独存在,这些裂隙的存在对渗流几乎无影响。能互相连通形成渗流通道的裂隙仅占总体裂隙的10%～20%。因此,在裂隙岩体渗流的研究中,需要剔除无效裂隙,研究岩体裂隙的连通性。

图2.12 裂隙网络

2.裂隙岩体渗流的非均质性

裂隙岩体复杂的生成过程,以及存在的应力环境,是裂隙岩体渗流非均质性的主要原因。且不说由于组成岩体的岩块与结构面之间透水性的巨大差异造成的非均质性,岩体本身因其成因复杂存在多种类型,具有不同的物理、力学性质。一个岩体边坡往往由多种不同岩性岩体构成,这些岩体的渗透性各不相同,导致裂隙岩坡的渗流表现出较强的非均质性。即使是同一类型的岩体,不同的赋存环境也会导致其岩性、裂隙发育程度等各不相同。边坡岩体的风化和卸荷是常见的地质现象,结合岩体边坡自身的应力场特点,风化使边坡表层的岩体岩性改变,岩体质量降低,渗透性能增强,风化程度随边坡的深度减弱,以垂向变化为主,导致边坡岩体渗流随垂向深度变化存在非均质性。卸荷改变边坡原有的应力场,不同的卸荷程度使边坡岩体裂隙发生不同程度的张开、滑移和扩展,岩体渗流与裂隙密切相关,卸荷程度随边坡的深度增加而减弱,以横向变化为主,导致边坡岩体渗流随横向深度变化存在非均质性。

3.裂隙岩体渗流的各向异性(www.xing528.com)

各向异性是裂隙岩体区别于土体等连续介质的最本质特性。不连续的结构面控制着裂隙岩体的渗流,其空间分布成组性,在研究中往往以优势结构面组的形式出现,每组优势结构面具有近似的产状(倾向、倾角)。由于每组结构面的产状不同,使裂隙岩体的渗流具有明显的方向性,沿结构面方向的渗透性明显要优于结构面法线方向。随着岩体中结构面组数的增加,岩体越破碎,岩体的各向异性逐渐向各向同性转化,因此块状岩体、层状岩体等优势结构面组数少的岩体各向异性特性表现明显。此外,裂隙岩体的非连续性、非均质性等渗流特性也对其各向异性有着一定影响。

4.裂隙岩体渗流的优势水力特性

裂隙岩体的非连续性、非均质性、各向异性,以及裂隙发育的优势方向,决定了裂隙岩体渗流具有明显的方向性,即裂隙岩体渗流具有明显的优势水力特性。优势水力路径主要由连通裂隙簇构成,优势结构面组的组合方向决定了优势水力路径的方向。裂隙相交处开度的差异会导致偏流现象的产生,即水流过交叉点偏向于流入开度大的裂隙,且裂隙开度相差越大,偏流现象越明显。水流的偏流现象是裂隙岩体渗流的优势水力特性的重要体现,水流主要通过开度较大的裂隙或裂隙簇流动,微发育的裂隙在裂隙网络中仅起到持水作用。因此,岩体中裂隙的最大开度对裂隙岩体渗流的研究具有重要意义。

5.裂隙岩体渗流的尺寸效应

裂隙岩体渗流的尺寸效应实际由上述的非连续性、非均质性及各向异性等特性所致。由于岩体内部结构面的随机分布以及发育程度不同,使不同尺寸的岩体表现出不同的力学性能和水力学特性。图2.13表明,当研究尺寸小于Vr时,裂隙岩体渗流的水力学参数随体积变化波动显著;当研究尺寸大于Vr时,该参数趋于稳定值,不随体积的增大发生明显改变,才能代表真实的裂隙岩体的渗流状态。这个Vr值被称为表征单元体积(REV),其随岩体类型变化和裂隙发育程度不同而改变,往往需要通过实验判断。土体等孔隙介质的REV一般较小,即可用小尺寸的数据代表整个研究范围的渗流特性。而岩体中的裂隙相对较少,且分布沿空间存在较大差异,使其REV一般较大,甚至不存在,要确定能够代表整个研究范围的REV较为困难。

图2.13 渗透性代表性体积单元

各渗透特性相互影响,相互作用,主要与裂隙岩体中结构面的分布状态和其产状、隙宽等性质有关。