1、书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0449-11白林丰，黄波林，秦臻，等 2023 基于裂隙网络渗流差异的消落带岩体劣化空间预测方法J 工程地质学报，31(2):449459 doi:1013544/jcnkijeg20210837Bai Linfeng，Huang Bolin，Qin Zhen，et al 2023 Spatial prediction method of rock mass deterioration in drawdown zone based on seepage difference
2、offracture networkJ Journal of Engineering Geology，31(2):449459 doi:1013544/jcnkijeg20210837基于裂隙网络渗流差异的消落带岩体劣化空间预测方法*白林丰黄波林秦臻秦盼盼许凯凯(防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学)，宜昌 443002，中国)(三峡大学土木与建筑学院，宜昌 443002，中国)摘要三峡水库 175 m 蓄水以来，水位周期性涨落，使得岸坡岩体强度下降而逐渐劣化，易导致岩质岸坡失稳破坏，因此引起了广泛的关注。岩体劣化与库水位的波动有关，其损伤劣化区域必然与水力调整范围有一定的关系。本文提出了基于裂
3、隙网络模型渗流差异的岩体劣化空间分析方法。利用 Beacher 模型结合裂隙几何参数分布概型模拟岩体裂隙的空间分布，并基于裂隙截面面积相等，在裂隙网络中简化面状渗流为管道流，构建出裂隙网络渗流空间图。同时利用拓扑关系求解实际工况中岩体裂隙网络渗流空间的水头分布区域，通过不同水位下的渗流差异区域来推测发生岩体劣化的空间，基于理论分析和数值模拟得出存在水力差异的区域和新增的渗流区域两种情况合集即为岩体劣化区域。这一预测方法将对量化三峡库区岩体劣化空间强度及岸坡稳定性有重要的指导意义。关键词三峡库区;岩体劣化;离散裂隙网络模型;裂隙渗流差异;劣化空间中图分类号:P642.3文献标识码:Adoi:10
4、13544/jcnkijeg20210837*收稿日期:20211231;修回日期:20220422基金项目:国家自然科学基金(资助号:42077234)，重庆市地质灾害防治中心科研项目(资助号:KJ2021047)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 42077234)and the esearch Project of Chongqing Geo-logical Disaster Prevention Center(Grant No KJ2021047)
5、第一作者简介:白林丰(1998)，男，硕士生，主要从事地质灾害及涌浪灾害方面的研究 E-mail:2367403425qqcom通讯作者简介:黄波林(1979)，男，博士，研究员，主要从事地质灾害及涌浪灾害的教学与研究工作 E-mail:bolinhuangaliyuncomSPATIAL PEDICTION METHOD OF OCK MASS DETEIOATION INDAWDOWN ZONE BASED ON SEEPAGE DIFFEENCE OF FACTUENETWOKBAI LinfengHUANG BolinQIN ZhenQIN PanpanXU Kaikai(Hubei
6、Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation China Three Gorges University，Yichang 443002，China)(College of Civil Engineering Architecture，China Three Gorges University，Yichang 443002，China)AbstractSince the impoundment of the Three Gorges eservoir at 175 m，the water level has periodically f
7、luctua-ted，causing the strength of the bank slope to decrease and gradually deteriorate，which easily leads to instabilityand destruction of the rocky bank slope So it has attracted widespread attention The deterioration of the rock massis related to the fluctuation of the reservoir water level，and t
8、he area of damage and deterioration must have a cer-tain relationship with the scope of hydraulic adjustment This paper presents for the first time a spatial analysismethod of rock mass degradation based on the seepage difference of the fracture network model The Beacher modelis used to simulate the
9、 spatial distribution of rock mass fractures in combination with the fracture geometric parame-ter distribution probabilistic model Based on the equal cross-sectional area of the fractures，the surface seepage inthe fracture network is simplified as a pipeline flow，and the seepage space diagram of th
10、e fracture network is con-structed At the same time，the topological relationship is used to solve the water head distribution area in the seep-age space of the rock mass fracture network in the actual working condition The space where the rock mass degra-dation may occur through the seepage differen
11、ce area under different water levels is used to obtain the new seepagearea with the same hydraulic difference and the new water level change Based on theoretical analysis and numericalsimulation，it is concluded that the area with hydraulic difference and the newly added seepage area are the area ofr
12、ock mass deterioration This prediction method can have important guiding significance for quantifying the spatialstrength of rock mass deterioration and bank slope stability in the Three Gorges eservoir areaKey wordsThree Gorges eservoir;ock mass deterioration;Discrete fracture network model;Fractur
13、e seepagedifference;Deterioration space of rock mass0引言受三峡库区水位调度的影响，三峡库区水位常年在 145175 m 循环涨落，形成了高约 30 m 的消落带。两侧斜坡消落区水位周期性波动使得岩体的物理力学性质逐步弱化，形成了明显的岩体劣化带。岸坡岩体劣化导致斜坡结构发生变化，加速了部分岩质岸坡的失稳破坏过程(朱赛楠等，2021)，从而易诱发一系列新生地质灾害(黄波林等，2020;刘新荣等，2020;杨何等，2020;殷跃平等，2021)。如龚家方滑坡(Huang et al，2012)、卡门子湾滑坡(Yin et al，2020)等，给
14、库区两岸人民生命财产造成巨大威胁乃至重大损失。岸坡岩体劣化现象因此引起了政府和学者的广泛关注，掌握岩体劣化空间分布形式对三峡库区消落区岸坡长期稳定性分析至关重要。黄波林等(2019)对三峡库区消落带岩体劣化空间分布特征进行研究，提出有水力联系的裂隙网络分布影响着岩体劣化的空间分布。王环玲等(2005)认为库区水位变动造成岸坡岩体裂隙的发育，连通裂隙形成的导水网络经过水力调整，易使岩体强度下降。刘广宁等(2017)和胡明军等(2021)通过原位试验和室内试验证实消落带岩体受库水位影响强烈，岩体经受干湿循环会降低其物理力学性质，并使岩体总体向破碎、解体的趋势发展。邓华锋等(2021)发现消落带岩体
15、裂隙产状的不同对其在水岩作用下的劣化趋势和变形破坏特征有不同的影响。因此可见水位波动、岩体结构面以及有水力联系的岩体裂隙网络对库区岩溶岸坡岩体劣化有极大的促进作用。对于岩体裂隙网络渗流而言，国内外大量学者进行了研究。何忱等(2021)基于等效离散裂隙网络模型，提出一种裂隙多孔介质渗流数值方法，分析了裂隙网络是否贯通研究区对有效渗透性的影响。Dessirier et al(2018)开发了一个 3D-Pychan 模型，模拟流体通过地下深部岩体裂隙通道网络的流动和溶质传输。Smeraglia et al(2021)通过现场资料建立 DFN 模型，讨论断层不同部位裂隙的发育程度，得出许多碳酸盐断裂
16、水库中发生的地下渗透率的跃升可能与在低位断层损伤区内形成的高渗透性断裂带的形成有关。左宇军等(2011)基于自主研发的渗流应力耦合分析软件 F-FPA 2D，模拟了裂隙岩体洞室的变形破坏过程并分析了地应力和渗流的影响。饶晨曦等(2015)通过离散元软件 UDEC 讨论了不同水位下裂隙岩体边坡内的渗流情况及其对岩体边坡稳定性的影响。Qu et al(2020)采用COMSOL 软件，基于岩石应力场、渗流场等多场耦合理论和现场试验数据研究了多场耦合下岩质边坡的稳定性，建立数值计算模型，验证了数值计算模型的合理性。赵瑜等(2016)提出一种能较好描述岩石硬化软化特性的全剪切本构关系，建立了压剪作用下考虑裂隙剪胀特性的渗流应力耦合模型，并论证裂 隙 扩 展 过 程 中 模 型 的 准 确 性。Guo et al(2021)根据损伤力学理论，通过渗流应力损伤耦合方程为基础进行碳酸盐储层的裂隙扩展规律的数值模拟，与实验结果比较并验证模型的准确性。可见，目前在岩体裂隙网络渗流研究中，以渗流模拟、与渗透相关的稳定性和渗流裂隙扩展等方面为主。这些研究方向都具有特色鲜明的应用范围，能解决不同的问题需求。然