基于非连续介质法的裂隙岩体稳定性分析

5.4.1　节利用已经建立的表征单元体正交各向异性本构模型从宏观上描述裂隙岩体的力学性质，基于等效连续介质法对导流洞围岩的应力变形特征进行了分析。为了进行不同力学模型的对比，本节建立导流洞稳定性计算的离散模型，采用非连续介质法对导流洞的稳定性进行研究。

5.4.2.1　模型的建立和边界条件

非连续介质法的关键在于建立模型中的结构面系统。取模型的尺寸为50m×50m×50m，按照常规思路应根据第2章所介绍的方法建立三维结构面网络，然后导入3DEC中建立离散元分析模型。但是按研究区各组结构面的体密度计算，在尺寸为50m×50m×50m的模型中共需生成309175条结构面。在现有研究水平下，建立包含如此巨大数目结构面的岩体数值计算模型是根本不可能实现的，这也正是人们在面对复杂裂隙岩体时试图研究其等效连续特性，进而诉诸等效连续手段对其进行研究的重要原因。本书第4章的研究表明，裂隙岩体中结构面系统的结构面张量与裂隙岩体的力学性质有着密切关系。由结构面张量的概念可知，在保持结构面产状不变的情况下，若想获得等效的结构面系统(结构面张量相同)，在结构面平均直径增加至原来的n倍时，结构面的体密度需减小为原来的1/n3。这是一个非常有用的结论，对于本节所要建立的结构面系统，可以根据上述关系获取一个结构面张量相同的等效结构面系统(n取5～20)，进而利用该等效结构面系统建立导流洞稳定性计算的非连续分析模型。

将所建立的等效结构面系统中所有结构面信息导入3DEC，建立非连续数值分析模型，如图5-9所示。需要注意的是，由于导流洞的走向为46°，取3DEC中y轴与导流洞轴线方向一致，x轴水平且走向为136°，z轴方向竖直向上，在导入结构面信息时需要对结构面的产状进行相应的调整，使所建立的模型中结构面系统与导流洞的交切关系与实际情况相符。完整岩块及结构面的本构模型与尺寸效应研究中数值试验模型一致。应力边界条件和位移边界条件与等效连续模型一致。

5.4.2.2　计算结果分析

图5-9　导流洞稳定性计算模型(非连续介质法)

图5-10为水平应力系数分别为0.3、0.5、0.75、1.0、1.25和1.5时模型中间截面(y=25m)处导流洞围岩的x方向位移云图，图5-11为水平应力系数分别为0.3、0.5、0.75、1.0、1.25和1.5时模型中间截面(y=25m)处导流洞围岩的z方向位移云图。图5 -10和图5-11的结果表明，岩体中结构面的空间分布特征对导流洞围岩的位移云图分布形式有很大影响，x方向最大位移和z方向最大位移的分布位置与结构面和导流洞围岩的交切组合关系有关，从而使得导流洞围岩的位移分布不规则且不连续，这一点与等效连续介质法所得到的结果有所不同。与等效连续法计算结果类似，导流洞围岩的位移分布图在x方向也是不对称的，主要是受模型中结构面的几何分布特征影响。从最大位移数值上看，随着水平应力系数从0.3增加到1.5，y=25m截面处导流洞右壁x方向最大位移从4.15×10－4m增加到17.95×10－4m，左壁x方向最大位移从2.68×10－4m增加到15.11×10－4m，而导流洞顶板处的z方向最大位移由－10.00×10－4m减小到－7.52×10－4m，导流洞底板处的z方向最大位移由14.15×10－4m减小到12.08×10－4m，与等效连续介质法的规律一致，这个规律也可以很清楚地从图5-12中看出，x方向最大位移随着水平应力系数的增加而大幅增加，z方向最大位移随着水平应力系数的增加而略微减小，变化幅度不大。同时由图5-12也可以看出，由于导流洞计算采用非连续介质模型，因此，不同截面结构面分布情况的差异导致了各截面处最大水平位移和最大垂向位移数值差别较大。表5-3给出了该导流洞非连续介质模型在不同截面和不同水平应力系数下的x方向最大位移和z方向最大位移的计算结果，同时给出了各截面最大位移的均值。结果表明，当水平应力系数从0.3增大到1.5时，导流洞右壁各截面处的x方向最大位移均值由6.71×10－4m增大到19.97×10－4 m，导流洞左壁各截面处的x方向最大位移均值由3.75×10－4m增大到21.56×10－4m，导流洞顶板各截面处的z方向最大位移均值由13.41×10－4m减小到11.31×10－4m，导流洞底板各截面处的z方向最大位移均值由15.55×10－4m减小到14.22×10－4m。

图5-10　基于非连续介质法的导流洞围岩x方向位移云图(局部放大图，y=25m)

图5-11　基于非连续介质法的导流洞围岩z方向位移云图(局部放大图，y=25m)

图5-12　水平应力系数对导流洞围岩最大位移影响的敏感性分析(非连续介质法)