CN110907327A - 一种考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，将复杂裂隙网络等效为多组平行裂隙组构成的裂隙网络模型，并提出了裂隙等效优化方案，提出了具有较好等效效率的裂隙网络，简化了裂隙网络渗流分析的复杂程度，且等效后的裂隙渗流特性保持了原有的裂隙网络的渗流特性及各向异性，便于数值模型的建立和分析。利用η对裂隙等效效果进行了判定和优化，并对裂隙等效后的张开度进行了求解。该方法适用于岩体节理裂隙(Ⅳ级结构面)的简化分析，将由随机裂隙网络组成的裂隙网络模型在不影响其主要渗透特性的情况下简化为多组平行裂隙网络，具有很好的可重复性。

Description

一种考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法

技术领域

本技术处于水文地质学中的地下水渗流领域，尤其涉及一种考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法。

背景技术

裂隙是影响岩体渗流场的重要因素之一，在实际工程中，对单条裂隙的研究往往意义不大，对生产活动影响大的是裂隙网络。受岩体构造作用、卸荷作用以及风化作用，单条裂隙在裂隙形态、裂隙粗糙度、裂隙充填物、裂隙张开度等方面统计较为困难，加上裂隙在三维空间分布各异，使得裂隙研究更为复杂。

发明内容

为解决现有技术中裂隙网络渗流分析较为复杂的问题，本发明提出了一种考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，该方法在不影响裂隙网络渗流特性的基础上，将复杂的三维裂隙网络等效为易于研究的规则裂隙网络，并给出了裂隙网络等效张开度的求解方法。

本发明采用以下技术手段：

一种考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，包括步骤如下：

S100，对原有裂隙网络进行岩体节理裂隙统计分析，并对节理裂隙进行分组，将性质相似的节理裂隙分为一组；

S200，统计各分组裂隙岩体几何要素所服从的数学分布形式；

S300，将各分组岩体节理裂隙几何要素所服从的数学分布形式建立二维或三维随机裂隙网络，并依据建立的二维或三维随机裂隙网络模型进行渗流计算，得到随机裂隙网络在优势方向下的渗透系数；

S400，改变裂隙岩体尺寸，重复计算裂隙岩体各方向渗透系数，计算得到裂隙岩体渗透系数表征单元体REV₁；

S500，将各分组裂隙分别等效处理，得到多组裂隙组成的优势节理裂隙网络，对等效后的裂隙网络计算该模型的渗透系数表征单元体REV₂；

S600，取渗透系数表征单元体REV₁、REV₂中的大值，作为等效后裂隙岩体REV值，建立等效后优势节理裂隙网络；

S700，计算等效前后的渗流量差值与等效前渗流量之比作为等效误差度；判断等效误差度是否小于设定阈值：

如果不满足，则重新分组增加组数，充分步骤S100～S700；

如果满足，则随机裂隙可等效为优势节理裂隙网络。

作为本发明的进一步改进，S100中，统计分析方法为绘制节理裂隙等密度曲线或节理产状玫瑰图。

作为本发明的进一步改进，S200中，几何要素包括裂隙空间分布、裂隙产状、裂隙密度/间距、裂隙形态、裂隙张开度和裂隙迹长。

作为本发明的进一步改进，S300中，采用Monte Carlo方法将各分组岩体节理裂隙几何要素所服从的数学分布形式建立二维或三维随机裂隙网络。

作为本发明的进一步改进，S500中，等效处理原则为将各分组裂隙等效为一组平行优势裂隙产状的等间距裂隙，其间距与其平均间距相等，张开度假设为一定值。

作为本发明的进一步改进，S700中，设定阈值为10％～30％。

作为本发明的进一步改进，优势节理裂隙网络指裂隙有n组平行等间距裂隙组成，每组裂隙间距相等且等于该组裂隙间距的平均值，单组裂隙的张开度相同且等于裂隙的等效张开度，各分组裂隙张开度与裂隙的渗透各向异性特性有关。

作为本发明的进一步改进，等效张开度的求解方法，包括如下步骤：

S501：某一组节理裂隙的优势节理裂隙为J1，计算原有裂隙网络在REV₁条件下，优势方向的渗透系数K1；

S502：假设优势节理裂隙网络中，产状为J1时的裂隙张开度为1mm，计算该产状下的渗透系数为K2，比较K2与K1的大小，调整裂隙张开度的区间范围，重新计算得到K2；

不断缩小裂隙张开度范围，使得K2值不断逼近K1值，最终确定该方向的节理裂隙张开度；

S503：采用同样的方法进行其他优势方向节理裂隙张开度的计算，重复步骤S502，即得到n组平行的间距为各分组平均间距、产状为优势节理裂隙产状、张开度为等效后的张开度。

本发明具有以下有益效果：

本发明将复杂裂隙网络等效为多组平行裂隙组构成的裂隙网络模型，并提出了裂隙等效优化方案，提出了具有较好等效效率的裂隙网络，简化了裂隙网络渗流分析的复杂程度，且等效后的裂隙渗流特性保持了原有的裂隙网络的渗流特性及各向异性，便于数值模型的建立和分析。该方法是将复杂的裂隙网络在不影响其主要特征的基础上等效为多组优势节理裂隙组成的优势节理裂隙网络，利用η对裂隙等效效果进行了判定和优化，并对裂隙等效后的张开度进行了求解。岩体的渗流本质上是渗流在裂隙网络中的流动，与将裂隙岩体直接等效为连续介质不同，本发明将岩体渗流分析实现了由随机裂隙到简单裂隙网络的转变，并保证了等效前后裂隙REV基本保持不变，一定程度上解决了目前离散裂隙网络模型难以应用于大尺度工程地质问题的难题，优化了等效效率，对裂隙岩体渗流研究具有一定的借鉴意义。该方法适用于岩体节理裂隙(Ⅳ级结构面)的简化分析，将由随机裂隙网络组成的裂隙网络模型在不影响其主要渗透特性的情况下简化为多组平行裂隙网络，具有很好的可重复性。

附图说明

图1为一种考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法流程图；

图2为裂隙等效张开度的求解方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明做进一步详细说明。应当指出的是，以下所揭露的仅为本发明应用实例。不能以此来限定本发明之权利范围，在不脱离本发明原理的前提下，本领域技术人员还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一种考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，包括如下步骤：

步骤一：对原有裂隙网络进行节理裂隙统计分析，统计方法可以采用绘制节理裂隙等密度曲线或节理产状玫瑰图，并对裂隙进行分组分析，确定优势节理裂隙产状，分别记录为J1、J2……Jn；

步骤二：统计裂隙岩体各几何要素所服从的数学分布形式，几何要素包括裂隙空间分布、裂隙产状、裂隙密度/间距，裂隙形态、裂隙张开度、裂隙迹长等。

步骤三：根据Monte Carlo方法生成几何要素满足统计得到的数学分布形式的二维或三维随机裂隙网络，并依据建立的二维或三维随机裂隙网络模型进行渗流计算，得到随机裂隙网络在优势方向下的渗透系数。

步骤四：改变裂隙岩体尺寸，重复计算裂隙岩体各方向渗透系数，计算得到裂隙岩体渗透系数表征单元体REV₁，根据表征单元体的特性，表征单元体REV可反映裂隙岩体的平均渗流特性；

步骤五：将各分组裂隙分别等效为一组平行优势裂隙产状的等间距裂隙，其间距与其平均间距相等，张开度假设为一定值，计算该模型的渗透系数表征单元体，即REV₂；

步骤六：取表征单元体REV₁、REV₂中的大值，作为等效后裂隙岩体REV值，等效后优势节理裂隙网络即为尺度大小为REV值的n组优势产状下的平行裂隙组成；

步骤七：将分组细化可以进一步提高等效裂隙网络的精度，定义等效前后的渗流量差值与等效前渗流量之比作为等效的误差度η，即：

Q_前、Q_后为裂隙等效前后裂隙网络在某一水力梯度条件下的渗流量。

该指标反映优势裂隙网络在等效原始随机裂隙时由于分组不合理所产生的误差，若误差度较大时，可以重新分组以便于建立新的裂隙网络。若分组数目等于裂隙总数时，此时等效前后裂隙网络相同，等效的误差度η基本为0。

规定等效误差度η需小于30％，若等效前后误差度η大于30％时，说明等效后的优势节理裂隙网络与原始裂隙渗透特征变化较大，应该进一步细化分组，若小于等于30％时，说明等效具有代表性。

其中，误差度η可以根据实际工程对等效精度的要求、工程重要性等级、裂隙充填物质等视情况进行调整，通过对裂隙进一步细化分组来实现。

但随着裂隙的进一步细化，裂隙网络增大，造成运算量增大，在实际应用中，应在解决主要渗流基础上尽可能简化分析，等效效率优化主要对优势裂隙进行优化，优势裂隙组数范围为1～n，在应用中应尽量减小n。

其中，优势节理裂隙网络指裂隙有n组平行等间距裂隙组成，每组裂隙间距相等且等于该组裂隙间距的平均值，单组裂隙的张开度相同且等于裂隙等效张开度，各分组裂隙张开度与裂隙的渗透各项异性特性有关。裂隙等效模型主要应用于节理岩体渗透性计算等方面，如图1所示，其裂隙等效张开度确定方法如下：

步骤一：以某一组节理裂隙为例，其优势节理裂隙为J1，计算原有裂隙网络在REV₁条件下，优势方向的渗透系数K1；

步骤二：假设优势节理裂隙网络中，产状为J1时的裂隙张开度为1mm，计算该产状下的渗透系数为K2，比较K2与K1的大小，调整裂隙张开度的区间范围，重新计算得到K2；不断缩小裂隙张开度范围，使得K2值不断逼近K1值，最终确定该方向的节理裂隙张开度；

步骤三：采用同样的方法可以进行其他优势方向节理裂隙张开度的计算，重复步骤二，则n组平行的、间距为各分组平均间距、产状为优势节理裂隙产状、张开度为等效后的张开度的优势节理裂隙网络即为所求。

该方法仅仅适用于一般的Ⅳ级结构面如节理、层理等且等效单元体REV存在的情形，对于大型断层或者区域构造断裂带不适用。

下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式进行详细阐述，但本发明不限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明实施例中详细说明具体的细节。

实施例1

一种考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，包括如下步骤：

(1)在该方法应用前，应对现场揭露的岩体新鲜面进行详细统计分析，数据采集应该真实可靠且数量应尽可能多，选取工程岩体的典型区域为研究域，常采用测线法或统计窗法对研究域内的裂隙几何要素进行统计分析，采用节理裂隙等密度曲线图或节理产状玫瑰图对裂隙进行分组，各分组中裂隙特征相近；

(2)对分组中裂隙的各几何要素进行数学统计分析，建立裂隙各几何要素的概率模型，并根据数据拟合确定概率模型中的特征参数。一般情况下，裂隙岩体几何参数都满足一定的数学统计规律，如裂隙的迹长一般为负指数分布或对数正态分布，裂隙的空间分布(倾向和倾角)通常服从Bingham分布、Fisher分布、对数正态分布、正态分布等，在不同的裂隙岩体中，必须根据实际统计数据拟合来确定裂隙几何要素分布形式。

(3)根据岩体裂隙的测量和统计结果生成随机裂隙网络，随机裂隙由一系列满足一定数学统计规律的裂隙组成，每条裂隙的几何结构要素存于裂隙结构数据文件中。结合一定的边界条件即可对裂隙网络模型进行分析，假设裂隙中渗流服从达西定律，由于裂隙岩体属于各向异性介质，其渗透性具有显著的各向异性，达西定律表达式如下：

其中渗透系数

其中K_ij为三维渗透张量在i、j方向的分量，i、j取值为x，y，z。

(4)对于二维裂隙渗透性的计算，可以在裂隙统计并建立随机裂隙网络后，计算研究域不同方向的渗透系数，将不同方向渗透系数进行拟合得到渗透椭圆，并通过改变岩体尺寸，确定岩体渗透系数REV值。

对于三维裂隙渗透性的计算，取两个互相垂直的平面在统计窗中进行转动，计算不同位置处、不同方向处的渗透系数，然后将空间不同方向渗透系数与渗透方向相结合，拟合得到渗透椭球，改变岩体尺寸，重复计算得到裂隙岩体渗透系数REV。

此为裂隙岩体三维渗透的椭球方程，k1，k2，k3为渗透主值，渗透主值平方根的倒数等于椭球极径，对于二维问题，此方程可简化为

改变裂隙岩体尺寸大小，当岩体各方向渗透系数较为稳定时，则得到裂隙网络的渗透系数表征单元体(REV₁)。

(5)各分组中的裂隙特征相近，将同一组中的裂隙进行近似等效为一组平行裂隙，产状取其优势产状，裂隙贯通，从而不考虑原始裂隙中孤立、封闭的裂隙，且该组裂隙渗透性与渗透方向基本保持不变，裂隙间距等于该组裂隙的平均间距，便于建立裂隙模型进行数值计算。重复对其他各分组进行等效，即可得到多组裂隙组成的优势节理裂隙网络。

(6)对等效后的裂隙网络进行渗流计算，计算其渗透张量与渗透系数表征单元体REV，方法参考(2)(3)(4)步骤，得到裂隙岩体渗透张量表征体为REV₂。

(7)以REV₁与REV₂中的大值为等效后得到的优势节理裂隙网络的表征单元体REV值，计算尺度为REV值，保持等效前后渗透张量基本不变，计算等效裂隙张开度。

(8)计算等效后裂隙张开度主要采用求解的方法，即假设裂隙张开度已知的条件下计算裂隙渗透张量，然后比较计算结果与等效前渗透张量，重新调整裂隙张开度，重复进行计算，直至等效前后渗透张量基本相近时即得所求。

(9)以等效前后的渗流量差值与等效前渗流量之比作为等效的误差度η来评判等效裂隙是否有效，即：

Q_前、Q_后为裂隙等效前后裂隙网络在某一水力梯度条件下的渗流量。

若误差度η较大，可进一步细化分组重新进行计算。

实施例2

下面给出具体实施例子：

以某地下洞室工程为例，在洞室开挖过程中实时统计地下洞室节理裂隙发育情况，对裂隙的空间分布、形态特征、有无充填物等要素进行了详细的测量和记录，依据实测岩体节理产状绘制得到节理等密度曲线图。

对裂隙分组并统计各分组满足的数学分布，将裂隙分为2组，各分组优势节理裂隙产状为75°∠75°、235°∠70°，经统计裂隙倾向服从正态分布(76.7，17.9)、(73.5，7.6)，倾角服从正态分布(237，23.9)、(74.6，7.2)，迹长服从对数正态分布(25，4.52)，(35，6.33)，裂隙间距为2～8m不等，为简化分析，建立二维裂隙网络，裂隙位置由中心点控制，裂隙中心点在研究区域内为均匀分布，裂隙密度为0.02条/m²，裂隙张开度为2～10mm。

利用Monte Carlo方法模拟二维随机裂隙，并依据随机裂隙模型进行渗透性计算，计算得到随机裂隙在产状为75°∠75°、235°∠70°时渗透系数为1.05×10^-8m/s、1.05×10^{- 8}m/s。

计算随机裂隙模型在不同方向(0°～360°)、不同尺寸下的渗透系数值，得到裂隙岩体渗透系数表征单元体REV₁为120×120m，即该模型的REV值可以代表岩体平均渗透特性。

等效后的为两组平行裂隙组成的裂隙网络，节理产状为75°∠75°、235°∠70°，节理间距为平均间距取5.7m、7.2m，假设裂隙张开度取定值为1mm，计算等效后裂隙模型在不同方向(0°～360°)、不同尺寸下的渗透系数值，得到裂隙岩体渗透系数表征单元体REV₂为130×130m，即该等效后的裂隙模型的REV值为130×130m。

根据已知信息可以对等效模型进行等效张开度的求解分析，根据现场测量资料确定裂隙张开度区间为2～8mm，故建立模型大小为130×130m的优势裂隙网络模型，模型有两组平行裂隙组成，其产状为75°∠75°、235°∠70°，间距为5.7m、7.2m，裂隙张开度为＝(2+8)/2＝5mm，计算在平行两组裂隙的条件下的渗透系数K2，经计算渗透系数K2＞K1，因此调整裂隙张开度区间为2～5mm，重新进行计算，进一步缩小裂隙张开度区间范围，确定最终裂隙张开度为3.1mm、2.2mm，

综合随机裂隙与等效后裂隙网络REV值，确定优势节理裂隙网络模型尺寸为130×130m,两组裂隙产状为为75°∠75°、235°∠70°，节理间距为平均间距取5.7m、7.2m，裂隙张开度分别为3.1mm、2.2mm。

经现场统计，洞室实际涌水量为19.5m³，经等效后的裂隙网络计算可知，计算后的涌水量为17.02m³，计算误差度为12.8％。故不需进一步分组，随机裂隙可以等效为优势裂隙网络。

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (8)

1.一种考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，其特征在于，包括步骤如下：

S100，对原有裂隙网络进行岩体节理裂隙统计分析，并对节理裂隙进行分组，将性质相似的节理裂隙分为一组；

S200，统计各分组裂隙岩体几何要素所服从的数学分布形式；

S300，将各分组岩体节理裂隙几何要素所服从的数学分布形式建立二维或三维随机裂隙网络，并依据建立的二维或三维随机裂隙网络模型进行渗流计算，得到随机裂隙网络在优势方向下的渗透系数；

S400，改变裂隙岩体尺寸，重复计算裂隙岩体各方向渗透系数，计算得到裂隙岩体渗透系数表征单元体REV₁；

S500，将各分组裂隙分别等效处理，得到多组裂隙组成的优势节理裂隙网络，对等效后的裂隙网络计算该模型的渗透系数表征单元体REV₂；

S600，取渗透系数表征单元体REV₁、REV₂中的大值，作为等效后裂隙岩体REV值，建立等效后优势节理裂隙网络；

S700，计算等效前后的渗流量差值与等效前渗流量之比作为等效误差度；判断等效误差度是否小于设定阈值：

如果不满足，则重新分组增加组数，充分步骤S100～S700；

如果满足，则随机裂隙可等效为优势节理裂隙网络。

2.根据权利要求1所述的考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，其特征在于，S100中，统计分析方法为绘制节理裂隙等密度曲线或节理产状玫瑰图。

3.根据权利要求1所述的考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，其特征在于，S200中，几何要素包括裂隙空间分布、裂隙产状、裂隙密度/间距、裂隙形态、裂隙张开度和裂隙迹长。

4.根据权利要求1所述的考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，其特征在于，S300中，采用Monte Carlo方法将各分组岩体节理裂隙几何要素所服从的数学分布形式建立二维或三维随机裂隙网络。

5.根据权利要求1所述的考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，其特征在于，S500中，等效处理原则为将各分组裂隙等效为一组平行优势裂隙产状的等间距裂隙，其间距与其平均间距相等，张开度假设为一定值。

6.根据权利要求1所述的考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，其特征在于，S700中，设定阈值为10％～30％。

7.根据权利要求1所述的考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，其特征在于，优势节理裂隙网络指裂隙有n组平行等间距裂隙组成，每组裂隙间距相等且等于该组裂隙间距的平均值，单组裂隙的张开度相同且等于裂隙的等效张开度，各分组裂隙张开度与裂隙的渗透各向异性特性有关。

8.根据权利要求7所述的考虑等效效率优化的复杂裂隙网络等效方法，其特征在于，等效张开度的求解方法，包括如下步骤：

S501：某一组节理裂隙的优势节理裂隙为J1，计算原有裂隙网络在REV₁条件下，优势方向的渗透系数K1；

S502：假设优势节理裂隙网络中，产状为J1时的裂隙张开度为1mm，计算该产状下的渗透系数为K2，比较K2与K1的大小，调整裂隙张开度的区间范围，重新计算得到K2；

不断缩小裂隙张开度范围，使得K2值不断逼近K1值，最终确定该方向的节理裂隙张开度；

S503：采用同样的方法进行其他优势方向节理裂隙张开度的计算，重复步骤S502，即得到n组平行的间距为各分组平均间距、产状为优势节理裂隙产状、张开度为等效后的张开度。

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