利用边坡岩体温度位移场计算识别温度对深部位移影响的方法

专利名称：利用边坡岩体温度位移场计算识别温度对深部位移影响的方法
技术领域：
本发明属于地质监测技术，具体涉及一种利用边坡岩体温度位移场计算识别温度对深部位移影响的方法。
背景技术：
在人工边坡和天然滑坡(以下简称边(滑)坡)的稳定性安全监测中，目前普遍采用钻孔测斜仪测量边(滑)坡岩体的深部位移变化。但是，长期以来困惑人们不解的问题之一是，为什么在边(滑)坡开挖结束后，用测斜仪实测的孔口位移-时间过程线随时间还会不断起伏呢？人们很自然怀疑气温可能是影响水平位移起伏的原因，究竟是不是气温的影响？有多大的影响？影响有什么样的规律？目前尚未有公开文献记载，在人工边坡和天然滑坡(以下简称边(滑)坡)的稳定性安全监测中，利用边坡岩体温度位移场计算识别温度对深部位移影响，以解决解释温度的变化对边坡岩体深部位移的影响关系。

发明内容
本发明的目的在于提供一种利用边坡岩体温度位移场计算识别温度对深部位移影响的方法，以解决上述问题。
本发明的技术方案为利用边坡岩体温度位移场计算识别温度对深部位移影响的方法在岩体的边坡上钻深孔，利用钻孔测斜仪但不限于钻孔测斜仪监测和绘制边坡岩体孔口和/或深部的位移过程线和/或位移沿深度的分布线；收集或监测环境温度和绘制温度过程线；收集或测定边坡岩体的热力学参数；确定岩体边坡温度场的边界条件；利用热传导方程计算边坡岩体准稳定温度场；根据准稳定温度场计算温度变化引起的边坡岩体位移场；利用温度位移场计算结果，整理出位移和温度的过程线和位移、温度沿深度的分布曲线，比较计算得出的温度位移过程线和监测得到的边坡岩体位移过程线。通过计算得出的温度、位移过程线和温度、位移沿深度的分布曲线得出温度位移场的规律。
通过比较计算得出的温度位移过程线和监测得到的边坡岩体位移过程线，来判断温度的变化是否对边坡岩体深部位移的变化有影响，影响有多大等问题。通过计算得出的温度、位移过程线和温度、位移沿深度的分布曲线得出温度位移场的规律。该方案是发明人在人工边坡和天然滑坡(以下简称边(滑)坡)的稳定性安全监测中首次提出的。


图1隔河岩水电站CX240-1实测位移时间过程线图2隔河岩水电站实测CX110-1位移时间过程线图3隔河岩厂房边坡I-I断面及测斜仪布置4隔河岩水利枢纽坝区气温过程曲线图5边坡位移-温度场计算网络6240m孔口绝对位移、温度过程线图7210m孔口绝对位移、温度过程线图8150m孔口绝对位移、温度过程线图9128m孔口绝对位移、温度过程线图10110m孔口绝对位移、温度过程线图11100m孔口绝对位移、温度过程线图12位移-深度曲线图13高气温下的温度-深度分布曲线图14低气温下的温度-深度分布曲线具体实施方式
如图3所示，我们以隔河岩厂房边坡为例，在其I-I断面钻孔并布置测斜仪，检测并绘制边坡岩体孔口的位移过程线(如图1、2)，测出并绘制气温过程线(如图4)。
1、计算原理长期处于气温作用下的岩体边坡，岩体中的任一点温度以同一周期作简谐变化，其变幅和相位随坐标(二维情况下即x、y)而异。由热传导理论，准稳定温度场T(x、y)在边坡范围内满足以下热传导方程∂T∂τ=a(∂2T∂x2+∂2T∂y2)+∂θ∂τ----(1)]]>及边值条件对于第一类边界条件，即已知边坡表面的温度分布，则应满足T＝T0+Asinωτ (2)或对于第二类边界条件，即已知边坡表面的热流密度，当表面为绝热时应满足
∂T∂n=0----(3)]]>或对于第三类边界条件，即边坡表面与周围介质有热交换时，则应满足λ∂T∂xlx+λ∂T∂yly+β(T-T0)=0----(4)]]>式中T-气温；T0-为给定的边界气温；τ-时间；θ-绝热温升；a＝λ/cρ-导温系数；λ-导热系数；ρ-容重；A-气温变幅；ω-气温变化频率；β-表面放热系数；n-为边界的外法线方向；lx、ly-为边界的法线方向余弦；x、y-为平面坐标。
2、计算方法我们采用二维有限元法求解。
(1)计算网格及边值条件计算网格给出于图5，图5所示计算范围比图1给出的实际边坡范围有所增大，其中左右侧和底部均加大80m，目的在于使相关边界满足绝热条件，边坡边界条件与大坝的边界条件不尽相同，这里的边坡不存在第三类边界条件的情况，并对图5边坡各段的边界条件给定说明如下BC为绝热面，自由边界；CD为绝热面，固定边界；DE为绝热面，沿y方向可以位移，但不能沿x方向位移；
EF、FA、AB为气温边界面，自由边界。
其中x向顺坡向，“+”为向坡外方向位移y向铅直向，“+”为上抬。
(2)计算参数计算参数见表1，表1中的各种参数根据相关岩石的试验测定值的统计平均值给出。
(3)初始温度条件给出气温过程线如图4。然后在年气温边界作用下，从1980年开始计算到2000年时的温度作为位移计算的初始温度条件。
(4)温度场计算中分区(灰岩区和页岩区)考虑了岩体的不同物理力学参数和热学性能，考虑了基岩表面的放热系数。
表1 隔河岩厂房高边坡温度变形计算热力学参数

计算方法在数值求解中，采用对时间向后差分的隐式差分方程。单元内任一节点的温度用形函数插值为Te＝[N]{T}e(5)
对于不稳定热传导问题，温度场计算需满足热传导方程、初始条件及边界条件。根据变分原理，将其化为泛函的极值问题进行温度场计算，进行极小化后得到隐式差分方程并求解该方程组得到t+Δt时刻的温度场。
温度应力及位移的计算是采用有限元法分时段进行计算。
视基岩为线弹性体，单元内某一点任一时段的应力-应变关系为{Δσ}＝[D]·[{Δε}-{ΔεT}] (6)式中Δσ-应力增量 [D]-弹性矩阵 Δε-应变增量{ΔεT}＝α·[ΔT，ΔT，ΔT，0，0，0]T为温度应变增量ΔT-温度增量根据虚功原理，对每个单元得到方程[k]e·{Δδ}e＝{ΔR}e(7)其中[k]e=∫v[B]T·[D]·[B]dv]]>[ΔR]e=∫v[B]T·[D]·{ΔϵT}dv]]>[Δδ]e为单元结点节点位移增量集合所有单元，则有[K]·{Δδ}＝{ΔR} (8)从(8)式解出{Δδ}，然后进行叠加，求得总位移。
3、计算结果与比较根据温度位移场计算，整理出位移和温度的变化过程线和沿深度分布的曲线。
地表(即测斜仪钻孔孔口)受气温的影响最大，现将气温最高的7月份各高程孔口的水平位移随气温的过程线给出于图6-11。
3.1由图6-11看到，水平位移随气温变化有如下规律(1)气温变化对水平位移有影响，但影响的量很小。对I-I断面边坡(灰岩和页岩)位移量的影响为毫米级，但用钻孔测斜仪实测的位移变化量为厘米级(图2～3)；从温度位移变化规律看出，与实测过程线不同，温度位移变化以年为周期成简谐曲线变化见图6和图11，但实测位移的变化周期和起伏形状与简谐曲线都相差甚远。可见，温度变化对深部位移的影响存在，但不是主要的因素，一定存在其它比温度变化影响更主要的因素。
(2)水平位移随温度变化呈周期性地变化，变化周期与年气温变化周期一致，且位移与温度呈正相关关系。
(3)随温度升高位移增大(即边坡向坡外位移)，随温度降低位移减小(即边坡向山里移动)(4)位移变化与温度变化不同步，位移变化滞后温度的变化，滞后时间与岩性、高程和所在位置附近的边坡形状有关，滞后最短时间约为35天，发生在240m孔口；滞后最长时间约75天，发生在128m孔口。灰岩区滞后时间约35-60天，页岩区滞后时间约50-75天。
3.2位移随钻孔深度变化的规律给出钻孔各点相对孔底的位移—深度变化曲线于图12。由图12看到距孔口深度大于10m时，随深度增加位移一般减小；距孔口深度10m以内，除240m钻孔外，都有一个位移减小过程，只有240m钻孔全孔随孔深增加，位移始终减小，出现这种位移特性的原因，是由于各钻孔所在的边坡平台上下(或左右)的边坡形状(或坡度)不同所导致的温差分布规律各异所造成。
3.3气温沿钻孔深度变化的规律各高程测斜孔内温度随深度的分布曲线给出于图13～14。从图上看到(1)高气温下，从孔口(地表)到孔深7～11m范围内，孔温随孔深增加先急剧下降到16～16.5℃，然后随孔深增加，分别缓慢增加到稳定温度17℃。即沿孔深有先急剧温降，后缓慢温升的过程(参看图13)。
(2)低气温下，从孔口(地表)到孔深7～11m范围内，孔温随孔深增加先急剧上升到17.3～17.8℃，然后随孔深增加，分别缓慢下降到稳定温度17℃。即沿孔深有先急剧温升，后缓慢温降的过程(参看图14)。
(3)灰岩中的钻孔受气温影响比页岩中的钻孔深；靠近气温边界的钻孔受气温影响比远离气温边界的钻孔深。
(4)对于隔河岩工程厂房边坡I-I断面边坡岩体的影响深度为8～10m，大于此深度的变化不超过1℃。
4、结论通过对隔河岩引水隧洞及厂房边坡I-I监测断面边坡岩体的温度位移场计算，我们可以得到以下几点结论(1)气温变化对边坡岩体深部位移有影响，但气温变化对边坡位移的影响较小，影响位移量为毫米级，因此，实际存在比温度影响更主要的其它因素。
(2)位移随气温变化呈周期性的变化，其变化周期与气温变化周期一致，且位移与气温变化呈正相关关系。
(3)位移变化滞后于温度变化，对隔河岩水电站I-I断面边坡岩体滞后时间为35～75天不等。
(4)气温变化对边坡岩体中的钻孔的影响与边坡开挖形状(或坡度)及岩性有关。灰岩和靠近气温边界的影响比页岩中和远离气温边界的钻孔深。对于I-I断面边坡岩体，影响深度约11m，大于11m深度的温度最大变化为1.0℃左右。因此，一般距孔口深度大于11m的测斜仪测点受气温变化的影响只在1.0℃左右。
权利要求
1.利用边坡岩体温度位移场计算识别温度对深部位移影响的方法，其方法为在岩体的边坡上钻深孔，利用钻孔测斜仪但不限于钻孔测斜仪监测和绘制边坡岩体孔口和/或深部的位移过程线和位移沿深度的分布线；收集或监测环境温度和绘制温度过程线；收集或测定边坡岩体的热力学参数；确定岩体边坡温度场的边界条件；利用热传导方程计算边坡岩体准稳定温度场；根据准稳定温度场计算温度变化引起的边坡岩体位移场；利用温度位移场计算结果，整理出位移和温度的过程线和位移、温度沿深度的分布曲线，比较计算得出的温度位移过程线和监测得到的边坡岩体位移过程线；来判断温度的变化是否对边坡岩体深部位移有影响，通过计算得出的温度、位移过程线和温度、位移沿深度的分布曲线得出温度位移场的分布规律。
2.如权利要求1所述利用边坡岩体温度位移场计算识别温度对深部位移影响的方法，其特征在于所述热传导方程为∂T∂τ=a(∂2T∂x2+∂2T∂y2)+∂θ∂τ---(1)]]>边界条件为对于第一类边界条件，即已知边坡表面的温度分布，则应满足T＝T0+Asinωτ (2)或对于第二类边界条件，即已知边坡表面的热流密度，当表面为绝热时应满足∂T∂n=0---(3)]]>或对于第三类边界条件，即边坡表面与周围介质有热交换时，则应满λ∂T∂xlx+λ∂T∂yly+β(T-T0)=0---(4)]]>式中T-气温；T0-为给定的边界气温；τ-时间；θ-绝热温升；α＝λ/cρ-导温系数；λ-导热系数；ρ-容重；A-气温变幅；ω-气温变化频率；β-表面放热系数；n-为边界的外法线方向；lx、ly-为边界的法线方向余弦；x、y-为平面坐标。
3.如权利要求1所述利用边坡岩体温度位移场计算识别温度对深部位移影响的方法，其特征在于边坡位移场的计算采用有限元法求解。
全文摘要
本发明公开了利用边坡岩体温度位移场计算识别温度对深部位移影响的方法它是在岩体的边坡上钻深孔，利用仪器监测和绘制边坡岩体孔口和/或深部的位移过程线和位移沿深度的分布线；收集或监测气温制温度过程线；收集或测定岩体的热力学参数；确定边坡温度场的边界条件；利用热传导方程计算边坡准稳定温度场；根据准稳定温度场计算温度变化引起的边坡位移场；利用温度位移场计算结果，整理出位移和温度的过程线和沿深度的分布曲线，比较计算温度位移过程线和监测的位移过程线。通过比较计算的温度位移过程线和监测的位移过程线，来判断温度的变化是否对边坡岩体深部位移的变化有影响，影响有多大，通过计算得出的温度、位移过程线和温度、位移沿深度的分布曲线得出温度位移场的规律。
文档编号G01N25/18GK1556402SQ200310111698
公开日2004年12月22日 申请日期2003年12月31日 优先权日2003年12月31日
发明者李迪, 肖汉江, 崔建华, 陕亮, 张保军, 孙役, 李亦明, 张漫, 王志旺, 杨健, 程俊祥, 曹荣祥, 李 迪 申请人:长江水利委员会长江科学院