第1章 绪论

1.1 工程背景

随着西部大开发战略的实施，资源开发和基础设施建设正以前所未有的速度发展。水电工程、公路工程、铁路工程、矿山工程等常常面临着高边坡开挖、地下洞室开挖等岩体稳定问题。岩体稳定问题，直接关乎工程建设的成败与安全，如果处理不当，往往会导致不可预想的严重后果。以水电工程为例，法国玛尔帕塞拱坝溃坝事件，导致下游12km处Frejus城镇部分被毁、421人死亡的严重后果^［1］；天生桥二级水电站进场右岸挡墙基坑开挖导致滑坡，使48人丧生^［2］；清江隔河岩水电站右岸导流洞出口边坡失稳，近20万m³岩体解体，延误工期3个月^［2］；黄河小浪底水利枢纽进场公路开挖时，发生30万m³滑坡，造成公路改道、增加交通隧道及桥梁工程等大量追加投资^［2］；云南澜沧江漫湾水电站左岸缆机平台边坡失稳的治理工程耗资1.2亿元，延误工期一年，损失超过10亿元^［2］等。

岩体在形成与存在的历史过程中，经受各种复杂而不均衡地质作用及构造作用的影响，使岩体内充满各种不连续面和缺陷，如节理、裂隙、断层、褶皱及接触带、剪切带^[3]等。这些结构面形成了复杂的裂隙网络，在切割岩体形成岩石块体的同时也形成岩体的渗流通道。这些结构面对于岩体力学性质的影响远大于岩石块体本身对岩体力学性质的影响，岩体的强度、变形及渗透性往往决定于岩体的结构特征^[49]。传统的连续介质力学方法如有限元法、边界元法、有限差分法都是采用连续体变形模型，所研究的介质服从应力平衡和位移协调。这些基于连续介质力学的数值分析方法不能较好地反映岩体力学特性与水力学特性，为此，各国学者开始研究基于非连续介质力学的数值分析方法^[1013]。例如早期的关键块体理论，后来用于研究块体运动的离散单元法（Discrete Element Method，DEM）和不连续变形分析（Discontinuous Deformation Analysis，DDA），以及现在的数值流形方法（Numerical Manifold Method，NMM）和颗粒体离散元（Particle Flow Code，PFC），另外还有用于岩体渗流特性分析的离散裂隙网络（Discrete Fracture Net-work，DFN）方法等。

这些方法在模拟岩体特性方面虽然表现出传统数值分析方法不可比拟的优势，但是还存在很多问题，例如如何根据裂隙识别出基本计算单元、采取何种高效地接触搜索算法以及建立何种接触应力-应变关系等问题。这些都是比较棘手的问题，它们一直制约着非连续介质力学分析方法在岩体工程中的应用与发展。为此，本书重点研究如何根据岩体中的裂隙网络构建基本计算单元（即岩石块体或裂隙渗流面）问题，它不仅是非连续介质力学分析方法的基本问题，而且还是首要问题。开展这方面的研究，将有助于这些非连续介质力学分析方法本身的进一步发展，同时也为更好地模拟岩体的力学特性与水力学特性以及研究岩体工程稳定性问题奠定基础。