（采矿工程专业论文）岩石破坏渗流机理的实验及数值模拟研究.pdf

l ad i s s e r t a t i o ni nm i n i n ge n g i n e e r i n g i l l l ll l l r li llijll li ju lliii y 18 4 4 0 7 2 e x p e r i m e n t a l a n dn u m e r i c a ls t u d yo ns e e p a g e m e c h a n i s mo fr o c kf a i l u r e b y l i uh o n g l e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry a n gt i a n h o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 f ， 、ijf、 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 蕾 恧。 学位论文作者签名：刮z 磊 日 期：2 册字7 月2 闫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年 学位论文作者签名：刊 磊 签字日期：础，7 ：2 导师签名： 签字日期： 柏灰l 缁 、叫 2 哟，z 乙 擎 r t l t 叶 ，一 心 ， f 东北大学硕士学位论文摘要 岩石破坏渗流机理的实验及数值模拟研究 捅要 岩石作为一种天然的非均匀材料，其内部富含各种缺陷，包括微裂纹( 裂隙) 、孔 隙以及节理裂隙等宏观非连续面，它们的存在为地下水提供了贮存和运移的场所。地下 水渗流以渗透应力作用于岩体，影响岩体中应力场的分布，同时岩体应力场的改变往往 使裂隙产生变形，影响裂隙的渗透性能，所以渗流场随着裂隙渗透性的变化而重新分布， 这种相互影响称之为渗流一应力耦合。 许多岩体工程的失事都与地下水有关，如水电工程大坝的失事、煤矿底板突水和顶 板溃沙涌水等，其失事的本质原因是在渗流场和岩体应力场的相互作用下，内部相邻裂 纹、裂隙与工程扰动诱发的裂纹裂隙不断扩展、相互作用直至贯通而导致了工程岩体的 失稳形成工程灾害。 本文从工程实际出发，在前人研究工作的基础上，对岩体渗流破坏机制开展了进一 步的基础研究，选取了砂岩和凝灰岩两种岩石试样，分别进行三轴应力状态变参数条件 的全应力应变过程渗透性对比实验，研究了两类岩石变形、破坏过程中渗透性变化的 特点，研究渗透性变化与体积应变的关系及峰前峰后的变化规律，利用数值手段进行补 充和对比，研究了不同孔隙压力对岩石渗流破坏的影响。 首先，通过实验研究得到渗流过程中渗透压差对岩石试件渗透率的影响规律，峰值 前和峰值后渗透压差随时间的增加均呈负指数关系；得到了体积应变渗透率的关系方 程。在轴向加载过程中，体积应变反映了岩样屈服、弱化和破坏过程中渗透率的演化规 律，尤其是应力峰值之后损伤破坏对岩样渗透率的影响规律。得到了在整个岩石破裂渗 流过程中，声发射活动随应力变化表现出不同的特征。 其次，通过模拟计算更系统的研究不同渗透压差条件下岩石试件的渗流破坏规律。 对比研究了稳态渗流和非稳定渗流条件下，岩石破坏、渗流场和水力梯度分布的差异。 稳态下随着岩石的损伤破坏，渗透系数不断增大；而非稳定条件下，随着岩石的损伤破 坏，压差达到稳定的时间缩短。 最后，应用实验和数值计算所得到的规律和认识，模拟计算了红透山深部断层下开 采诱发围岩破坏渗流过程，计算结果和实际情况较为一致，为开展巷道防渗工作提供了 科学依据。 关键词：岩石破裂过程，全应力应变渗透率，耦合作用，实验研究，破坏机理 专 _ a 扣 l _ 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a la n d n u m e r i c a l s t u d yo ns e e p a g e m e c h a n i s mo fr o c kf a i l u r e a bs t r a c t r o c k sa r eh o m o g e n o u sg e o l o g i c a lm a t e r i a l sw h i c hc o n t a i nn a t u r a lw e a k n e s s e so fv a r i o u s s c a l e s ，s u c ha sm i c r o - c r a c k s ，p o r e sa n dl o t so f j o i n t s t h e i re x i s t i n gp r o v i d e sc o n v e n i e n ts p a c e f o ru n d e r g r o u n dw a t e rr e s e r v i n ga n dm o v i n g t h es e e p a g eo fu n d e r g r o u n dw a t e ra c t so nr o c k m a s sb yw a t e rp r e s s u r e ，w h i c ha f f e c t st h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f r o c km a s sa n dm e a n w h i l et h e c h a n g eo fs t r e s sv e c t o rw i l li n d u c et h ed e f o r m a t i o no fc r a c k s ，a f f e c t i n gt h e i rp e r m e a b i l i t y ，s o t h ef l o wv e c t o rw i l lb ec h a n g e d t h i si ss o c a l l e dh y d r a u l i c s t r e s sc o u p l i n g i n s t a b i l i t yo fl o t so f r o c km a s se n g i n e e r i n gr e l a t e st ou n d e r g r o u n dw a t e r , f o re x a m p l e ， i n s t a b i l i t yo fd a m s ，w a t e ro u t b u r s tf r o ms e a mf l o o ra n ds oo n t h ee s s e n t i a lr e a s o no ft h e i r i n s t a b i l i t yi st h a tu n d e rt h ei n f l u e n c eo fh y d r a u l i c - s t r e s sc o u p l i n g ，n a t i v ec r a c k si nr o c km a s s a n dt h a ti n d u c e db ye n g i n e e r i n gd i s t u r b a n c ew i l li n i t i a t e ，p r o p a g a t ea n dc o a l e s c e ，w h i c hl e a d s t ot h ei n s t a b i l i t yo fe n g i n e e r i n g i no r d e rt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co fp e r m e a b i l i t yi nr o c kd i s t o r t i o na n df a i l u r ep r o c e s s t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r m e a b i l i t y ，p e a ks t r e n g t ha n dv o l u m es t r a i ni ss t u d i e db ym a k i n g s a n d s t o n ea n dt u f f s a m p l e s a n d t e s t i n g t h e i rm e c h a n i c a l p a r a m e t e r su n d e rt r i a x i a l e n v i r o n m e n t ，t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta r er e a d - i nt h es o f t w a r er f p a f l o w ，t h eu s eo f n u m e r i c a lm e a n st os u p p l e m e n ta n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd i f f e r e n tp o r ep r e s s u r et o u n d e r m i n et h ei m p a c to fr o c kf l o w f i r s to fa l l ，t h ei n f l u e n c eo fo s m o t i cp r e s s u r eo nt h er o c ks a m p l e s p e r m e a b i l i t yi s o b v i o u si nt h ec o u r s eo fs e e p a g e ，o nt h ep e a kb e f o r ea n da f t e rt h ep e a ko s m o t i cp r e s s u r e d i f f e r e n c ei n c r e a s e so v e rt i m es h o w e dn e g a t i v ee x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i p ，a n dt h er e l a t i o n b e t w e e nv o l u m es t r a i na n dp e r m e a b i l i t yt h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d y t h ep r o c e s so fa x i a l l o a d i n g ，t h ev o l u m es t r a i nr e f l e c t e dt h ep r o c e s so ft h ee v o l u t i o no fp e r m e a b i l i t yu n d e rt h e p r o c e s so fr o c ky i e l d ，w e a k e na n df a i l u r e ，e s p e c i a l l ya f t e rt h ep e a ks t r e s sd a m a g et ot h er o c k p e r m e a b i l i t ye f f e c tt h r o u g h o u tt h ec o u r s eo ft h ef a i l u r eo fr o c ks a m p l e s ，a c o u s t i ce m i s s i o n a c t i v i t i e sw i t ht h es t r e s sc h a n g i n gs h o w e dd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，i ，l，i ，一 s e c o n d l y , m o r es y s t e mo fs t u d yo nt h el a wo fs e e p a g ef a i l u r eu n d e rd i f f e r e n to s m o t i c p r e s s u r e c o n d i t i o n st h r o u g hs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n t h ed i f f e r e n c eo fd i s t r i b u t i o n so f h y d r a u l i cp r e s s u r ea n dh y d r a u l i cg r a d i e n td u r i n gr o c kf a i l u r eb e t w e e ns t e a d ya n du n s t e a d y s e e p a g ec o n d i t i o n s i s c o m p a r a t i v e l yi n v e s t i g a t e d u n d e rs t e a d ys e e p a g ec o n d i t i o n ，t h e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tc o n t i n u o u s l y i n c r e a s e dd u r i n gr o c kf a i l u r ep r o c e s s b u tu n d e r u n s t e a d ys e e p a g ec o n d i t i o n ，t h et i m eo fp r e s s u r ed i f f e r e n c er e a c h e ds t a b i l i t yi ss h o r t e d f i n a l l y , t h el a wa n du n d e r s t a n d i n gw h i c ho b t a i n e df r o me x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o n c a l c u l a t i o na r ea p p l i e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so fs u r r o u n d i n gr o c kf a i l u r ei n d u c e db ym i m n g u n d e rd e e pf a u l ti nt h eh o n g t o u s h a n t h er e s u l t sa n dt h ea c t u a ls i t u a t i o na r eb a s i c a l l yt h e s a m e ，a n dp r o v i d i n gt h es c i e n t i f i cb a s i sf o rd e v e l o p i n gr o a d w a ys e e p a g ec o n t r 0 1 k e y w o r d s ：r o c k f a i l u r e p r o c e s s ，w h o l es t r e s s s t r a i n p e r m e a b i l i t y , e x p e r i m e n t a ls t u d y , c o u p l i n g ，f a i l u r em e c h a n i s m r心k l- i。一。中 yh，一t o ， 一 沁 l - 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 问题的提出1 1 2 理论研究现状3 1 2 1 t e r z a g h i 一维固结理论一3 1 2 2b i o t 三维固结理论3 1 2 3 连续介质渗流数学模型4 1 2 4 裂隙网络渗流数学模型4 1 2 5 双重介质渗流数学模型5 1 3 实验研究和数值模拟研究现状6 1 3 1 实验研究现状6 1 3 2 数值模拟研究现状8 1 4 论文选题及研究意义8 1 5 本文研究思路和主要工作一9 1 5 1 研究思路。9 1 5 2 主要工作9 第二章岩石应力应变渗透率全过程实验研究1 1 2 1 实验背景1 l 2 2 孔隙岩石介质渗透基本特性1 2 2 3 孔隙结构和参数测试1 4 2 3 1 压汞法的基本原理15 2 3 2 试验结果1 6 2 3 3 测试结果讨论2 6 2 4 渗透性实验理论2 8 2 5 渗透性实验结果3 2 2 5 1 典型的破坏模式3 2 l，厦 目录 演化的基本规律3 3 ： ! ； 3 8 的影响4 0 j z 1 6 值模拟4 8 z 1 8 z 1 8 z 1 9 5 ：； 5 ：； 对比5 3 5 6 3 3 非稳定渗流过程分析6 2 3 4 本章小结6 7 第四章工程应用6 8 。 4 1 涌水情况及地质条件6 8 4 2 计算模型6 9 4 3 模拟结果分析。7 0 4 4 防治对策及效果分析7 4 4 5 本章小结。7 8 第五章结论与展望7 9 5 1 本文的主要结论7 9 5 2 今后的工作展望8 0 参考文献8 l 致谢8 7 作者简介8 8 ， j | 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论帚一早珀下匕 岩石经历了漫长的成岩和改造历史，其内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙、节 理和裂隙等宏观非连续面，它们的存在为地下水提供了贮存和运移的空间和场所。另外， 地下水渗流还以渗透应力作用于岩体，影响岩体中应力场的分布，同时岩体应力场的改 变往往使裂隙产生变形破坏，影响裂隙的渗透性能，所以渗流场随着裂隙渗透性的变化 而重新分布，这种相互影响称之为渗流一应力耦合。 1 9 5 9 年1 2 月2 日，法国m a l p a s s e t 拱坝在初次蓄水时即发生了全坝溃决，这是典 型渗流一应力耦合作用所造成的工程事故例子。人们开始认识到从基础理论和工程应用 两方面研究渗流和应力的耦合作用是十分重要和意义深远的。 岩体的渗透特性和水力耦合作用是近年研究的热点问题【l 】，随着人类工程活动范围 的扩展和规模的扩大，对这一需求显得尤为紧迫。就我国而言，在各类陡高边坡工程中 问题显得尤为突出f 2 1 。据估计【3 1 ，一个大型高边坡总体坡角加陡，可节省剥岩费用数以 千万元乃至亿元人民币，经验表明，岩体渗流场的不利影响可使总体边坡角的设计值在 3 5 度范围内变化。因此，通过深入研究裂隙岩体的渗流行为来挖掘边坡潜力或采取排 水降压等措施确保边坡安全，显得越来越重要。在个别矿山已是当务之急，如抚顺西露 天矿北帮西区边坡岩体需采取排水降压措施，才能确保边坡安全。 总之，无论水电工程、采矿工程、建筑基础工程，都存在人类工程干扰力、岩体地 应力、地下水渗透力之间相互影响、相互作用和耦合作用问题。在采矿和岩土工程中， 采动岩体中的渗流具有非线性、非稳态及参量时变等特点，外界扰动下渗流参量的渐变 易引起渗流系统动力学响应的突变，引发突水及气体突出等动力学灾害。破碎岩体是岩 土工程中一种较为常见的多孔介质，大致可分为两类：受构造及采动应力作用而破碎， 但仍处于原来位置的原位破碎岩体；因工程开挖而破碎垮落并在高压作用下可再次压 实的堆积破碎岩体。岩体破碎造成较大的块体间隙及发育、导通性能良好的基质裂隙与 孔隙，与完整、致密岩体相比，破碎岩体具有较高的压实性和渗透性，其渗透系数比完 整岩体增加一至数个量级，因而研究破碎岩体的渗流具有广泛的工程应用前景。 矿山采动岩体渗流问题主要是矿井突水和瓦斯突出。采矿活动必然造成地下岩体应 力的重新分布和岩体的破裂损伤，这种损伤极大地改变了围岩的渗透性，从而导致了项 板、断层带或底板突水并造成安全事故，突水是煤矿重大灾害之一。据统计【4 】，9 0 以 东北大学硕士学位论文第一章绪论 上的岩体边坡破坏和地下水渗透力有关，6 0 矿井事故与地下水作用有关，3 0 4 0 的 水电工程大坝失事是由渗透作用引起的。尤其是在我国华北型煤矿区石碳一二叠纪煤层 的开采受到底板奥陶系强岩溶含水层的威胁，自1 9 5 6 年到1 9 9 9 年，底板突水发生达1 3 8 61 次，其中淹井2 0 0 余次，造成十几个亿的巨大经济损失，人员伤亡千余人。金属矿山在 露天转地下开采过程中，过渡层“突涌突冒灾害是威胁其顺利过渡开采的主要因素。 此外，在深埋长大隧道开挖过程中，突水灾害问题也十分突出，一直是隧道地质灾害及 超前预报的主要内容之一。随着矿山开采深度的增加，水压不断增大，深部开采的水害 问题日益严重，有些矿井因为底板水的威胁而不能开采。目前全国6 0 0 余处国有重点煤 矿中受水害威胁的矿井达2 8 5 处，占4 7 5 ，受水害威胁的储量达2 5 x 1 0 t 。因此，开 展采动条件下岩体突水机制及监测预测预报研究，对于采动岩体突水预测与防治、开采 方法的改进、安全度的评价具有重大理论意义和实际价值。此外，地下水抽放、油气开 采、水库诱发地震、地表沉降、地下核废料存储等都涉及岩体作用力、岩体地应力、地 下水渗透力的相互作用及其耦合问题，可见该课题是一项具有理论研究价值和实际工程 应用背景的重大课题。 岩体是由岩石块体和非连续节理( 裂隙) 组成的地质结构体。在渗流等环境因素和j 工程扰动作用下相邻节理( 裂纹) 的扩展和相互贯通是工程岩体的主要破坏方式，在工 程实践中人们逐渐认识到裂纹扩展对岩体渗流应力一应变耦合作用影响十分显著【5 】。比 如在隧道和地下洞室的开挖过程中应力场的重新分布将会诱发损伤，并演化成宏观裂 隙。这种损伤将有可能导致岩体渗透性的剧烈变化，水将会渗入到隧洞中【6 1 。然而过去 的以某一点的应力一应变。渗透性变化的实验结果很难客观反应以工程实际过程中的变“ 化，因此采用全过程试验是必要的。以煤矿为例，由于煤层顶底板因采动引起的变形一 般要经历比较长的时间，岩层的破坏程度在时间和空间两个方面均表现为渐进的特点。 岩层变形破坏必然会导致渗流场要素的变化，现场实测结果反映，不但采动前、后顶底 板渗流性表现明显的差异，采动过程中其渗透性也随工作面的推进而变化，并且表现为 不均匀性变化，所以采用某一点的渗透实验结果很难客观反映整个过程中的应力与渗透 性耦合关系，在此基础上，采用岩石全应力应变过程渗透试验方法建立渗透性应力应 变的关系。所以随着人们对渗流耦合问题认识程度的加深，逐渐认识到损伤破坏、裂纹 扩展对岩体渗流一应力耦合作用影响十分显著，主要表现为： ( 1 ) 损伤对渗流过程的影响：即微裂纹萌生、连接、扩展和贯通过程中渗透率演 化规律及其力学机制问题。由于扩展中的裂纹的渗流特性与原生节理的渗流特性有着明 显的差异，我们必须同时考虑原生缺陷和损伤演化对岩石渗透系数量值的突变f _ 7 。1 1 】，它 _ a 魄 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 决定破坏过程中水对岩石中复杂( 不规则的) 渗流路径的选择1 2 】，所以影响渗流场空间 变化。 ( 2 ) 水的弱化和渗透应力诱发损伤过程：水的缓慢渗流降低岩体的刚度和强度： 在孔隙水压力作用下，将促使裂纹扩展贯通。水的损伤过程动态地改变岩体的破坏模式。 总之，关于岩石应力应变全过程渗透性试验的研究不仅有其重要的理论价值，而 且对城市建设、工农业生产、国民经济发展及人民生活和当前防灾减灾都具有重要的实 际意义。 1 2 理论研究现状 1 2 1 t e r z a g h i 一维固结理论 对渗流中的流固耦合问题的研究，最早来源于土的固结理论，当外载荷增加时，土 体逐渐被压缩，同时部分水从土体中排出，载荷也相应的从孔隙水( 或气) 上转移到土 骨架上，导致土骨架应力增加，土体也进一步变形，直到土骨架应力、孔隙压力与外载 荷平衡时为止。土的这一变形全过程称为固结。从整体上看，土是结构疏松且易变形的 多孔介质，而土骨架是由坚硬的矿物颗粒组成的。因此，在土固结过程中，土骨架变形 很小，可以忽略不计，土体变形主要是由土体的颗粒间间隙压缩引起的。对饱和土体， 孔隙压缩量与水的挤出量相当。因此，土的压缩过程即是土体中的水的渗流过程。这样 对土体变形与固结，渗流是最主要的影响因素。 t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 提出了饱和土体的一维固结理论，按照这个理论，土的力学性质 取决于有效应力。然而t e r z a g h i 假设：土体只发生一维压缩，土体中的总应力盯是已知 常量，在这个假设下，有效应力实际上可由孔隙压力单独确定。t e r z a g h i 的一维固结理 论，虽然考虑了渗流对土体固结的影响，但流体渗流不受土体变形的影响，因此未考虑 渗流中流固耦合效应。 1 2 2b i o t 三维固结理论 b i o t ( 1 9 4 1 ) 【1 3 】将孔隙流体压力p 和水容量r n 的变化也增列为状态变量，本构方程 是七对状态变量之间的物理关系，是考虑渗流中流固耦合效应的第一个力学理论【1 4 】0 b i o t 假设：土体是均匀各向同性的线弹性多孔固体：水是不可压缩的；土体中水的渗流 服从d a r c y 定律。以总应力和孑l 隙压力变化作为状态函数。该理论认为，在缓慢渗流的 准静态情况下，孔隙水压力不能引起各向同性的多孔介质的剪切变形，但对各个方向的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 正应变的影响是相同的，同样，剪应力对水容量增量的变化无影响，而各个法向应力对 水容量增量的影响是相同的。b i o t 建立的三维固结理论只考虑了介质变形对流体质量 ( 孔隙变化量n 引起的孔隙储水性变化) 守恒的影响，但没有考虑其对渗透率( 孔隙 变化量i l 引起的流量的变化) 的影响，因此只能反映流固之间的线性耦合作用。 b i o t 的耦合理论适合多孔介质，孔隙变化量和渗透率的关系方程、有效应力原理是 这个理论的基本框架，孔隙变化量是影响渗透率和孔隙水压的关键指标，所以渗流应 力耦合问题确切的说是渗流孑l 隙变化或介质应变耦合问题。考虑到多孔固体与孔隙流 体之间的相互作用即使是在弹性状态下也十分复杂，所以渗流应力耦合概念是这一相 互作用机制物理描述某种简化的提法。 1 2 3 连续介质渗流数学模型 等效连续介质模型是以渗透张量理论为基础，用连续介质方法描述岩体的渗流问 题。渗流张量是按裂隙格局统计平均参数所建立的，可以表征裂隙介质及其水流的各向 异性。根据统计原理，平均值只是在不存在系统变化下才能可靠地描述岩体，所以只有 在岩体的小体积范围，即在系统变化不明显的地方，才能应用渗透张量理论( 切尔内绍 夫，1 9 7 9 ) 【15 1 。 王嫒、徐志英( 2 0 0 0 ) 1 6 】等采用等效连续介质模型和离散介质模型单独分析相结合 的方法，分别给出多裂隙岩体介质和离散介质的弹塑性本构关系，首次采用四自由度全 耦合法，建立基于增量理论的复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性耦合方程。 等效连续介质模型可采用经典的孔隙介质渗流分析方法，使用上极为方便。对于岩 体稳定渗流，只要岩体渗流的样本单元体积( r e v ) 存在且不是太大( 小于研究域的 1 2 0 1 5 0 ) ，应尽量采用等效连续介质模型作渗流分析。 1 2 4 裂隙网络渗流数学模型 裂隙网络模型是把裂隙介质看作由不同规模、不同方向的裂隙个体在空间相互交叉 构成的网络状系统，称为裂隙网络，地下水沿裂隙网络运动。线素模型是裂隙网络渗流 模型的基础，它将裂隙岩石的渗透空间视为由构成裂隙网络的隙缝个体组成，运用线单 元法建立裂隙系统中水流量、流速及压力特征之间的关系。这是一种真实的水文地质模 型，相当于对天然裂隙系统的映射，但它却是稳定流模型，不能反映裂隙水流的瞬间变 化特征，但是由于查清每一条裂隙难以办到，因而只有在小范围且裂隙数量不大的范围， 才能应用。该模型将裂隙及其交叉点上的水动力关系逐个列出，揭示了裂隙水流运移的 、 、， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 内在联系，为裂隙网络流模型的研究奠定地理论的基础。 清华大学王恩志博士( 1 9 9 1 ) 【1 8 埏；用图论理论在线素模型的基础上建立了二维裂隙 网络渗流模型，并从二维模型发展到三维模型。在二维裂隙网络渗流模型中用线单元、 面单元和体单元来描述岩体中管状孔洞类、面状裂缝类、带状断层类结构面的渗流性能 及其空间组构特征。这一模型体现了裂隙系统的极不均匀性和渗透性的各向异性机制， 能够表示每一条裂隙的水流渗透特点。王洪涛( 2 0 0 0 ) t 1 9 埏；用裂隙岩体渗流模型与离散 元模型耦合分析充水岩质边坡的稳定性。 裂隙网络模型在搞清每条裂隙的空间方位、隙宽等几何参数的前提下，以单个裂隙 水流基本公式为基础，利用流入和流出各裂隙交叉点的流量相等来求其水头值。这种模 型接近实际，但处理起来难度较大，数量分析工作量基大。 1 2 5 双重介质渗流数学模型 双重介质模型是由苏联学者巴伦布拉特( b a r e n b l a n t t1 9 6 0 ) 提出的，假定岩体是孔 隙介质和裂隙介质相重叠的连续介质( 即孑l 隙裂隙二重性”) ：孔隙介质贮水，裂隙介 质导水；介质的渗透性取决于裂隙的渗透性；介质中每一点都有两个水头，一个孔隙水 头，一个是裂隙水头而一当孔隙水头和裂隙水头不同时，二者存在着水量交换，交换 水量g 吖与水头差成正比。很多学者提出了各自的双重介质理论模型，不同之处在于对 裂隙系统和孔隙系统以及两系统之间的水交替进行了不同的概化【2 0 1 。 该模型的主要缺陷是不能反映裂隙系统空间结构的不均匀性以及其中水流普遍具 有的各向异性，而且在同一点给出两个压力值也是困难的( 田开铭1 9 8 4 ) ，黎水泉、徐 秉业( 2 0 0 0 ) 2 1 】提出一种考虑介质参数随压力变化的双重孔隙介质非线性渗流模型，研 究耦合过程中孔隙压力和裂隙压力随时间的变化规律。 双重介质模型，除裂隙网络外，还将岩块视为渗透系数较小的渗透连续介质，研究 岩块孔隙与岩体裂隙之间的水交换，这种模型更接近实际，但数值分析工作量也更大。 上述理论方法由于涉及到渗流场与变形场( 或应力场) 的耦合，对渗流中的渗固耦 合问题求其精确解是十分困难的。目前，大多都是进行实验室实验或现场实验，通过改 变实验条件进行机理研究或采用数值计算的方法求其数值解，改变参数进行数值模拟研 究。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 实验研究和数值模拟研究现状 1 3 1 实验研究现状 1 9 6 8 年b r a c e 2 2 】首先研究了在高围压和孔压下花岗岩的渗透率变化规律，开创了结 合应力状态研究岩石渗透率的先例，它使人们认识到岩石材料的破坏及其渗流性质是一 个与细观损伤演化和宏观裂纹产生密切相关的过程。此后，这方面的工作越做越多。 p a t s o u l s 、k e i g h i n t 4 8 1 、s e n s e n ：4 9 1 、z o b a c k 5 0 1 ，国内李世平【7 】、韩宝平【9 】、姜振剥1 1 1 、李 树刚【1o 】等学者在这方面做了大量的工作，通过试验及理论研究，国内外学者已经初步得 到了岩体应力和渗流之间的基本关系。李世平通过大量的砂岩全应力一应变渗透率实验， 得到了岩石的渗透率应变关系方程，划分成三种类型：( a ) 渗透率最大值在峰后流动段 末尾；( b ) 渗流最大值在软化阶段，之后渗透率不断减小；( c ) 渗透率最大值与峰值强度点 重合，略微有所减小。文 7 3 通过试验分析了不同围压下砂岩的空隙度和渗透率的变化 规律。文 7 4 对殷庄砂岩在全应力应变过程中的渗透性进行了研究，并提出了岩石渗透 性与岩石应力应变有较强的函数关系等认识。文 7 5 1 研究了不同类型沉积岩全应力应变 过程中的渗透性特征，得出了很多有意义的结论。文 7 6 】研究了岩石变形破坏过程中渗 透率演化规律，并且系统阐述了环向变形对渗透率的影响规律。文 7 7 研究了岩石应力 应变全过程中的渗透性特征，从理论和试验两方面介绍了体积应变和渗透率的关系文 【7 8 7 9 1 中j o n e s1 9 7 5 年和k r a n z1 9 7 9 年分别对碳酸盐类岩石、花岗岩进行试验，得出 渗透系数与正应力的关系，发现随着有效应力和样本尺寸的增大，裂隙渗透率呈非线性 下降趋势，这一趋势表明当有效正应力增大到一定程度时裂隙渗透率接近于一个最低的 限度。近2 0 年来，随着先进的试验设备和方法的不断研制开发，能够测定出特定条件 下岩石变形、渐进破裂过程中孔隙结构变化引起渗透性演化规律及其对宏观力学行为的 响应。许多学者进行了大量关于岩石应力应变渗透率方面的试验研究工作【7 舛7 1 ，最初的 研究是通过三轴压缩试验研究岩石峰值前后的渗透率变化规律，正如p a t e r s o n 8 0 】代表性 的总结。 对于该问题，z h u 和w o n g 5 9 】在围压范围从1 3 到5 5 0 m p a ，孔隙压力为1 0 m p a 的 条件下，通过对于低孔隙率( l o ) 的塑性岩石的实验研 究，认为低孔隙率岩石和高孔隙率( 或破碎带) 岩石在压应力作用下，裂纹萌生、发展 有不同的机理。低孔隙率岩石产生不可恢复的变形和破坏是由于渐进的损伤当小尺度微 裂纹萌生、发展和贯通形成大尺度的裂纹和断层，所以岩石膨胀变形明显，渗透率增加； 高孔隙率( 或破碎带) 岩石的变形机理包括沿原有裂纹和颗粒边界的滑动、矿物颗粒位 t 、( k 东北大学硕士学位论文第一章绪论 错移动等，新的微裂纹萌生较少，岩石以压缩变形为主，渗透率减小。归根结底，膨胀 ( d i l a t a n c y ) 变形导致的孔隙率增加是岩石渗透率增大的直接原因。 为此，c r i s t e s c u 和h u n s c h e 7 1 】在八面体剪切应力状态下把岩盐划分为三个区：压缩 区，微破裂发展形成的膨胀区和峰值强度后的破坏区。提出了在强度包络线内盐岩由非 膨胀到膨胀变形的转变，建立了膨胀边界方程。膨胀边界是一个没有体积变化带，只要 应力状态保持在非膨胀应力区域，那么盐岩通常处于压缩状态而不产生膨胀裂纹。认为 在膨胀区和破坏区岩石的渗透性都要发生增大。o t t os c h u l z e 等【8 6 】验证了盐岩的膨胀边 界，认为只要应力状态保持在非膨胀应力区域，那么盐岩通常不产生膨胀裂纹。实验通 过超声波速率和渗透率测试是研究由膨胀应力范围内的应变引起的膨胀破坏的一种有 效方法，并认为岩石材料的破裂导致损伤和其渗透性具有一致性，据此建立了裂纹扩展、 体积膨胀和渗透率的关系，得出损伤( 孔隙率) 和渗透性受到多个参数的影响，其中最 主要的就是最小主应力和加载条件。 目前的室内实验研究比较系统，初步建立了损伤、孔隙率等参数和渗透性的关系。 b r a c e 2 2 l 在一次回顾中也着重强调，随着变形的增加，岩性和孔隙、微裂隙结构等因素 对应力渗透性关系影响的比较复杂。o t t os c h u l z e 跖】基于岩盐，o d a 8 5 】基于花岗岩，韩 宝平基于碳酸盐，w a n g f 3 8 】基于沉积岩，z h u 和w o n g 5 4 j 基于不同孔隙度砂岩的研究结论， 应该说比较全面地揭示了不同岩性应力、损伤和渗透率的关系。关于沉积岩中损伤产生 发展，最重要的争论是体应变对孔隙度和渗透率决定性影响和使用c a p 模型模拟压缩 过程的必要性。对沉积岩这种多孔岩石损伤中像应变局部化，压实带，体应变，脆延 破坏过渡等应变局部化都是建立突水模型的关键问剧- 9 4 。y u a ns c 【9 5 l 对现在的渗流 破坏模型进行了总结认为目前存在的不足有：第一，实验结果证实了渗透性提高与岩石 体积膨胀的强烈相关性，但目前的理论模型仍然没有考虑到这种依赖关系；第二，岩体 损伤及其诱致的渗透性变化依赖于岩体的三轴应力状态，但目前的模型中没有考虑有效 测压对于渗透性的影响；第三，对于一些孔隙率比较低的一类岩石，其渗透性随着岩石 的损伤并不是引起渗透性的提高，而是降低，这也是在数值模拟中需要考虑的 但是很少文献涉及到渗透演化过程中体积应变和渗透率变化规律方面的研究因此 笔者提出了在实验中加入了环向位移测其体积应变。将渗透率一体积应变耦合关系融入 应力场与渗流场耦合及渗流场和应变耦合关系中分析。根据不同条件下对同组岩石进行 全应力应变过程渗透性对比实验结果，通过实验所反映的应力应变和渗透性应变及体 积应变渗透性的关系特点，针对岩石变形破坏过程中应力、应变、体积应变及渗透性 四者的关系特点进行分析。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 数值模拟研究现状 目前有大量的渗流一应力( 应变) 耦合分析理论、数值模型及其计算程序，离散介 质模型、等效连续介质和双重介质模型以及有限元、离散元、边界元、d d a 、f l a c 等 方法用于研究岩体的渗流一应力耦合分析。n o o r i s h a d ( 1 9 7 1 ) 3 1 】开发了第一个用于渗透 应力和载荷应力作用下渗流分析的软件，w i t h e r p o o n ( 2 0 0 0 ) 【3 2 】编写了分析渗透应力、 体应力和边界载荷耦合作用的有限元程序，g a l e ( 1 9 7 5 ) 【3 3 】提出了可以考虑在渗透应力 作用下裂纹张开、闭合的数值模型，r u t q v i s t ( 2 0 0 1 ) 【3 4 】回顾了近年来所发展的大量的 用于渗流一应力( 应变) 耦合分析的数值模拟软件，s i t h a r a mt h a l l a k 等( 1 9 9 1 ) 3 5 】用离 散元模型( d e m ) 耦合渗流压力分析水压致裂过程。 r o i f m a h n k e n ( 2 0 0 1 ) 【3 6 】提出了一个带有膨胀边界的岩盐的渗流耦合有限元程序， 岩盐的本构模型基于真三轴试验测试，考虑膨胀和压缩范围内八面体应力空间的明显边 界，为了对这个本构关系进行积分，提出了一个积分算法，研究压缩区和膨胀区不同的 渗流应力耦合机制。 盛金昌、速宝玉等( 1 9 9 9 ) 【了7 】开发出裂隙岩体渗流弹塑性耦合作用有限元程序， 并应用于边坡稳定性，侧重于研究渗流应力引起塑性区分布。 w a n g ( 2 0 0 2 ) 【3 8 】依据全应力应变渗透率试验结果，辅助三维显式有限差分程序 f