浅谈裂隙岩体渗流与应力耦合的问题

裂隙岩体渗流与应力耦合浅析匡坤华（辽宁工程技术大学采矿工程阜新123000）摘要：针对岩体在渗流与应力相互作用下动态平衡体系中的变形及稳定，提出了裂隙岩体渗流与应力耦合的研究课题问题，结合岩体渗流的特性，分析了裂隙岩体应力与应变对渗透系数的影响情况，然后对裂隙岩体渗流插和应力场藕合作用及反演分析的思想和方法进行了论述，最后对目前裂隙岩体渗流场与应力场耦合的研究进展和存在的问题进行了介绍。关键字：裂隙岩体；渗流；耦合；反演分析AndstresscouplinganalysisofseepageflowinfracturedrockmassKUANGKun-hua(SchoolofLiaoningTechnicalUniversty,Miningengineering,Fuxin,123000)Abstract:rockmassinteractionintheseepageandstressthedynamicbalancesystem,thedeformationandstabilityofthefracturedrockmassproposedcouplingofseepageandstressresearchissues,combinedwiththecharacteristicsofrockseepageanalysisofthefracturedrockmassstressandstrainonthepermeabilitycoefficientofthesituation,andthenfracturedrockcoupledseepageandstressfieldoftheroleofinsertionandinversionanalysisofideasandmethodsarediscussedandfinallythecurrentfracturedrockmassseepagefieldandstressfieldofresearchprogressandthereisTheproblemisintroduced.Keywords:Fracturedrock；seepage；coupling；backanalysis随着我国民经济的飞速发展，工程岩体在渗流与应力相互作用下动态平衡体系中的变形及稳定是许多工程学科面临的共同问题。据统计，90％以上的岩石边坡破坏与地下水渗透力有关，60％的矿井事故与地下水的作用有关，30%～40％的水电工程大坝失事是由渗透作用引起的。可见，裂隙岩体渗流与应力耦合分析是岩体力学界一个很有意义但又十分复杂的课题，近年来，岩体渗流与应力(应变)耦合作用研究已成为岩体力学领域的热点之一。1岩体渗流的特征1.1渗流的各向异性岩体的渗流各向异性是指岩体在各个方向的上的渗透特性各不相同，通常用渗透张量来表示，不连续面的成组性和空间展布的不均匀性是造成渗流各项异性的主要原因，通常在节理裂隙密集的方向上，岩体的渗透性占主导优势。1.2渗流的不均匀性岩体的渗流非均匀性是指岩体空间系统内不同位置的渗透系数大小不同，即渗透系数是坐标的空间函数。对于多孔介质及准多孔介质，岩体的渗流不均匀性主要是孔隙和节理裂隙分布差异造成的，宏观上岩体渗流的不均匀性主要是不连续面的发育程度的差异造成的。。1.3渗流的非饱和性由于粗糙程度和开度的差异，不连续面不同部位的渗透特性可能相差很大，有些部位成为气封闭域，致使渗径复杂化，而开度大的部位就成为优势渗流主槽。一些勘探表明，虽然处于地下水位以下，但有的裂隙内仍然是干燥或仅有少量裂隙渗水，这说明岩体处于非饱和状态。岩体渗流的非饱和性是流体通过裂隙时流动的重要特征。2裂隙中渗流与应力耦合分析很多情况下，裂隙岩体中存在地下水，地下水强烈影响着岩体的力学性质，除了使强度降低以外，还会对裂隙岩体施加渗流力。故对岩体的变形和温度都起着非常大的影晌。对节理裂隙岩体进行变形和稳定分析时，对渗流影响的评估非常重要，但也很困难。一方面渗流产生渗透压力，减少了节理裂隙面上的有效法向应力，从而影响了岩体的变形和稳定；另一方面渗流又具有很强的应力和变形依赖性，裂隙岩体受荷载作用后，由于应力场的逐渐改变和裂隙法向及切向应力的逐渐增大，引起岩体中孔隙或裂隙张开度发生变化，从而使得岩体渗流通道发生变化，裂隙中渗流的流速和流体压力的重分布。这样以来，变形和渗流便形成了复杂的耦合作用。2.1裂隙岩体应力对渗流系数的关系裂隙岩体受荷载作用后，由于应力场的逐渐改变和裂隙法向及切向应力的逐渐增大，引起岩体中孔隙或裂隙张开度发生变化，从而使得岩体渗流通道发生变化，裂隙中渗流的流速和流体压力的重分布，裂隙水通量随裂隙法向应力的增加而很快降低，见下图所示1-1图1裂隙张开度和通水量和有效正应力的关系图2.2裂隙岩体其变形与渗透系数的关系岩体并非高强度介质，其材料参数一般呈现非线性，当受到荷载作用时，很容易发生屈服，尤其是对结构面这样的介质，在同一应力条件下其变形存在较大的差异，而结构面又是地下渗流水的主要通道，因此，单从应力方面研究是不够的，应该从变形方面研究。实际上，岩体受荷引起的渗透性变化其本质是裂隙变形引起的。影响渗透系数的变形一般只有法向变形，而法向变形由法向应力引起的变形和切向位移引起的剪胀组成，目前的相互作用研究中，基本没有考虑裂隙的剪胀作用。通过裂隙变形建立应力与渗透系数的关系，其基础理论是立方定律。基本思路为首先获得变形后的裂隙张开度，然后代入立方定律以及水力隙宽的计算式求取渗透系数，当然首先要知道应力与变形的关系。设e为某应力时的隙宽，则可按下式进行计算。0mjneee式中：0me为初始裂隙隙宽，jne为裂隙在外荷载作用下的法向闭合量。代入立方定律得：2220000(1)(1)12jnjnemmmeegkekvcee2.3一种渗流系数与耦合的关系在总结他人工作的基础上，有人采用了采用连续介质模型，以立方定律和Biot经典耦合方程为基础，同时考虑三个主应力的影响，以应力第一不变量I1和孔隙水压力wp作为渗透率的函数，即根据有效应力原理，提出考虑应力对渗流的影响的耦合方程：1()0(,)12nwllpgkpeevcK为渗透系数；wP为孔隙水压力，、为孔隙水压力系数和应力耦合系数；n为求解问题的维数，一维问题=1，二维问题H=2，三维问题n=3。得出的应力一渗透率关系方程反映了岩体的渗透系数随法向应力的增大而减小，当应力增大到一定值，渗透系数趋向一个稳定值，耦合关系方程基本反应了渗流与应力耦合特性。耦合关系是以主应力和孔隙水压力作为基本变量，反应了渗流与应力的耦合非线性关系。优点：其它的耦合关系一般是建立以法向应力为基本变量的渗透系数函数，本文得出的应力一渗透率关系方程是以三个主应力为基本变量的方程，能反应三维状态围压的影响：另外应力一渗透率关系方程还考虑了孔隙水压力的影响。3．对裂隙岩体渗流和应力场藕合进行反演分析岩体的渗流特性与裂隙的几何参数特别是隙宽密切相关，而裂隙的几何参数又会随岩体应力场变化而发生显著改变，因此裂隙岩体渗流场与应力场之间存在着强烈的耦合作用，己成为人们的共识。国内外学者已进行了大量的两场耦合研究工作，然而如何确定渗流、应力及其耦合的参数一直是该领域研究的难点和关键问题，曾有人提出全耦合参数静态反演的思路，基于水头、位移等多类型观测资料和全耦合正分析的方法，实现了渗流、应力的参数静态反演，如此不仅能够提高传统的参数反演方法的结果可信度，而且为确定这些不易直接测定的参数提供了一种有力的工具。但是在实际工程中，由于裂隙岩体渗流和力学行为的发生、发展往往是一个动态过程，它随着工程的施工、环境的变化和时间的持续在不断变化，而且有关岩体渗流和力学行为的观测资料往往也是若干时间序列，因此如果不考虑岩体的这种动态行为，只通过某一时刻的观测资料进行反演分析即静态反演，其反演结果在非恒定渗流场或者荷载与边界条件变化的情况下将会失真，而且也不便应用于岩体渗流和力学行为的动态预测。于是有必要开展基于动态观测资料的两场耦合的动态反演方法研究，并建立裂隙岩体渗流和变形行为的动态预测模型。4结论裂隙岩体渗流与应力(应变)耦合研究是一个十分复杂的课题，它必须综合考虑地下水动力学、岩体结构力学等各个方面。岩体作为一种复杂的天然地质体，岩体本身就是一个高度复杂的不确定和不确知系统，人们对其认识存在～定的模糊性和局限性，裂隙岩体流固耦合问题研究己开展多年，许多学者为此做出了很大贡献，但许多问题仍未完全解决，仍需要我们继续做进一步的研究工作：（1）目前，国内外对裂隙单裂隙渗流规律主要精力放在如何修正立方体定律上，但此定律中一些参数难以确定，为便于工程应用，应研究渗透性与岩体的分类指标的相关性上，这样也可充分利用日益先进的测井技术成果。（2）较符合实际的双重介质模型和离散介质一连续介质模型的拟真性在一定程度上取决于流体交换项确定的准确性，二维计算分析只能考虑某个剖面，对研究有很大的局限性，应当开发三维裂隙岩体渗流与应力的耦合分析。参考文献[1]杨天鸿.岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究．东北大学博士论文．2001．5p1[2]王媛,刘杰.基于敏感性分析的裂隙岩体渗流与应力静态全耦合参数反演[J].岩土力学,2009,(02)[3]王媛,刘杰.裂隙岩体非恒定渗流场与弹性应力场动态全耦合分析[J].岩石力学与程学报,2007,(06)[4]方涛,徐文彬,胡海浪.裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析[J].灾害与防治工程,2007,(01).[5]王艳丽.裂隙岩体渗流场与应力场耦合的研究进展[J].国外建材科技,2007,(03).[6]陈平，张有天.裂隙岩体渗流与应力耦合分析[J].岩石力学与工程学报,1994,(04)