裂隙巖體滲流—損傷—斷裂研究分析

(重慶交通大學 建筑與土木工程 重慶 400041)

一、引言

裂隙巖體力學性質(zhì)與水巖相互作用的機理在巖土工程領域一直備受關注，但水的滲流存在變化和侵蝕，導致巖體工程地質(zhì)災害的不穩(wěn)定。大規(guī)模突變的不穩(wěn)定性是其中一個重要原因。

裂隙巖體分析，巖體邊坡設計，水利水電工程設計與維護，煤層注水儲層地震預測控制，油藏深埋油氣藏等都涉及到水巖流固耦合問題。根據(jù)國內(nèi)外研究情況，大型巖體裂隙耦合分為三個階段

1)只考慮滲流場與應力場的作用，而不考慮應力場對滲流場的影響。

2)巖體變形和滲透壓力并考慮到相互作用，在這個階段，研究僅限于裂縫的分布，而不考慮鉆孔和開挖荷載下的裂縫。而未考慮損傷演化行為對裂縫滲透性連接和擴展的貢獻，增加了由滲透壓引起的裂隙巖體力學特性的退化作用。

3)考慮巖石碎片的破壞情況和巖石破裂的影響對爆破振動的工程開挖卸荷。巖體中的應力場與滲流的相互作用研究表明：裂縫隨著壓力的增大，滲透壓的巖體質(zhì)量以及巖體裂隙和裂隙的擴展，巖體的破壞演化，導致滲透壓損失，出現(xiàn)滲流損失。

二、巖體裂隙的幾何特性

巖體交界處的空間分布，形狀，大小，密度，幾何參數(shù)如開放和連通和巖體裂隙分布，形狀和連通性，孔隙類型會對巖石塊體力學性質(zhì)和滲透性產(chǎn)生影響。

天然粗糙表面的關節(jié)破壞是非常復雜的，從幾何起源，拉伸，壓縮，扭轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化的次數(shù)分析，總是暴露在剪應力下，由于結構特征不變，外觀保持仍有一定的規(guī)律性。

(一)裂隙面的產(chǎn)狀、規(guī)模與形態(tài)

發(fā)生斷裂面，描述三維空間斷裂面方向的幾何元素，構造運動，一定規(guī)則的果實，以及分布順序，即方向組。根據(jù)地質(zhì)學的調(diào)查結果，巖石斷裂可以推廣到一些使用核線面控制結構的投影方法。每組的主要結構平面具有相同的起源。確定了巖石結構定向控制的平面陣列的不同結構的組合，即各向異性。

裂隙面的發(fā)生和巖石力學性質(zhì)的裂縫滲透率試驗是滲透張量和損傷張量計算的重要幾何參數(shù)。失效分析的實際計算，斷裂面可以用兩種常規(guī)方法來表示。

1)存在因子法；

2)法線矢量法。

斷裂面表面的形狀，斷裂面表面的接觸面積，表面粗糙程度以及反映水泥的程度。 斷裂面的大小根據(jù)大小可以分為兩個階段，稱為角度變化，相對于平均高度和角度，表示為逃逸或粗糙表面。這被稱為粗糙度并反映了裂縫的二次振動。

斷裂主要是兩個的平面結構，而不是從更復雜的規(guī)則，調(diào)整裂紋和聯(lián)合構建的空間結構中開裂系統(tǒng)特征，風化復合結構開裂變薄。

另一方面，裂縫的形狀是未知的，已知形狀的裂縫，因為它不知道如何使用不同尺寸的裂縫表面和裂縫表面的裂縫參數(shù)大小，裂縫表面的大小是一個復雜的物理參數(shù)。距離通過直接暴露巖石來測量。

測量裂縫的長度和調(diào)查方法和統(tǒng)計方法，各種跡線長度的概率分布，平均值和分布理論如下表。

(二)裂隙面的間距和密度

裂縫密度之間的距離是衡量巖石裂縫的破裂程度。裂隙密度之間的距離，巖體完整性變形，張量計算的強度和滲透特性。與斷口間距相同，常用于鄰近兩組斷裂面上點間的距離。通常認為同一組的裂紋是裂紋之間的距離。在實際的實地調(diào)查中，需要研究垂直組中的骨折線排列在一條線上。即裂縫與測量值之間的距離，可以找到裂縫的平均間距。

斷裂表面，斷裂表面法線方向和斷裂表面每單位長度的線密度通常用下式表示。

三、工程應用分析

(一)工程概況與計算模型

某地下廠房圍巖結構面以短小連續(xù)的節(jié)理、裂隙為主，其產(chǎn)狀分別為1)N0°～55°E，傾NW，角度65°～85°；2)N40°～60°E，傾NW，角度50°～75°；3)EW傾N，角度45°～85°。

主樓，主變室均為并聯(lián)布置，并且所有壓力調(diào)節(jié)室和主樓的尾部，主要尺寸為280/26/60，其長度和寬度以及高度為199/17/25、200/20/60。主廠上游和下游的尾部振調(diào)壓室之間的距離分別為30和35。

1)不考慮滲透壓作用廠房損傷斷裂

根據(jù)圍巖開挖擾動，不考慮滲透壓和斷裂破壞的影響，以及滲透壓梯度對圍巖應力的擾動效應。得到圍巖位移分布圖，位移分布圖顯示了開挖后，墻體的最大水平位移，中間約為4.5毫米，拱頂和拱底垂直位移約為11.5毫米。拱壩，拱壩，側(cè)壁圍巖開挖壓縮和主體植物帶壓力造成的剪切破壞以及破壞帶最大深度。

2)考慮滲透壓作用廠房損傷斷裂分析

盡管有滲透壓，但在8.5毫米尾水平室內(nèi)的圍巖位移的滲透壓由主室和主室中心向外水平移動2.2倍。通過降低地下水位引起的圍巖變形，不考慮滲透壓的作用。20-30mm之間安全腔的向下位移增加了大大改善了拱底鼓底的現(xiàn)象。

由外力引起的初始研究，不考慮單個接頭滲透的變形，被認為是開放式流動和管道流動。事實上，除了填充材料和外部載荷之外，間歇接頭的滲流特性，接頭開口以及表面粗糙度。外力，變形，接頭處發(fā)生變化，并與接頭處的泄漏流量有關，進而引起滲透壓變化的破壞。關節(jié)和關節(jié)的開口，表面粗糙度是控制外力的重要參數(shù)，關節(jié)面，幾何形狀和流體壓力的影響因素。包括巖體中的裂縫，地應力，流體壓力與應力的相互作用，垂直地震作用對正常有效應力，流體壓力和剪切應力的影響。力學性質(zhì)在一定范圍內(nèi)的變化取決于力的大小和方向。接頭表面的幾何特征，取決于巖石材料的強度和變形特性，接頭力的影響，產(chǎn)生新的接觸，甚至破壞接頭巖石材料。

四、結束語

從斷裂和巖體變形破壞的觀點出發(fā)，單一的各向異性本構方程的流體和固體的裂隙網(wǎng)絡滲流都是從理論上推導出了裂縫的密度，大小，距離等連接關系和幾何因素是同時建立的。

在實際的工程分析計算中，采用有限元軟件對巖石中受到擾動的嚴重地下水進行了分析計算，認為有必要考慮巖石滲透壓對周邊地區(qū)的影響。