水力耦合裂隙巖體破裂機(jī)理研究綜述

董惠 張保良 于海鋒

（①聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院 聊城252000 ②濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司安居煤礦 濟(jì)寧 272059）

1 前言

天然的地下巖體在地質(zhì)作用下存在著裂隙、孔隙、節(jié)理和微裂紋等各種各樣的缺陷，水以降雨、地下水、河流等形式在孔隙和裂隙之間進(jìn)行著流動(dòng)，通過滲透應(yīng)力的形式作用在巖體上，影響著巖體應(yīng)力場(chǎng)的分布。巖體應(yīng)力場(chǎng)極大部分是通過改變巖體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)滲流產(chǎn)生影響，因?yàn)閼?yīng)力的改變對(duì)巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面的影響巨大，其會(huì)引起巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙寬度、貫通度的改變，從而影響滲流性能。這種相互影響、相互作用的現(xiàn)象稱為水力耦合作用。

開始時(shí)，人們對(duì)巖體的滲流規(guī)律認(rèn)識(shí)并不足，只是按照土的滲流方式來推測(cè)巖體，從而導(dǎo)致工程失事，其中著名的例子有1959 年法國(guó)馬爾帕賽特拱壩潰壩，造成了大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，通過對(duì)該事故進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)是因在滲透水壓的作用下導(dǎo)致壩肩巖體沿下游斷層滑移[1]。

本文通過搜集國(guó)內(nèi)外資料對(duì)裂隙巖體的耦合作用進(jìn)行總結(jié)歸納，從水力耦合作用下裂隙巖體的滲流特性，變形破壞機(jī)制等方面進(jìn)行歸納和分析，并對(duì)未來進(jìn)行了展望。

2 水力耦合裂隙巖體滲流特性研究

目前，完整巖體的研究已經(jīng)逐漸趨于成熟，人們逐漸轉(zhuǎn)向于裂隙巖體的研究，在過去的100 年里，對(duì)于裂隙巖體的滲流，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和工作，得到一些經(jīng)驗(yàn)公式并且發(fā)明的一些實(shí)驗(yàn)的儀器，為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了極大的便利。法國(guó)工程師在基于沙土實(shí)驗(yàn)的達(dá)西定律上進(jìn)行總結(jié)，最終于1856 年拉開了外國(guó)學(xué)者研究裂隙巖體的序幕。在隨后的100 年里其他學(xué)者在裂隙巖體中進(jìn)行液體流動(dòng)的試驗(yàn)標(biāo)志著裂隙巖體滲流研究的開始。

2.1 水力耦合巖體滲流特性研究

以達(dá)西定律滲流力學(xué)為基礎(chǔ)，為使以巖體為代表的多孔介質(zhì)滲流研究不斷發(fā)展，很多學(xué)者對(duì)水壓作用下的巖體的滲流特性做了深入的研究，發(fā)現(xiàn)了不同性質(zhì)的巖石的滲透系數(shù)均與孔隙率的大小成正比，表明了巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化和不均質(zhì)性對(duì)滲透性有著很大的影響。文獻(xiàn)[2]中通過三種巖石（媒底，無名灰，四灰?guī)r）在圍壓和孔隙壓力的條件下（孔隙壓力始終小于圍壓），對(duì)巖體的應(yīng)力-應(yīng)變過程中的滲透性的變化進(jìn)行了研究，同時(shí)該實(shí)驗(yàn)是在先進(jìn)的室內(nèi)巖石力學(xué)電液伺服系統(tǒng)上進(jìn)行的，結(jié)果表明不同種類的巖石的孔隙率和滲透率之間在總體上呈現(xiàn)為正相關(guān)的關(guān)系，但在后期滲透率均發(fā)生“突變”現(xiàn)象[2]?！巴蛔儭焙蟮膸r石滲流特性一直是學(xué)者們面臨的難點(diǎn)，因?yàn)閹r石內(nèi)部裂隙發(fā)生大規(guī)模擴(kuò)展的應(yīng)力狀態(tài)和擴(kuò)展速率不同，研究起來非常困難。同時(shí)不同的巖體尺寸、不同粒徑對(duì)巖石的滲透性也有影響，但是正確的評(píng)價(jià)出巖石的滲流規(guī)律對(duì)于巖體工程的安全有重要的指導(dǎo)意義。

2.2 水力耦合裂隙巖體滲流特性研究

2.2.1 單一裂隙巖體滲流特性

第一方面，有的學(xué)者將層流理論作為研究基礎(chǔ)提出了平板流動(dòng)的模型，又有學(xué)者從理論上推導(dǎo)了平行板裂縫中牛頓流體的公式，研究了流速與裂隙寬度指數(shù)n之間的關(guān)系，即單寬流速與裂隙開度的三次方成正比[3]。但是自然界中巖體的裂縫都是沒有規(guī)則可言，并且不是平整光滑的，裂縫寬度也不是一個(gè)常數(shù)并且沒有任何規(guī)律可言，所以自然界的巖體裂隙滲流規(guī)律不能用立方定律正確推測(cè)出來。

第二方面，從滲透特性與應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行研究，沈洪俊等[4]通過應(yīng)變力滲流試驗(yàn)研究應(yīng)力與滲流的耦合規(guī)律，隨著應(yīng)力的增加，滲透性不斷減小的規(guī)律。

綜上可知，學(xué)者們考慮了裂隙寬度、裂隙流速、應(yīng)力等因素對(duì)單一裂隙巖體的滲透性進(jìn)行了研究，并發(fā)現(xiàn)了不同的規(guī)律。目前，實(shí)驗(yàn)室研究的裂隙巖體主要集中在相似配比材料得到的巖體，雖然通過相似配比材料得到的裂隙巖體可以得到與真實(shí)巖體相差極微的試驗(yàn)結(jié)果，但還是與真實(shí)的數(shù)據(jù)有著差別的，今后仍然還需要對(duì)立方定律進(jìn)行不斷修正。

2.2.2 裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流特性

巖體的天然裂隙網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜交錯(cuò)，滲流通道又多數(shù)存在于裂隙網(wǎng)絡(luò)中，而單一裂隙巖體的滲流變化規(guī)律還沒有得到統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，所以對(duì)研究天然裂隙網(wǎng)絡(luò)來說難度大大增加。目前，裂隙網(wǎng)絡(luò)的研究方面較少。徐維生等[5]采用了子單元法研究巖體粗糙裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流特性，其考慮了粗糙裂隙細(xì)部特征及其對(duì)整體滲流的影響。

綜上研究，從理論與試驗(yàn)的角度對(duì)裂隙網(wǎng)絡(luò)的滲流變化規(guī)律進(jìn)行了研究，但是都忽視了局部水頭損失（裂隙連接點(diǎn)處），所以裂隙網(wǎng)絡(luò)的滲流特性研究還不成熟，沒有得到準(zhǔn)確的滲透規(guī)律，需要對(duì)其研究進(jìn)行進(jìn)一步的加強(qiáng)。

3 水力耦合裂隙巖體變形破壞全過程

3.1 水力耦合巖體變形破壞全過程研究

王環(huán)玲等[6]利用瞬態(tài)法對(duì)巖體進(jìn)行滲透性分析，試驗(yàn)中通過對(duì)軸向變形和環(huán)向變形對(duì)巖體的應(yīng)變-滲透率曲線進(jìn)行分析，指出了二者的應(yīng)變-滲透率曲線的變化趨勢(shì)和滲透率峰值的拐點(diǎn)出現(xiàn)基本一致，但是比較靈敏地反映出巖體滲透率的變化規(guī)律是環(huán)向應(yīng)變。并指出了變形前后的滲透壓差隨時(shí)間的增加呈負(fù)指數(shù)的變化。

3.2 水力耦合裂隙巖體變形破壞全過程研究

周冬磊等[7]通過對(duì)裂隙巖石進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同種巖石在其劣化應(yīng)變軟化的這個(gè)階段滲透率的峰值會(huì)出現(xiàn)，說明巖石的變形破壞和滲透率極大值并不是正比關(guān)系。陳紅江等[8]通過分析單裂隙巖體的應(yīng)力-應(yīng)變-滲透系數(shù)的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)在密實(shí)階段出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，而在彈性階段又出現(xiàn)的最低點(diǎn)，也得出了和周冬磊等類似的結(jié)論。

4 展望

關(guān)于水力耦合裂隙巖體的研究雖然獲得了一些成果，但也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到隨著傳統(tǒng)的巖體工程問題的難度不斷增加，新型的巖體工程又不斷出現(xiàn)，認(rèn)為還要繼續(xù)深化裂隙巖體滲流特性的研究，重點(diǎn)加強(qiáng)裂隙巖體變形全破壞機(jī)制的研究，以后可以為深埋油氣儲(chǔ)庫(kù)、地下核廢料的處置等多項(xiàng)地下工程的建設(shè)做出貢獻(xiàn)。