裂隙岩体渗流—损伤—断裂研究分析

(重庆交通大学 建筑与土木工程 重庆 400041)

一、引言

裂隙岩体力学性质与水岩相互作用的机理在岩土工程领域一直备受关注，但水的渗流存在变化和侵蚀，导致岩体工程地质灾害的不稳定。大规模突变的不稳定性是其中一个重要原因。

裂隙岩体分析，岩体边坡设计，水利水电工程设计与维护，煤层注水储层地震预测控制，油藏深埋油气藏等都涉及到水岩流固耦合问题。根据国内外研究情况，大型岩体裂隙耦合分为三个阶段

1)只考虑渗流场与应力场的作用，而不考虑应力场对渗流场的影响。

2)岩体变形和渗透压力并考虑到相互作用，在这个阶段，研究仅限于裂缝的分布，而不考虑钻孔和开挖荷载下的裂缝。而未考虑损伤演化行为对裂缝渗透性连接和扩展的贡献，增加了由渗透压引起的裂隙岩体力学特性的退化作用。

3)考虑岩石碎片的破坏情况和岩石破裂的影响对爆破振动的工程开挖卸荷。岩体中的应力场与渗流的相互作用研究表明：裂缝随着压力的增大，渗透压的岩体质量以及岩体裂隙和裂隙的扩展，岩体的破坏演化，导致渗透压损失，出现渗流损失。

二、岩体裂隙的几何特性

岩体交界处的空间分布，形状，大小，密度，几何参数如开放和连通和岩体裂隙分布，形状和连通性，孔隙类型会对岩石块体力学性质和渗透性产生影响。

天然粗糙表面的关节破坏是非常复杂的，从几何起源，拉伸，压缩，扭转，转化的次数分析，总是暴露在剪应力下，由于结构特征不变，外观保持仍有一定的规律性。

(一)裂隙面的产状、规模与形态

发生断裂面，描述三维空间断裂面方向的几何元素，构造运动，一定规则的果实，以及分布顺序，即方向组。根据地质学的调查结果，岩石断裂可以推广到一些使用核线面控制结构的投影方法。每组的主要结构平面具有相同的起源。确定了岩石结构定向控制的平面阵列的不同结构的组合，即各向异性。

裂隙面的发生和岩石力学性质的裂缝渗透率试验是渗透张量和损伤张量计算的重要几何参数。失效分析的实际计算，断裂面可以用两种常规方法来表示。

1)存在因子法；

2)法线矢量法。

断裂面表面的形状，断裂面表面的接触面积，表面粗糙程度以及反映水泥的程度。 断裂面的大小根据大小可以分为两个阶段，称为角度变化，相对于平均高度和角度，表示为逃逸或粗糙表面。这被称为粗糙度并反映了裂缝的二次振动。

断裂主要是两个的平面结构，而不是从更复杂的规则，调整裂纹和联合构建的空间结构中开裂系统特征，风化复合结构开裂变薄。

另一方面，裂缝的形状是未知的，已知形状的裂缝，因为它不知道如何使用不同尺寸的裂缝表面和裂缝表面的裂缝参数大小，裂缝表面的大小是一个复杂的物理参数。距离通过直接暴露岩石来测量。

测量裂缝的长度和调查方法和统计方法，各种迹线长度的概率分布，平均值和分布理论如下表。

(二)裂隙面的间距和密度

裂缝密度之间的距离是衡量岩石裂缝的破裂程度。裂隙密度之间的距离，岩体完整性变形，张量计算的强度和渗透特性。与断口间距相同，常用于邻近两组断裂面上点间的距离。通常认为同一组的裂纹是裂纹之间的距离。在实际的实地调查中，需要研究垂直组中的骨折线排列在一条线上。即裂缝与测量值之间的距离，可以找到裂缝的平均间距。

断裂表面，断裂表面法线方向和断裂表面每单位长度的线密度通常用下式表示。

三、工程应用分析

(一)工程概况与计算模型

某地下厂房围岩结构面以短小连续的节理、裂隙为主，其产状分别为1)N0°～55°E，倾NW，角度65°～85°；2)N40°～60°E，倾NW，角度50°～75°；3)EW倾N，角度45°～85°。

主楼，主变室均为并联布置，并且所有压力调节室和主楼的尾部，主要尺寸为280/26/60，其长度和宽度以及高度为199/17/25、200/20/60。主厂上游和下游的尾部振调压室之间的距离分别为30和35。

1)不考虑渗透压作用厂房损伤断裂

根据围岩开挖扰动，不考虑渗透压和断裂破坏的影响，以及渗透压梯度对围岩应力的扰动效应。得到围岩位移分布图，位移分布图显示了开挖后，墙体的最大水平位移，中间约为4.5毫米，拱顶和拱底垂直位移约为11.5毫米。拱坝，拱坝，侧壁围岩开挖压缩和主体植物带压力造成的剪切破坏以及破坏带最大深度。

2)考虑渗透压作用厂房损伤断裂分析

尽管有渗透压，但在8.5毫米尾水平室内的围岩位移的渗透压由主室和主室中心向外水平移动2.2倍。通过降低地下水位引起的围岩变形，不考虑渗透压的作用。20-30mm之间安全腔的向下位移增加了大大改善了拱底鼓底的现象。

由外力引起的初始研究，不考虑单个接头渗透的变形，被认为是开放式流动和管道流动。事实上，除了填充材料和外部载荷之外，间歇接头的渗流特性，接头开口以及表面粗糙度。外力，变形，接头处发生变化，并与接头处的泄漏流量有关，进而引起渗透压变化的破坏。关节和关节的开口，表面粗糙度是控制外力的重要参数，关节面，几何形状和流体压力的影响因素。包括岩体中的裂缝，地应力，流体压力与应力的相互作用，垂直地震作用对正常有效应力，流体压力和剪切应力的影响。力学性质在一定范围内的变化取决于力的大小和方向。接头表面的几何特征，取决于岩石材料的强度和变形特性，接头力的影响，产生新的接触，甚至破坏接头岩石材料。

四、结束语

从断裂和岩体变形破坏的观点出发，单一的各向异性本构方程的流体和固体的裂隙网络渗流都是从理论上推导出了裂缝的密度，大小，距离等连接关系和几何因素是同时建立的。

在实际的工程分析计算中，采用有限元软件对岩石中受到扰动的严重地下水进行了分析计算，认为有必要考虑岩石渗透压对周边地区的影响。