水力耦合裂隙岩体破裂机理研究综述

董惠 张保良 于海锋

（①聊城大学建筑工程学院 聊城252000 ②济宁矿业集团有限公司安居煤矿 济宁 272059）

1 前言

天然的地下岩体在地质作用下存在着裂隙、孔隙、节理和微裂纹等各种各样的缺陷，水以降雨、地下水、河流等形式在孔隙和裂隙之间进行着流动，通过渗透应力的形式作用在岩体上，影响着岩体应力场的分布。岩体应力场极大部分是通过改变岩体内部的应力状态对渗流产生影响，因为应力的改变对岩体内部的结构面的影响巨大，其会引起岩体内部节理裂隙宽度、贯通度的改变，从而影响渗流性能。这种相互影响、相互作用的现象称为水力耦合作用。

开始时，人们对岩体的渗流规律认识并不足，只是按照土的渗流方式来推测岩体，从而导致工程失事，其中著名的例子有1959 年法国马尔帕赛特拱坝溃坝，造成了大量的财产损失和人员伤亡，通过对该事故进行分析发现是因在渗透水压的作用下导致坝肩岩体沿下游断层滑移[1]。

本文通过搜集国内外资料对裂隙岩体的耦合作用进行总结归纳，从水力耦合作用下裂隙岩体的渗流特性，变形破坏机制等方面进行归纳和分析，并对未来进行了展望。

2 水力耦合裂隙岩体渗流特性研究

目前，完整岩体的研究已经逐渐趋于成熟，人们逐渐转向于裂隙岩体的研究，在过去的100 年里，对于裂隙岩体的渗流，国内外学者进行了大量的研究和工作，得到一些经验公式并且发明的一些实验的仪器，为实验创造了极大的便利。法国工程师在基于沙土实验的达西定律上进行总结，最终于1856 年拉开了外国学者研究裂隙岩体的序幕。在随后的100 年里其他学者在裂隙岩体中进行液体流动的试验标志着裂隙岩体渗流研究的开始。

2.1 水力耦合岩体渗流特性研究

以达西定律渗流力学为基础，为使以岩体为代表的多孔介质渗流研究不断发展，很多学者对水压作用下的岩体的渗流特性做了深入的研究，发现了不同性质的岩石的渗透系数均与孔隙率的大小成正比，表明了岩石的内部结构的变化和不均质性对渗透性有着很大的影响。文献[2]中通过三种岩石（媒底，无名灰，四灰岩）在围压和孔隙压力的条件下（孔隙压力始终小于围压），对岩体的应力-应变过程中的渗透性的变化进行了研究，同时该实验是在先进的室内岩石力学电液伺服系统上进行的，结果表明不同种类的岩石的孔隙率和渗透率之间在总体上呈现为正相关的关系，但在后期渗透率均发生“突变”现象[2]。“突变”后的岩石渗流特性一直是学者们面临的难点，因为岩石内部裂隙发生大规模扩展的应力状态和扩展速率不同，研究起来非常困难。同时不同的岩体尺寸、不同粒径对岩石的渗透性也有影响，但是正确的评价出岩石的渗流规律对于岩体工程的安全有重要的指导意义。

2.2 水力耦合裂隙岩体渗流特性研究

2.2.1 单一裂隙岩体渗流特性

第一方面，有的学者将层流理论作为研究基础提出了平板流动的模型，又有学者从理论上推导了平行板裂缝中牛顿流体的公式，研究了流速与裂隙宽度指数n之间的关系，即单宽流速与裂隙开度的三次方成正比[3]。但是自然界中岩体的裂缝都是没有规则可言，并且不是平整光滑的，裂缝宽度也不是一个常数并且没有任何规律可言，所以自然界的岩体裂隙渗流规律不能用立方定律正确推测出来。

第二方面，从渗透特性与应力的关系进行研究，沈洪俊等[4]通过应变力渗流试验研究应力与渗流的耦合规律，随着应力的增加，渗透性不断减小的规律。

综上可知，学者们考虑了裂隙宽度、裂隙流速、应力等因素对单一裂隙岩体的渗透性进行了研究，并发现了不同的规律。目前，实验室研究的裂隙岩体主要集中在相似配比材料得到的岩体，虽然通过相似配比材料得到的裂隙岩体可以得到与真实岩体相差极微的试验结果，但还是与真实的数据有着差别的，今后仍然还需要对立方定律进行不断修正。

2.2.2 裂隙网络渗流特性

岩体的天然裂隙网络复杂交错，渗流通道又多数存在于裂隙网络中，而单一裂隙岩体的渗流变化规律还没有得到统一的认识，所以对研究天然裂隙网络来说难度大大增加。目前，裂隙网络的研究方面较少。徐维生等[5]采用了子单元法研究岩体粗糙裂隙网络渗流特性，其考虑了粗糙裂隙细部特征及其对整体渗流的影响。

综上研究，从理论与试验的角度对裂隙网络的渗流变化规律进行了研究，但是都忽视了局部水头损失（裂隙连接点处），所以裂隙网络的渗流特性研究还不成熟，没有得到准确的渗透规律，需要对其研究进行进一步的加强。

3 水力耦合裂隙岩体变形破坏全过程

3.1 水力耦合岩体变形破坏全过程研究

王环玲等[6]利用瞬态法对岩体进行渗透性分析，试验中通过对轴向变形和环向变形对岩体的应变-渗透率曲线进行分析，指出了二者的应变-渗透率曲线的变化趋势和渗透率峰值的拐点出现基本一致，但是比较灵敏地反映出岩体渗透率的变化规律是环向应变。并指出了变形前后的渗透压差随时间的增加呈负指数的变化。

3.2 水力耦合裂隙岩体变形破坏全过程研究

周冬磊等[7]通过对裂隙岩石进行试验，发现不同种岩石在其劣化应变软化的这个阶段渗透率的峰值会出现，说明岩石的变形破坏和渗透率极大值并不是正比关系。陈红江等[8]通过分析单裂隙岩体的应力-应变-渗透系数的关系曲线，发现渗透系数在密实阶段出现减小的趋势，而在弹性阶段又出现的最低点，也得出了和周冬磊等类似的结论。

4 展望

关于水力耦合裂隙岩体的研究虽然获得了一些成果，但也应该认识到随着传统的岩体工程问题的难度不断增加，新型的岩体工程又不断出现，认为还要继续深化裂隙岩体渗流特性的研究，重点加强裂隙岩体变形全破坏机制的研究，以后可以为深埋油气储库、地下核废料的处置等多项地下工程的建设做出贡献。