水力耦合裂隙巖體破裂機理研究綜述

董惠 張保良 于海鋒

（①聊城大學建筑工程學院 聊城252000 ②濟寧礦業集團有限公司安居煤礦 濟寧 272059）

1 前言

天然的地下巖體在地質作用下存在著裂隙、孔隙、節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行著流動，通過滲透應力的形式作用在巖體上，影響著巖體應力場的分布。巖體應力場極大部分是通過改變巖體內部的應力狀態對滲流產生影響，因為應力的改變對巖體內部的結構面的影響巨大，其會引起巖體內部節理裂隙寬度、貫通度的改變，從而影響滲流性能。這種相互影響、相互作用的現象稱為水力耦合作用。

開始時，人們對巖體的滲流規律認識并不足，只是按照土的滲流方式來推測巖體，從而導致工程失事，其中著名的例子有1959 年法國馬爾帕賽特拱壩潰壩，造成了大量的財產損失和人員傷亡，通過對該事故進行分析發現是因在滲透水壓的作用下導致壩肩巖體沿下游斷層滑移[1]。

本文通過搜集國內外資料對裂隙巖體的耦合作用進行總結歸納，從水力耦合作用下裂隙巖體的滲流特性，變形破壞機制等方面進行歸納和分析，并對未來進行了展望。

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逐漸趨于成熟，人們逐漸轉向于裂隙巖體的研究，在過去的100 年里，對于裂隙巖體的滲流，國內外學者進行了大量的研究和工作，得到一些經驗公式并且發明的一些實驗的儀器，為實驗創造了極大的便利。法國工程師在基于沙土實驗的達西定律上進行總結，最終于1856 年拉開了外國學者研究裂隙巖體的序幕。在隨后的100 年里其他學者在裂隙巖體中進行液體流動的試驗標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

以達西定律滲流力學為基礎，為使以巖體為代表的多孔介質滲流研究不斷發展，很多學者對水壓作用下的巖體的滲流特性做了深入的研究，發現了不同性質的巖石的滲透系數均與孔隙率的大小成正比，表明了巖石的內部結構的變化和不均質性對滲透性有著很大的影響。文獻[2]中通過三種巖石（媒底，無名灰，四灰巖）在圍壓和孔隙壓力的條件下（孔隙壓力始終小于圍壓），對巖體的應力-應變過程中的滲透性的變化進行了研究，同時該實驗是在先進的室內巖石力學電液伺服系統上進行的，結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為正相關的關系，但在后期滲透率均發生“突變”現象[2]。“突變”后的巖石滲流特性一直是學者們面臨的難點，因為巖石內部裂隙發生大規模擴展的應力狀態和擴展速率不同，研究起來非常困難。同時不同的巖體尺寸、不同粒徑對巖石的滲透性也有影響，但是正確的評價出巖石的滲流規律對于巖體工程的安全有重要的指導意義。

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，有的學者將層流理論作為研究基礎提出了平板流動的模型，又有學者從理論上推導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n之間的關系，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則可言，并且不是平整光滑的，裂縫寬度也不是一個常數并且沒有任何規律可言，所以自然界的巖體裂隙滲流規律不能用立方定律正確推測出來。

第二方面，從滲透特性與應力的關系進行研究，沈洪俊等[4]通過應變力滲流試驗研究應力與滲流的耦合規律，隨著應力的增加，滲透性不斷減小的規律。

綜上可知，學者們考慮了裂隙寬度、裂隙流速、應力等因素對單一裂隙巖體的滲透性進行了研究，并發現了不同的規律。目前，實驗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巖體相差極微的試驗結果，但還是與真實的數據有著差別的，今后仍然還需要對立方定律進行不斷修正。

2.2.2 裂隙網絡滲流特性

巖體的天然裂隙網絡復雜交錯，滲流通道又多數存在于裂隙網絡中，而單一裂隙巖體的滲流變化規律還沒有得到統一的認識，所以對研究天然裂隙網絡來說難度大大增加。目前，裂隙網絡的研究方面較少。徐維生等[5]采用了子單元法研究巖體粗糙裂隙網絡滲流特性，其考慮了粗糙裂隙細部特征及其對整體滲流的影響。

綜上研究，從理論與試驗的角度對裂隙網絡的滲流變化規律進行了研究，但是都忽視了局部水頭損失（裂隙連接點處），所以裂隙網絡的滲流特性研究還不成熟，沒有得到準確的滲透規律，需要對其研究進行進一步的加強。

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

王環玲等[6]利用瞬態法對巖體進行滲透性分析，試驗中通過對軸向變形和環向變形對巖體的應變-滲透率曲線進行分析，指出了二者的應變-滲透率曲線的變化趨勢和滲透率峰值的拐點出現基本一致，但是比較靈敏地反映出巖體滲透率的變化規律是環向應變。并指出了變形前后的滲透壓差隨時間的增加呈負指數的變化。

3.2 水力耦合裂隙巖體變形破壞全過程研究

周冬磊等[7]通過對裂隙巖石進行試驗，發現不同種巖石在其劣化應變軟化的這個階段滲透率的峰值會出現，說明巖石的變形破壞和滲透率極大值并不是正比關系。陳紅江等[8]通過分析單裂隙巖體的應力-應變-滲透系數的關系曲線，發現滲透系數在密實階段出現減小的趨勢，而在彈性階段又出現的最低點，也得出了和周冬磊等類似的結論。

4 展望

關于水力耦合裂隙巖體的研究雖然獲得了一些成果，但也應該認識到隨著傳統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，認為還要繼續深化裂隙巖體滲流特性的研究，重點加強裂隙巖體變形全破壞機制的研究，以后可以為深埋油氣儲庫、地下核廢料的處置等多項地下工程的建設做出貢獻。