岩体渗流耦合模型研究

　　1前言

　　裂隙岩体是一种非均质、不连续、各向异性的材料，与其他人工材料存在巨大的差异。裂隙系统为地下水的储存与流动提供了场所，构成了岩体复杂的力学性质和渗透性质。岩体的渗透特性和水力耦合作用是近年研究的热点问题，经统计，90%以上的岩体破坏与30%以上的大坝失稳等都与地下水的渗透力密切相关，故对裂隙岩体进行渗流研究是具有十分重要意义的。

　　2渗流耦合模型

　　2.1渗流场-应力场耦合模型

　　1925年太沙基提出了饱和土体的一维固结理论，提出土的力学性质取决于其有效应力;Biot[1]将孔隙流体压力与水容量建立关系，初次考虑了渗流过程中的流固耦合效应，其建立的三维固结理论只能考虑介质的变形对流体质量的影响，但不能考虑对固体渗透系数的影响，固只能反映流固之间的线性耦合;Brace[2]首先研究了在高围压和孔压下花岗岩的渗透率的变化。

　　对岩体的裂隙而言，应力场的变化主要表现在裂隙的开度变化上，相同条件下，应力场应力越大，裂隙开度越小甚至闭合，反之亦然。岩体的渗流与应力场存在着十分密切的作用，称之为应力场-渗流场耦合。

　　Louis[3]首先提出了单裂隙的渗流场与应力场之间的耦合关系公式中：Kf为缝隙的渗透系数;K0为初始渗透系数;a为待定参数;σ为法向应力

　　在一定的法向应力下，裂隙的渗流量发生变化的主要影响因素是裂隙的宽度，故很多学者建立了力学隙宽与法向应力之间的公式，再根据力学隙宽与等效水力隙宽之间的关系，求导出渗透性与应力之间的关系。以Barton[4]提出的公式为例，公式利用了Bandis提出的双曲线型曲线模型，考虑了bh与bm不等的实际情况，经过大量的实验研究提出的。式中：bh为力学隙宽，bm为等效水力宽度;bm0为初始等效水力宽度;kn0为初始法向渗透系数。

　　2.2 渗流场-温度场耦合模型

　　温度场一方面受地壳浅层温度分布和热状态的控制，另一方面受裂隙中的裂隙渗流场的影响。目前关于裂隙渗流场与温度场的耦合问题已经取得了一定的进展，但这方面的研究还较少。热力场的传导主要有：传导、对流、辐射。岩体作为一种固体，流体与固体之间的传导为其主要热传递方式，裂隙水流的流动，可以使岩体的温度相互传导，达到一个稳定的结果。岩体温度场分布模型公式中: Ca—岩石材料的热容量;T—渗流液体的温度;T/---源汇项的温度;t—时间; cρ—渗流液体的热容量; vi—渗透速度;xi, xj—裂隙位置的笛卡尔坐标;λija—岩体热动力弥散系数张量。

　　裂隙岩体中的温度场与渗流场的相互作用表现为以下两个方面[5]：

　　1) 当岩体内存在渗流时，岩体内的渗透运动可以使岩体的温度发生热交换，使岩体内的温度场重新分布。

　　2) 岩体内的温度变化，会直接导致渗流水体的渗流特性及岩体的渗透性能的变化，发生渗流场的改变。

　　这两个方面互相影响，相辅相成，从而使岩体内的温度场与渗流场达达相对稳定。

　　2.3 渗流场-损伤耦合模型

　　岩体由岩桥及不连续面组成，在工程施工的扰动下，相邻的不连续面扩展进而相互贯通是工程岩体存坏的主要方式。人们逐渐认识到损伤、裂隙的扩展对岩体的渗流影响显著。Zhang[6]在大理石与方解石等试样上做渗透实验，实验结果表明，随着应变的增加，渗透率增加得更加明显。Mordecai和Morris[7]在砂岩的断裂实验中，渗得岩体的渗透率会增加20%。

　　建立起渗透系数与损伤模型之间的关系，即为渗流场-损伤耦合模型，由于实验的结果是基于单轴拉伸和压缩状态下的，根据计算，结果与实内实验结果相差较少，模型假设应力与渗透率的关系满足负指数方程，并延伸到拉伸坐标轴。

　　3 结论

　　本文在前人研究资料的基础上，对岩体渗流进行了总结与研究。全面总结了裂隙渗流的基础理论，并对裂隙渗流的模型资料进行了一定深度的钻研，列举出渗流场-应力场、渗流场-温度场、渗流-损伤耦合模型的研究现状及计算过程。渗流作为岩体破坏的主要原理和机制，是值得重点分析与研究的，在实际工程中更具有重要的指导意义。

　　参考文献

　　1. Biot, M. A.. General theory of three-dimensional consolidation[J]. J. Appl. Phys., 1941, 12: 155- 164

　　2. Brace, W. F., Walsh, J. B., Frangos, W. T., Permeability of granite under high pressure[J]. J. Geophys. Res., 1978, 73(6): 2225-2236

　　3. Louis C.Rock hydrolics[A].In：Muller L ed.Rock Mechanics[M].New York：Elsevier Science，1974

　　4. Barton, N，Bandis, S，Bakhtar K.Strength，deformation and conductivity coupling of rock joints[J]. Int. J. Rock Mech. Min.Sci. and Geomech.Abstr. , 1985, 22(3): 121-140

　　5. Wheeler, S. J., Sivakumar, V. Development and application of a critical state model for unsaturated soil[C]. Predictive Soil Mechanics，Proceedings of the Wroth Memorial Symposium. London：Thomas Telford, 1993: 709-728.

　　6. Zhang, S., Cox, S. F. Paterson, M. S. The influence of room temperature deformation on porosity and permeability in calcite aggregates[J]. J. Geophys. Res. , 1994, 99(15):15761-15775

　　7. Mordecai, M., Morris L. H. An investigation into the changes of permeability occurring in a sandstone when failed under triaxial stress conditions[J]. Pro. U. S. Rock Mech. Symp., 1971,12:221-239

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文章名称： 岩体渗流耦合模型研究

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