浅谈裂隙岩体渗流-应力耦合特性研究

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湖北工业大学硕士学位论文裂隙岩体渗流-应力耦合特性研究姓名：龚爱娥申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：胡其志20080501 湖北工业大学硕士学位论文摘要地下水是影响岩体力学性质和岩石力学作用的重要因素之一。因为它在岩体力学性质形成上是一种易变因素，所以它的力学作用结果并不容易确定。据统计，超过90％的岩体工程的失事都与地下水的活动有关，故在岩体力学研究中必须充分重视岩体中渗流与应力的耦合效应。裂隙岩体渗流与应力耦合分析研究是岩体力学界一个很有意义但又十分复杂的课题，本文采用理论结合相关实验结果的手段进行研究分析：1．应用砂岩在全应力．应变过程中渗透率的变化试验结果，建立了砂岩应力一应变与渗透率之间的定性定量关系。研究表明：砂岩在全应力．应变过程中，渗透率变化的总体规律是在弹性阶段渗透率随应力的增大而略有降低，进入弹塑性阶段后随着新生裂隙的扩展、贯穿，砂岩的渗透率先是缓慢增加然后急剧增大，在峰前或峰后达到极大值，残余流动阶段原有裂隙开始压密闭合，渗透率开始降低。2．为研究低渗透岩石的流固耦合渗流规律，对砂岩岩样进行了渗透与有效围压的实验研究。对实验结果分析表明：低渗透岩石渗流过程中存在明显的流固耦合效应：随着有效围压的增加，岩样的渗透率逐步下降，当有效围压开始卸载，岩样的渗透率逐步得到恢复，但不能恢复到原始数据；低渗透岩石渗透率与有效围压之间的关系可以用一元二次多项式来描述：岩样渗透率变化的原因主要缘自在有效围压作用下岩石孔隙的变形特性。3．建立了考虑渗透压作用下等效连续裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析的数学模型。并依据模型计算结果对岩体工程渗流应力耦合提出一些合理的建议。关键词：岩体力学，耦合，砂岩，渗流规律 湖北工业大学硕士学位论文AbstractTheundergroundwaterisanimportantfactorwhichinfluencesthepropertyofRockmassMechanicsandRockMechanic．BecauseofthevariablefactorintheformofthepropertyofRockmassMechanics．Basedonthedate，therearemorethan90％disastersinGeotechnicalEngineeringcomefromtheactionofundergroundwater．SoweshouldpaymuchattentiontothemechanicaleffectsintheresearchofGeotechnicalEngineering．Couplinganalysisresearchofse印ageandstressinfracturedrockmassesisaveryvaluedbutcomplicatedtaskfordiscussion．Sincerockseepagetheoriesareunderdevelopedasyet，atestingtechniqueiSusedtosimulatetheengineeringproblem．1．Byusingthetriaxialrockmechanicsexperimentalsystem．testingstudyiSmadetoanalyzethechangeruleofpermeabilityduringthewholestress—strainprocessandtheporeratioandpermeabilityofsandstoneunderdifferentconfiningpressures，andthequalitativeandrelationshipiSestablishedamongstress—strainandporeratiopermeabilityofsandstone．ItiSshownthatduringthewholestress—strainprocess．thepermeabilityreducessli曲tlywiththeincreasedfracture，thepermeabilityoftherockincreasesslowlyatfirstandwhensharplyreachesthemaximumvaluebeforeorafterpeakpoint．andatresidualflowagestagetheexistentfractureiSpressedclosely,andthepermeabilitybeginsdecreasing．Theporeratioandpermeabilitydecreasealongwiththeaccretionofconfiningpressure，andconformtothechangeruleoflogarithmfunction．2．Theeffectoffluid．solidcouplingontheseepagein10wpermeabilityrockswasmeasuredforsandstoneonanFDES-641triaxialsystem．TheresultsindicatedcouplingBetweentheseepageandthepermeabilityinlowpermeabilityrock．Forexample，increasingpressuresreducedtherockpermeability．Thepermeabilityrecoveredtosomeextentwhenthepressurewasreduced，butdidnotreturntotheoriginalValueevenwhenthepressurewascompletelyreleased．Thefunctionalrelationshipbetweentheseepageandtheeffectiveconfirmingpressureandtherockpermeabilitywasfitbyapolynomial．Changesinthecharacteristicsoftheporesandfracturesexistingintherockasthepressurechangesareexpectedtobethemaincausesoftherockpermeabilityvariation．3．Buildthemathematicalmodelwhichconsideringseepagefieldandstressfieldunderseepagewaterpressure。Accordingtotheresultsofcoupledanalysisofseepageandstresscouplinginrockmassproject，theauthenticdataandtherationalizationproposalwasproposed．Keywords：rockmechanics，couplingseepage，sandstone，seepageflowlaw11 湖班j堂大茅学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：堡螽—妖日期：勾髀5月20日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名：名喙—戤日期：200眸5月20日指导教师签名：而彤孙日期：．瑚年f月锄日 湖北工业大学硕士学位论文1．1问题的提出第一章引言人类为了生存和发展，时时开展人类工程，一方面依托于地质环境，另一方面又影响和改造地质环境：在人类工程活动中，一方面由于工程的开挖，工程荷载施加于岩体之上，改变岩体内部应力场的分布，从而影响岩体的结构，引起岩体中地下水性质及地下水力学特性的改变；另一方面，由于工程岩体的出现，改变了区域性或局部地下水的补给、径流和排泄条件，形成人工干扰下的地下水渗流场，进而地下水对岩体的力学作用的强度、作用的范围以及作用的形式亦发生改变，最终影响裂隙岩体的稳定性．自法国Malpasset拱坝失事(1959年)以来，人们逐渐认识到裂隙岩体渗流对工程安全的重要作用．在绝大多数岩体工程中，岩体裂隙与空隙中的地下水活动是影响其稳定性不可忽视的因素．据统计，90％的岩体工程失事都与地下水的活动有关。因此，研究岩体中地下水的活动规律，己成为岩土工程界普遍关注的课题Ⅲ，在水电工程、石油开采、地下工程、边坡工程等领域，都会遇到这一棘手问题。天然岩体是多相的不连续介质，由于各种地质作用而被尺度、方向、性质均不同的裂隙所切割。而存于裂隙岩体中的地下水，受地质构造、地形、地层、水文地质及其他因素的影响，其中地质构造是导致裂隙岩体中地下水运动——渗流的重要因素之一。天然岩体的渗流能力于天然岩体中的断层构造、裂隙、空隙、洞穴的发育情况有很大关系。分析研究天然岩体的水力学特性及其中水体的流动规律，已成为水文地质、岩体力学、水工、采矿、石油、核电站等许多学科和工程领域中的重要课题，并己形成一门新的分支学科——岩体水力学(RockHydraulics)，获得了广泛的研究于应用，成为当前岩体力学的热点之一。天然岩体中存在着大量的空隙和裂隙，这些缺陷不仅大大改变了岩体的力学性质(变形模量及强度参数降低，岩体呈各向异性)，也严重影响岩体的渗透特性。裂隙岩体渗流场一应力场的耦合分析是研究地下水活动规律的首要问题，也是进行岩石力学分析的重要组成部分：地下水压的变化会引起岩体中应力分布的改变，而岩体中应力的改变又引起岩体中孔隙(裂隙的张开度)的变化，从而反过来又改变地下水流量与水压力。这样，地下水受应力场的控制，而应力场又受到渗流的影响，就构成了应力场和渗流场之间的耦合关系。 湖北工业大学硕士学位论文1．2国内外研究现状1．2．I裂隙岩体渗流研究发展的几个阶段地下水在孔隙介质中(均质土体)中的渗透规律研究始于19世纪中叶。1856年，法国水力学者达西通过在砂柱中水的渗透试验，总结出著名的达西定律，与随后另一位法国水力学家裘布依提出的裘布依微分方程和1904年布西涅斯克提出的非稳定性微分方程，成为地下水动力学的理论基础。从此以后，到20世纪初，法国、德国、前苏联等学者对地下水动力学作了进一步发展，得出了许多具体的计算公式‘211935年美国学者泰斯利用前人的试验资料和热传导方程第一次提出了实用的非稳定井流公式，即著名的泰斯公式。20世纪50年代，雅可比、汉图什等对非稳定渗流做了进一步发展。直到20世纪70年代还一直沿用土壤渗流力学来解决岩体渗流问题。真正对岩体渗流特征的实质性研究始于Malpasset拱坝失事以后，从此，国外学者们做了大量的研究，获得了丰富的研究成果，对岩体渗流理论及其应用做出了重大贡献¨¨们¨1我国田开铭“1、张有天171杜延龄‘81等较早开始裂隙岩体渗流研究，近年来，这一领域的研究成果迅速增长。裂隙岩体渗流研究发展目前可大致归纳为四个阶段：(一)不考虑渗流场和应力场之间的耦合作用。两场往往是分开单独考虑的，对岩体进行力学分析时，水压力也作为荷载的形式作用在岩体上；而进行渗流分析的时候，并没有考虑到裂隙岩体水力特性随应力变化的改变。(二)考虑渗流场和应力场两场之间的耦合作用，分别建立渗流场与应力场的有限元方程，在进行渗流场的计算时，认为位移是已知的；而在进行应力场计算时，认为水头是已知的，这样通过两场的迭代来达到耦合的目的。因此从方法上该法尚不能称为真正的耦合分析方法，实际上是两场交叉迭代法。(三)为进行裂隙岩体渗流与应力真正意义上的耦合分析，将裂隙岩体渗流场和应力场作为同一场进行考虑，将裂隙岩体满足的渗流方程和应力方程联立，建立同时以结点位移和结点渗流水压为未知量的耦合有限元方程组，通过求解方程组，同时解出应力场与渗流场中的各个未知量，这样避免了两场之间的迭代。(四)考虑渗流场和损伤场的耦合。裂隙岩体在开挖卸荷作用下，原有裂隙产生损伤扩展连通，其作用除降低岩体的整体强度、增大变形外，还有可能形成新的渗流裂隙网络，显著改变渗流场，从而改变岩体的压力场。这种渗透与岩体损伤的相互关系是互为关联的，称之为裂隙岩体渗流场与损伤场之问的耦合效应。这种耦合效应对于岩土工程，特别是高边坡和隧道工程而言，是造成失稳的重要2 湖北工业大学硕士学位论文因素。从国内外发展现状来看，目fiiJx,t渗流场和损伤场的耦合问题研究则刚刚起步阳1[101。郑少河等n¨在已有研究成果的基础上，深入研究了拉剪、压剪等复杂应力下裂隙岩体渗流场与损伤场的相互作用机理及耦合机制，推导了初始损伤和损伤演化的本构关系，分析了渗透压力对变形机制的影响机制，从裂隙变形角度出发，定量分析了裂隙岩体断裂损伤效应对岩体渗透性的影响。最后基于两场的耦合机理，建立多裂隙渗流一损伤的耦合模型。1．2．2耦合分析方法研究1-2_2．1单一裂隙渗流应力耦合机理研究在裂隙渗流应力耦合分析中，最为关键的是单一裂隙面渗流与应力关系的建立。对单一裂隙渗流应力耦合作用进行机理性研究，一般从以下三个方面入手：直接从试验总结出渗透特性和应力的经验公式；根据裂隙面的法向、切向变形公式间接导出渗透特性与应力的关系；提出某种理性概念模型来解释渗流与应力的耦合规律。在直接经验公式的研究中，野外观察和实验研究表明，孔隙压力的变化会引起有效应力的变化，明显地改变裂隙张开度、流速和流体压力在裂隙中的分布，裂隙水流量随裂隙『F应力增加而降低很快。进一步研究还发现，应力一渗流曲线还有回滞现象。随着卸载次数的增加，裂隙渗透能力降低，经过几次加载、卸载循环后，应力一渗透曲线基本稳定。基于这一发现，有人提出用经验模型来描述渗透性随应力的变化¨2~1"间接公式中表明在法向应力作用下，裂隙面将发生一定的闭合或张开，根据己有的法向变形经验公式，再利用等效水力隙宽与力学隙宽之间的关系来建立渗透特性与应力的关系式[14～16]。为了解释应力作用对裂隙面渗透性的影响机理，许多学者提出各种渗流应力耦合模型并进行相应的数值理论分析。如洞穴模型、凸起模型以及洞穴一凸起结合模型。Gangi首先提出钉床模型，将裂隙面上的凸起比拟成具有～定概率密度分布形式的钉状物，并以钉状物的压缩来反映应力对渗流的影响u"。Walsh则将描述裂隙力学变形性质的洞穴模型进行了推广，用来描述应力对裂隙面渗透特性的影响[18～191。但对于这两种模型具有一定的局限性，不能兼顾解释高应力下裂隙面的渗流、力学性质。Tsang和Witherspoon“们在上述两种模型的基础上提出了洞穴一凸起结合模型，该模型将裂隙面看成是由两壁面凸起部分之间的洞穴构成的集合3 湖北工业大学硕士学位论文体，以洞穴模型反映裂隙面的变形性质，以凸起模型反映裂隙面的渗流性质，认为随着应力的增加，不仅引起洞穴直径的减小，还引起凸起接触面积的增加，该模型很好的解释了单裂隙面渗流、力学及其耦合特性。以上模型一般只考虑正应力作用下的裂隙渗流水力特性，而未考虑剪切变形的影响。J．Esakin11就岩体的剪切变形一渗流耦合进行过试验，并对参数取值进行了研究。国内耿勤乜21对剪切变形与渗流耦合也进行了试验探讨，认为在不同压应力作用下裂隙面由于切变形会使渗流量发生先减少(相应于剪缩)，后来又增大(相应于剪涨)的变化。裂面剪切变形对渗透系数的影响取决于裂隙面的几何形态、剪切位移和法向应力的大小。1．2．2．2裂隙岩体渗流应力耦合分析数值方法研究对岩体渗流应力耦合分析，国内外许多学者提出了不同的耦合计算方法，主要有等连续法和离散法。而耦合模型的计算方法依赖于耦合场的物理环境和边界条件，所以根对耦合项处理方法的不同又可分为迭代耦合法和直接耦合法。迭代法通常包含两个或多个分析模块，不同的模块模拟不同物理环境中的变量演化程，各个模块的计算结果互为外加荷载或边界条件。这种方法通过两场分开计算，然后行两场间交叉迭代计算，最后达到求解的目的。陈平、张有天¨柚以裂隙渗流理论和变本构关系为基础进行了渗流耦合分析，裂隙的渗透系数采用经验公式。此法在计算方法容易实现，可以利用己成熟的固体变形场和流体渗流场的求解程序。直接法根据耦合模型涉及的所有物理变量，建立与各变量相应的刚度矩阵、影响矩并形成总耦合矩阵，以及相应的耦合荷载向量。直接法的物理意义清晰直观，计算过程的参数易于控制调整。耦合模型的物理环境及相应的偏微分控制方程一般不少于两个，且对于同一个单元结果，不同的物理变量往往具有不同的属性和自由度数。由此给出相的数值计算，尤其是编码带来一定的难度。此外，这种方法在处理多相流非线性介质时，很难把握方程的收敛性。国内很多学者对以上的计算方法进行深入的研究。王嫒‘241提出一种考虑岩体渗透随应力变化，且适用于裂隙岩体渗流场和应力场耦合分析的四自由度全耦合法。杨志锡‘251等运用直接耦合法进行了各向异性饱和土体的渗流耦合分析和数值模拟。Noorishad协1用等效连续法将土体固结分析方法用于建立岩体渗流与应力耦合关系，进而用有限元方研究了非连续介质中的固液两相介质的耦合问题。这一方法忽略了渗透性随应力的变化同时用节理单元处理如同断层一样的几个主要4 湖北工业大学硕士学位论文不连续面，确实是一种有效手段，但是小节理虽然不能单独在渗流中起重要作用，而它们连通后却也成为主要渗流路径，所以同需要考虑这样一些裂隙在渗流分析中的作用。Oda乜71基于以下两个基本假定来用一个等效模型解决固体和液体两相介质的耦合的裂隙的特性正如弹性连续介质中的微小缺陷；每一个裂隙都能用由两个弹簧连接的平行板流体力学等效模型来代替。裂隙与大尺寸的相关岩体相比通常是足够小，同时考虑了应力和剪应力的作用。将裂隙岩体渗透张量与弹性张量统一用裂隙网络几何张量表示，立了较严密的耦合关系，最后给出渗流应力耦合分析的一组控制方程。由于Oda理论统计分析为基础来模拟裂隙网络的影响，处理起来较为复杂。陶振宇呦1等对岩体渗流与应力用迭代法进行耦合分析以研究水库诱发地震。库区体渗透发生的动水压力会改变岩体的原始应力状态，而动水压力又直接依赖于水库水深水文地质条件、岩体的渗透张量及其组合等。常晓林¨¨基于渗透主轴与应力主轴保持重合的假定进行了推广，得到了弹性各向同性介质的耦合关系式。陈胜宏‘301采用充填模型进行了耦合分析，认为节理面岩壁之间是～种具有某种变形和渗透特性的均匀物质。段小宁¨¨根据裂隙面的法向变形法则得到裂隙隙宽与应力的关系，基于离散裂隙介质模型进行了耦合分析。大多数学者在进行裂隙岩体渗流应力耦合分析时，采用将渗流场和应力场分开计算再交叉迭代求解来达到耦合分析的目的。王媛提出了四自由度全耦合分析方法，是将裂隙岩体渗流场和应力场作为同一场进行考虑，联立裂隙岩体满足的渗流方程和应力方程，建立起同时以节点位移和节点渗流水压力为未知量的耦合有限元方程组，通过求解方程组，同时得到应力场和渗流场。对于裂隙较密的岩体，等效连续法较为有效，但岩体裂隙稀疏时，该法无效。另外对于地下厂房和高边坡问题，该方法也难以找到令人信服的危险区和危险面。文献¨21论述了模拟大型裂隙岩体的热、水力和力学耦合问题的等效连续方法和离散法。采用离散单元法时，由热平衡方程、块体和不连续体的力学动力方程以及不连续体的水力方程组成控制方程。离散单元法求解较为繁琐，而且随着裂隙数量的增加，该方法甚至不可行。目前离散法还不成熟，研究成果少。而对地下厂房、边坡等工程的安全稳定分析用离散法更为合理，因此在离散法上需要作进一步的研究，不但理论上有意义，而且也有实际工程的应用价值。总体来说，由于岩体裂隙介质本身的形成过程、几何特性及力学行为的复杂性，至今裂隙岩体渗流理论仍未成熟，其内涵I％TL隙介质渗流理论丰富，各种工程渗流问题要求解决的新问题。目前在研究裂隙岩体渗流问题要注意以下几点：5 湖北工业大学硕士学位论文(1)还没有完全搞清楚裂隙岩体渗透机理，仍需要加强裂隙岩体渗流基本理论研究。(2)无论哪一种模型或方法来求解渗流问题，均需要可靠的地质力学资料和渗流参数，即使再准确的数学模型，再精确的计算过程，也不能弥补基本参数不准确给研究和工程所造成的无意义性。(3)由立方定律知道，裂隙隙宽微小的变化就会引起渗透性的很大改变，因工程施工造成的裂隙面开裂、压缩及剪切膨胀变形，都有可能导致渗流场性态的宏观突变。因此要重视渗流场与应力场耦合关系的研究。(4)当渗流是非稳定渗流时，裂隙岩体中的水压力随着时间变化，使得岩体内部渗流场改变而引起应力场的改变，以及由此可能引发的岩体失稳还有待研究。1．3本文的主要研究内容1．从理论出发，系统的研究学习裂隙岩体的渗流基本理论，并对裂隙渗流的特点进行描述。2．在前人人工填充砂裂隙实验结果的基础上，分析剪应力对裂隙岩石渗流的影响状况。3．研究裂隙岩体渗流应力的耦合模型：等效连续介质模型，双重介质模型，裂隙网络模型。比较分析各种模型的耦合机理和适用范围。4．对相关岩石渗透性实验数据进行整理，并对试验曲线拟合分析。找出分段特征点，分析其产生的原因。最后将拟合分析曲线特点进行归纳，以得出一般性曲线趋势。5．最后将理论应用到坝体实践中去，应用一算例进行重力坝中坝基应力与渗流水压力的耦合数值模拟，并对数值模拟结果进行讨论。分析的结果将对坝体安全应用提供理论依据。6 湖北工业大学硕士学位论文第二章裂隙岩体渗流基本理论2．1裂隙岩体的分类与其他材料不同，天然岩体是不连续、多相、各向异性的材料。岩体受到不同形状、不同特性以及不同分布的结构面所切割，因而形成了它复杂的力学特性。2．1．1岩体结构面的分类岩体中结构面是多种多样的，可以说，小到岩石晶粒的微观缺陷，大到几公里长的断层，都是岩体的结构面。按结构面尺度的大小，可以把结构面简化为微观与宏观两类。微观结构面在岩体中以孔隙的形式存在，而宏观结构面按其相对大小又可分为：(1)大型结构面指区域中规模很大的断层(几十米到几公里)，这些结构面控制着整个岩体工程的破坏形式。(2)中型结构面指岩体中几米到几十米的小断层与大的构造裂隙，这些结构面控制着局部岩体的稳定性，也是地下水流的主要通道。(3)小型结构面指长度小于几米的构造裂隙、卸荷裂隙、风化裂隙等。这些结构面的性质、产状、分布控制着岩块的力学特性与渗流特性。岩体中结构面的以上分类方法是比较粗糙的，具体分析时应该考虑岩体工程的规模以及结构面与考虑区域之间的比例关系来进行分类。2．1．2岩体的分类按照岩体中结构面的存在形式及其渗流特性，岩体可以划分为以下几类：(1)多孔介质岩体介质中仅含有微观结构面。这种岩体可当成完整岩块来处理，并可以认为岩体是各向同性的、连续的均质材料：(2)破碎多孔介质岩体由多孔介质组成，并被多组结构面分割。这种岩体中的岩块是多孔介质，具有一定的透水性，然而影响岩体水力学特性及水力特性的，主要是裂隙组及其分布形式：(3)有隔水层的多孔介质岩体由多孔介质组成，并由结构面分割，其结构面由不透水的物质充填，因而形成隔水层。该类岩体的力学特性由充填物及岩块的力7 湖北3-业大学硕士学位论文学特性米决定，起水流特性则由孔隙岩块的水流特性来决定，各岩块之间存在着水交换。2．2渗流的基本理论多孔介质中由固、液、气三相都可能存在。固相称为骨架：气相是空气主要存在于非饱和带中：液相是地下水，其可能以吸力水、薄膜水、毛管水和重力水等多种形式存在，而渗流一般主要讨论重力水的运动。地下水在多孔介质中的运动是非常复杂的，大致可以分为二类：一类是地下水沿多孔介质的孔隙或遍布于介质的裂隙的运动，这种地下水运动称为渗透，即地下水在广义的多孔介质中的运动称为渗透。由于多孔介质中各个空隙和裂隙的大小、形状和连通性各不相同，因而不同的空隙或同一空隙的不同部位地下水的运动状态各不相同。但整个多孔介质中的地下水是相互联系的，组成一个统一的含水体。另一类为地下水沿大裂隙和管道的流动，如岩溶区的地下暗河或地下水沿巨大的张开裂隙的流动。2．2．1达西定律1856年，法国水力学家达西(Darcyl856)曾在装满砂的圆筒中进行渗透实验。该装置系将砂样置于水路中间，使水经由砂样发生渗流，在砂样上游维持进水面达某一水头高度，在砂样下游，将水导致某一尾水面高度而溢出，且量得渗流水量。即得到如下关系式：p：望．A(2．1)一L式中卜渗流量，(cm3)H_进水面与出水面之间的高度差，或称为水头差，L_渗流距离，(cm)A_渗流经过的土样断面积，(cm2)K一渗透系数，(cm／s)在Darcy的试验中，地下水是作一维的均匀运动，即渗透速度和水力坡度的大小和方向沿流程不变。更一般的三维Darcy定律的微分形式为：y：KJ：K—dH—(2．2) 湖北工业大学硕士学位论文式中：J为水力坡度。在直角坐标系中，如以v。v，V：表示沿三个坐标轴方向的渗透速度分量，则有：y=匕f+yv／+屹尼(2．3)式中：i、J、k为三个坐标轴上的单位矢量。它给出了渗透速度场与水头场之间的关系。Darcy定律有一定的适用范围，超过这个范围地下水的运动不再符合Darcy定律，达西定律对于非牛顿流体是不适用的。我们先讨论Darcy定律对于渗流速度和流体密度的适用范围‘3¨。达西试验装置示意图(a)渗透速度上限研究人员经过许多实验，采用临界雷诺系数Re来表示，提出达西定律对Re的适用有个上限，上限值Re约5，一般认为在1-10之问。对于较大的Re，由于惯性力作用和端流效应的影响，情况比较复杂。纳吉和卡拉地(1961年)试验结果是临界Re，d．。为土的有效粒径，v为渗透速度，v为水的运动粘滞系数。当Re>5时，开始进入水力学中的层流紊流的过度区域(v=Ⅺo·74)：当Re>200时，就转变为完全紊流(v=IOu’5)。∞)渗透速度下限9 湖北工业大学硕士学位论文实际上，达西定律不仅在速度适用的上限，而且还存在速度适用的下限，即在速度很小的情况下达西定律就不适用了。阎庆来教授等专家的研究表明，在很低的速度下，渗流速度与压力梯度的关系为非线性曲线形式。又如，水在黏土中流动，存在启动水力梯度现象。关于牛顿流体在低速或低压力梯度下出现非线性渗流的原因，有多种不同的解释。2．2．2渗透系数、渗透率渗透系数K，也称为水力传导系数，是一个重要的水文地质参数。根据(2．2)式，当水力坡度j=l时，渗透系数在数值上等于渗透速度。因为水利坡度无量纲，所以渗透系数具有速度的量纲。即渗透系数的单位和渗透速度的单位相同，常用cm／s或m／d表示。渗透系数不仅取决于岩石的性质(如粒度成分、颗粒排列、充填状况、裂隙性质和发育程度等)，而且和渗透液体的物理性质(容重、粘滞性等)有关。如在同一套装置中对于同一块土样分别用水和油来进行渗透实验，在同样的水头作用下，得到的水的流量要多于油的流量，即水的渗透系数要大于油的渗透系数。说明同一岩层对于不同的液体具有不同的渗透系数。考虑到渗透液体性质的不同，Darcy定律有如下形式：l，：一kp．___ggdH(2．4)pds式中P一液体的密度g一重力加速度“一动力粘滞系数H=Z+P／Y，对于水就是水头：k一表征岩层渗透性能的常数，称为渗透率或内在的渗透率，k仅仅取决于岩石的性质而与液体的性质无关。比较(2．2)式和(2．4)式，可求出渗透系数和渗透率之间的关系为K：Pgk：墨后(2．5)py渗透率通常采用的单位是cm2或da(Darcy)。一般来说，渗透系数K和渗透率k是不随时间改变的，但对于某些特殊情况，如在外部荷重作用下引起固结和压密，固体骨架的溶解和存在于孔隙中间粘土的膨胀等，也可能引起K和k随时间的变化。10 湖北工业大学硕士学位论文为了加深对渗透系数和渗透率的理解，把孔隙介质理解为有许多直径为d的直的圆管。由水力学可知，当水流为层流状态并做稳定运动时，圆管中过水断面的平均流速为厂：型：￡星J(2．6)32p1，：以矿：竺竺盟／(2．7)1，=以“=一0—o√LZ．，，32p式中：西一圆管过水断面的实际平均流速d一圆管直径挖一孔隙度卜水力坡度。把(2．7)式子和Darcy定律(2．2)式进行比较，发现渗透速度和水力坡度的一次方成正比的。渗透率k相当于圆管情况下的等：渗透系数K相当于圆管下的—nd—2一pg。当然，多介质的实际空隙是大小不一，形状各异，弯弯曲曲的，比理32“想化模型要复杂得多，但这些模型仍可以给出一些定性的概念，例如K与空隙大小(d或b)的二次方成正比而与空隙度11的一次方成正比。说明空隙大小对K的值起主要作用，这就在理论上说明了为什么颗粒愈粗，透水性愈好。2．2．4渗透速度在试验测得的渗透速度v不是地下水在空隙中的真『F流动速度。地下水在土空隙中的实际流速应等于单位时间t内，通过某截面的流量Q，被该截面上空隙所占的总面积A除。即y=钐，(设Ae有效透水面积，对砂土而言，有一定所以Ae气，剪切裂隙相互贯通并形成裂隙性渗流通道。图4．10砂岩样l#破坏前应变一渗透率关系图4．11砂岩样3#破坏前应变一渗透率关系37 湖北工业大学硕士学位论文砂岩样4#中砂岩样4#3．53黾∑呸：一r～Ic／；飞2．51g2晶1．5过1O．5UO0．0050．010．0150．02￡图4．12砂岩样4#破坏前应变一渗透率关系38 湖北5-业大学硕士学位论文4．2渗透与有效围压的实验研究渗透率表征岩石通过流体的能力，是流体矿藏勘探和开采必须研究的主要参数之一，也是水域工程要着力研究的参数．岩石的渗透特性不但与岩石的孔隙结构，孔隙连通状况密切相关，也和通过岩石孔隙的流体性质有直接的关系．深井工程和水域的特殊工程，需要研究低渗岩石的渗透特性。根据岩石材料致密程度的不同，渗透率的实验室测量方法有恒速法和恒压法。根据Neuzil“31的理论观点，室内低渗透岩样的渗流实验应能真实地模拟岩体所处的自然环境(包括围压)。但实际渗流实验所设的围压与实验设备和实验方法有关，以至于一些实验所设定的围压值未能反映岩体在自然环境中的围压值。目前有些实验己测定了低渗透岩石的气相渗透率随围压增加而降低的现象“4川钉Brace‘47’4钉和Zhang“81采用非稳定压力脉冲衰减法测定了花岗岩的气相渗透率和水相渗透率均随有效围压升高而降低这样的规律。但是用液体按稳定渗流方法来测试有效围压对岩石渗透性能影响的实验则很少。试验通过高精度的FDES-641三轴驱替评价系统u"，以8％Nacl盐水作为渗流流体，分别采用恒速法和恒压法进行低渗透砂岩在有围压耦合作用下的稳定渗流实验，探讨有效围压对低渗透岩石渗流性能的影响。4．2．1有效围压的定义在耦合实验中，岩心被放置在岩心夹持器里，岩心的孔隙压力、套筒围压和有效围压分布如图4．13。有效围压习惯用％(简写为￡)来表示，孔隙压力如用只来表示，套管围压用只来表示，则有￡=e一弓在FDES一641系统中可以设置有效围压值(圪矿。)，根据为保持恒定的流速所需要的压力差的变化，系统中的压力控制装置会不断地调整岩心套管围压值(尸)。同时压力传感器将测量实际的孔隙压力、有效围压值、套管围压以及岩石两端的压差，并传输到计算机上，由计算机实时记录所测值。45 湖北工业大学硕士学位论文孔隙压力分亲1：主：：：二：!I墨：Ij芷?2孔隙压力分稚。五：：i；。立≤l：Ij芷；一PcPe套管围压分布i；；i：㈡i!!!；：iPIi．．ii。i。i。li羔：}』。主土i．k；Pce啤一．P一。ce_ff_O一_可，2有效围压分布l盖。童立iiiiii￡；PIP10OPl一岩心入口端压力，岛—岩心出口端疆力．最广一岩心纵向中点的压力；P广套管围压；R。ffl—岩心入口端的有效嘲腰，尸km=户rPl，如m一岩心出翻端的有效圈愿，Pc啦=Ps-P2，R。耶_卷心纵向中点的有效围压，Pct加P1．Pn。图4．13孔隙压力、套筒围压和有效围压分布图4．2．2试验设备性能FDES一641(FormationDamageEvaluationSystem)驱替评价系统包括压力控制系统和计算机控制系统两大部分。通过高精度多级柱塞驱替泵以恒定速度(恒速模式)，或者在保持岩样入口及出口两端恒定压差(恒压模式)的条件下，将盐水或蒸馏水分别注入岩样中形成稳定渗流。计算机控制系统在对系统各部分压力数据进行精确采集的基础上，自动实现对渗流液体恒速或恒压模式的驱替，并完成相应的数据分析。驱替泵的控制测试流量范围为0．01～15．0mL·min～。对低速渗流具有很好的模拟能力．利用FDES-641驱替评价进行耦合渗流试验，相比于传统的实验方法而言，可以实现高围压低流速条件下的耦合渗流试验，其实验流速、岩样两端压差以及有效围压的测量与控制完全由计算机系统操作完成，具备较高的实验精度。4．2．3岩样的物理特性本课题研究的耦合渗流实验选用的岩样为砂岩S5、S9、SIO、S11以及S12，由表4．1可以看出，其物性特征条件见表4．1。其中：巾一岩样的空隙度；吃一空气渗透率；D和L一分别为直径和长度； 湖北工业大学硕士学位论文％一孔隙体积；p一20oC时所测盐水的粘度；qv--盐水的流速；r一测试渗流岩心温度K一在q，。=O．1mL·rnm。1时测得的单相水渗透率。表4．1实验岩样的基本物理特性l1．4O．6292．5236．9854．0101．049变化值20．7-21．70．10713．11．942．5386．9714．7641．0490．125．啦26．71．01214．01．702．5337．1264．9231．0490．125．1～27．11．138l0．62．602．5357．1303．8921．049变化值20．5～23．70．04310．9O．8712．5387．1533．9661．049变化值19．5～23．70．3334．2．4实验步骤恒速法的实验操作步骤如下。步骤1岩心抽空并饱和8％的Nacl盐水。步骤2设置较小的有效围压值，如有效围压P=2．0MPa。步骤3预设定活塞泵的驱替流体速度q。=0．1mL·n'fin一，并保持恒定。由灵敏的压力传感器测定该流速下的岩样入口端及出口端的压差，通过计算机采集，在每预定的问隔时间段内(通常3～5min)记录一次压力差值，当连续记录的47砂岩髓砂岩∞砂岩啪砂岩川砂岩眦 湖北工业大学硕士学位论文压差值稳定趋于某一值(所测出的值相邻之问的误差持续小于2％)时，认为在某一恒定驱替速度下，岩样进口端的渗流速度等于出口端的渗流速度，渗流达到稳定状态，记录该流速下的平衡压力差。步骤4逐步提高有效围压，重复步骤3，测定相同流量g，，=0．1mL·min-1下的平衡压力差及渗透率。恒压法的实验操作步骤l、2、3同恒速法前三个步骤。步骤4保持压力差值恒定，提高有效围压，泵速不断变化，流速逐渐达到稳定值。通过计算机采集，在每预定的间隔时间段内(通常3～5min)记录一次流速值，当连续记录的流速值趋于某一稳定值(所测出的值相邻之间的误差持续小于2％)时，认为在这个恒定压力差值下，岩样进口端的渗流速度等于出口端的渗流速度，渗流达到稳定状态，记录该压力梯度下的稳定渗流速度。步骤5逐步提高有效围压，重复步骤4，测定相同压力差下的平衡流速及渗透率。根据实验系统的性能特点，对岩样S9、$10和S5、s11、$12分别采用恒速模和恒压模式进行渗流耦合实验。实验过程中先把有效围压从初始值单调升高至20MPa左右，然后再卸载回到原来状态。4．2．5岩石渗透率与有效围压的耦合关系分析综合多种文献唧L∞妇J52L畸∞的研究成果，作为直接实验法，根据流固耦合实验拟合得出岩样渗透率与有效围压的关系主要有三种形式，即幂律关系：K=Ko巧口；(3．17)指数关系：K=KoP—DPf；(3．18)多项式：K=《+屹+K；(3．19)式中：K一岩石渗透率；只一有效围压；口，∥、a、b一回归系数；K一初始渗透率。为比较三种曲线拟合方法针对某一类岩石实验结果的逼近程度，在本次实验研究中，分别应用这三种拟合方法进行了曲线拟合，以岩样S9为例，结果见图4．14～图4．17。I．幂律关系：K=Ko覃。： 湖北工业大学硕士学位论文岩样S9的初始渗透率Ko=1．0125(10。lam2)，按照幂指数关系对岩样S9流固耦合渗流实验数据进行拟合，拟合曲线见图4．14，拟合关系式为：K：1．0125P"-o·0426II．指数关系：K=Koe—p％；按照指数关系对岩样S9流固耦合渗流实验数据进行拟合，拟合曲线见图4．15，拟合关系式为：K：1．0125e-o．0051PCIII．多项式拟合：K=晖+啦+K按照一元二次多项式关系对岩样S9流固耦合渗流实验数据进行拟合，拟合曲线见图4．16，拟合关系式为：K=0．0001Pc2-0．007Pc+1．0125Ⅳ．多项式拟合：K=群+6晖+c采用多项式拟合得到数学模型其结果并不唯一，为了获得更为逼近的拟合曲线，考虑到实验数据的许可误差，可以放松对一元二次多项式常数的约束，即允许一元二次曲线的截距(拟合的常数项C)与磁有一定的偏差。从而得到另一个拟合曲线见图4．17，对应拟合方程式为：K=0．0003P詈一0．0124Pc+1．0385图4．14耦合渗流幂指数拟合曲线49 湖北工业大学硕士学位论文◆实验点——拟合曲线＼2025图4．15耦合渗流指数拟合曲线图4．16耦合渗流多项式拟合曲线图4．17耦合渗流二阶拟合曲线 湖北工业大学硕士学位论文对于砂岩岩样比较以上三类流一固耦合渗流实验关系的拟合结果，可以得出这样的结论：以一元二次多项式的曲线拟合精度最高，幂律关系次之，指数关系的相关性比较差。在一元二次多项式拟合中，如果允许常数项与岩样的地面渗透率有一些误差，则拟合得到的曲线与实验趋向更为逼近，拟合精度更高。4．2．5．1有效围压上升段岩样渗透率和有效围压耦合关系的分析对于砂岩岩样的流固耦合渗流实验，在有效围压单调上升阶段渗透率与有效围压的关系按K=《+睨+c进行拟合，其结果为：一．拟合方程关系表达式表4．2有效围压上升段实验岩样的一元二次多项式拟合除岩样S5的实验点比较离散外，其余岩样的拟合相关系数都0．94之上，可见拟合效果很好。再者，常数项c和％基本一致，误差在5％左右，考虑到实验误差，在有效围压上升段按K=a焉+6B+c来拟合岩样的耦合渗流也是合适的。二．拟合曲线根据实验数据拟合得到的渗流曲线见图4．18-图4．2l。 湖北工业大学硕士学位论文图4．18有效围压上升段岩样S5耦合渗流二阶拟合曲线图4．19有效围压上升段岩样SIO耦合渗流二阶拟合曲线52 湖北工业大学硕士学位论文S1l有效围压上升段◆实验点一多项式(实验点)0．060．0550．050．0450．040．035U．UJO510152025见／(MPa)图4．20有效围压上升段岩样S11耦合渗流二阶拟合曲线图4．21有效围压上升段岩样S12耦合渗流二阶拟合曲线53 湖北工业大学硕士学位论文●—______—____—_-_——____—●——_—_—-—___—●__●——_●-_____—_———__—●__——■———_—__—■—!!!蔓!!I!三．对围压单调上升段的耦合分析(1)随着有效围压的增加，岩心的渗透率逐步下降，表明压力场作用于岩样的渗透通道，使之发生挤压、堵塞等变化，岩样的孔隙率相应变小，导致液体通过能力下降。(2)不同的岩样渗透率有效压力的增加而下降的程度不同。当S9的有效围压从初始的犀=2．09MPa增加到20．91MPa，时，其渗透率由1．01×10-3∥m2下降到0．926xlO-3pm2，即渗透率减少了8．3％(见图4．18)；而当SIO的有效围压从初始的2．35MPa增加到15．1MPa时，其渗透率由1．14×lO。3,um2下降到0．98×10_3Ⅳm2，即渗透率减少了14．1％(见图4．19)；当S11的有效围压从初始的2．56MPa增加到20．92MPa时，其渗透率由0．043×lO-3∥垅2下降到0．034×lO-3∥m2，即渗透率下降了20．9％(见图4．20)；当S12的有效围压由最初的2．11MPa单调升高到20．4MPa，其渗透率由0．333×lO。3／zm2降低到0．212×lOq2，即渗透率降低了．3％(见图4．21)。这说明多孔介质中孔隙通道的,um36微小变化对流体的流动能力的影响是比较明显的，(3)有效围压与岩样渗透率关系的经验公式可以通过一元二次多项式拟合得到，拟合精度满足生产要求。(4)渗流耦合曲线存在拐点，在这个拐点之前，岩石渗透率随有效围压的增加下降的比较快，在拐点之后则下降的比较缓慢。这个拐点的位置因岩样而异，但大体上在围压值15Mpa～20Mpa之间。4．2．5．2有效围压下降段岩样渗透率和有效围压耦合关系的分析当岩样SIO、S1l、S12渗流耦合实验的有效围压达到20MPa左右，停止加压，开始逐步卸载，不断地降低围压。记录其围压值并计算出对应渗透率，同样采用一元二次多项式K=《+屹+c进行拟合，研究其渗透率和有效围压的关系。一．拟合方程表达式如下 湖北工业大学硕士学位论文表4．3有效围压下降段试验岩样的一元二次多项式拟合岩心编号系数a系数b系数c相关系数r瓦C与K著砂岩SIO0．0008—0．02061．1155l1．142．1％砂岩S1l0．0001—0．00710．12910．97490．0430143．6％砂岩S120．0002-0．00420．24790．38700．335326．1％二．拟合曲线图4．22有效围压下降段岩样SIO耦合渗流二阶拟合曲线图4．23有效围压下降段岩样S11耦合渗流二阶拟合曲线55 湖北工业大学硕士学位论文图4．24有效围压下降段岩样S12耦合渗流二阶拟合曲线对围压下降段的耦合关系分析：(1)随着有效围压的下降，岩样的渗透率均重新提高，表明原来在压力场作用下发生挤压变形的渗透通道，随着围压的卸载开始恢复，岩样的孔隙率相应变大，导致液体通过能力回升。(2)不同的岩样渗透率随有效围压的下降而恢复的程度不同。当S10的有效围压从初始的15．1MPa减少到2．53MPa时，其渗透率由0．988×10。3／zm2增大到1．069×10‘3／lm2，即渗透率增加了8．2％(见图4．22)；当S11的有效围压从初始的20．92MPa减少到4．10MPa时，其渗透率由0．034×10-3,um2增大到0．112×10-3,am2，即渗透率增加了229．4％(见图4．23)；当S12的有效围压从初始的20．4MPa减少加到2．47MPa时，其渗透率由0．212×10-3∥朋2增大到0．250×10。3,am2，即渗透率增加了17．9％(见图4．24)。(3)从一元二次多项式曲线拟合的相关系数来看，岩样S10、S12在下降段的拟合曲线相关系数不如上升段的好，岩样$12的实验点已经比较离散了，说明经过围压加压阶段，岩样已经发生了塑性变形，卸载也无法令其完全恢复。(4)岩样S11仍表现出很好的拟合相关性，即在有效应力循环的过程中保持了良好的弹性特征，因而其在围压下降段岩样渗透率和有效围压的关系依然可以用一元二次多项式进行描述。换言之，如果围压加载不至于破坏岩石的弹性，其在应力循环周期中都可以用一元二次多项式来描述有效围压与岩石渗透率的关系。但方程的系数在不同的应力阶段是变化的，差别的程度因岩样而异。56 湖北工业大学硕士学位论文4．2．5．3有效围压上升段和回落段关系曲线的比较分析将岩样SIO，Sll，S12在围压上升段和下降段的有效围压与岩样的渗透率的关系曲线绘在同一个坐标系上，作进一步的比较分析。拟合曲线见图4．25一图4．27。比较分析从拟合曲线看来，实验岩样在围压上升段与围压下降段，其岩样渗透率和有效围压的关系曲线是明显不一样的，拟合方程的系数不同(见表4．4)，二阶拟合曲线◆上升段实验点▲下降段实验点1．2——上升段拟合曲线o1．15一●——下降段拟合曲线兰i◆j叩1．1母。呈1．05klU．了0O5lO1520以／(MPa)图4．25岩样SIO有效围压上升段和回落段二阶拟合曲线O．12一-◆上升段实验点0．1．一父-下降段实验点——下降段拟合曲线——上升段拟合曲线e0．08～董n己0．06o妓0．04O．02U0102030pc／(MPa)图4．26岩样Sll有效围压上升段和回落段二阶拟合曲线57 湖北工业大学硕士学位论文图4．27岩样S12有效围压上升段和同落段二阶拟合曲线表4．4有效围压上升段和下降段岩样渗透率和有效围压拟合曲线方程系数比较结论(1)随着有效围压的增加，岩样的渗透率逐步下降，当有效围压降低后，岩样的渗透率和孔隙度有所恢复，但不能恢复到原始数据。围压上升段曲线与围压下降段曲线明显不重合。由此表明对于低渗透岩层，孔隙的变形具有塑性变形的特征，试验过程中压力的变化会造成孔隙的变形，虽然在一定程度上变形可以恢复，但对岩石的渗透性能造成的伤害是永久性的，压力恢复后岩石的物性参数并不能恢复到原始值。(2)不同岩样的渗透率随有效围压的增加而下降的程度不同，随有效围压的减少而恢复的程度也不一样。这充分表明了岩石个体性质的多样性。由于岩石内部裂隙与孔隙发育、分布的情况千差万别，在应力场的作用下，其渗透通道的变58 湖北工业大学硕士学位论文化难以准确预测，只能在进行大量同条件实验后，归纳出宏观上的普适规律。(3)低渗透岩样中裂缝的存在对有效围压作用下岩心孔隙的变形能力起到至关重要的作用。就普遍规律而言，在有效围压和岩石渗透率的坐标系中，有效围压上升段的犀一K曲线应该在有效围压下降段的上方，即经过围压的加载过程，岩样普遍受到损坏而导致裂隙结构破坏，孔隙通道堵塞，渗透率降低，从而即便压力完全卸载，其渗透率也恢复不到原来的数值，而是要损失10％～30％。但个别的岩样如渗透率特别低的岩样S1l也有相反情况，卸载后的岩石渗透率比加载前还要高。究其原因应该是渗透率特别低的岩石其内部孔隙导通性很差，但在有效围压的作用下，孔隙的结构会发生了大的变形导致渗透通道彼此连通，使得渗流通过能力大增。当然岩石的过度变形意味着其面临着被破坏了的可能。59 湖北工业大学硕士学位论文第五章FLAC3D算例分析5．1FLAC3D简介FLAC是FastLagrangeAnalysisofContinua的缩写形式，是美国Itasca咨询与软件开发公司于1986年开发的二维程序，20世纪90年代引入中国；FLAC3D则是在FLAC的基础上开发起来的三维显式有限差分数值分析软件。目前FLAC已经发展到V3．0版本mJ。FLAC3D的输入和一般的数值分析程序不同，它可以用交互的方式，既可以用键盘输入各种命令，也可以写成命令文件形式，类似于批处理，由文件来驱动。FLAC是面向采矿工程、土木工程、交通、水利和石油及环境工程的通用软件系统，是ITASCA软件产品中最知名的软件系统之一；在国际土木工程学术界具有广泛的影响和良好的声誉。FLAC3D可实现对岩石、土和结构建立高级三维模型，复杂的岩土工程数值分析与设计。三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式的有限差分格式求解场的控制微分方程的数值分析方法，将计算区域划分为若干四面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性非线性本构关系，能够准确的模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其是在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟工程施工过程等领域有其独到的优点。由于无需形成刚度矩阵，较小的内存空问就能够求解大范围的三维问题。FLAC可以模拟流体通过可渗透固体的流动，例如可以模拟地下水在土体中流动。与FLAC中一般力学计算无关，流动建模既可以由本身完成，也可以同力学建模并行完成，以便完成渗流场与应力场耦合作用的效果。固结就是一种流固耦合的作用，在这一过程中，孔压的逐渐消散导致土体中发生沉降，首先孔隙水压的变化导致有效应力的变化，有效应力又影响固体的力学响应。基本流动分析处理完全饱和以及有地下水位变化的流动问题。在这种情况下，地下水位以上的孔压为零，同时可以认为气相是无抗力的。FLAC基本的流体模型提供如下特征：(1)对应各向同性与各向异性的渗透性流体传导定律。(2)不同区域可有不同的流动特征。(3)可以指定流体压力，流量和不可渗透边界条件。(4)流源既可作为点源也可以作为体积源。(5)提供了显式或者隐式两种流体流动的运算方法。(6)任何力学模型都可以和流体模型一起使用。在耦合问题中，饱和材料可 湖北工业大学硕士学位论文以具有压缩性。FLAC有些情况下没有提供两种或多种模型之间的耦合关系，但是这些关系我们可以通过FISH函数进行引入，这些FISH函数应该基于局部饱和度，空隙度和其它相关变量，本文就是利用FLAC自带的基本流体流动模型和基本的力学模型建立数值模型，通过FIAC语言建立渗透系数与应力之间的耦合关系，从而达到渗流场与应力场的真正耦合【541。5．2算例分析假设有一重力坝，坝高57．2m，底宽50m，计算域长300m(x方向，从上游往下游方向)，高100m(z方向)，宽8m(y方向)，共作了以下两组耦合分析：(1)基岩内无裂隙面，进行不耦合与耦合计算；(2)基岩内有两组交叉斜裂隙面倾角为300，900。裂隙长度2m，隙宽b为5mm，进行不耦合与耦合计算；各组裂隙面的连通率相同，坝体渗透性和坝基的渗透性相比甚小，可以不参加渗流分析，坝基应力水平不高，为了简化起见，岩体及其裂隙均近似按照弹性介质考虑。渗流和应力分析时的材料力学参数为：饱和度为1，渗透系数为等效各向同性渗透系数1．2X104,上游水位140m，下游水位62m，岩石密度y=3．0T／m3，岩石弹性模量E=5x105T／m2，泊松比为O．2l，载荷为水压力(渗流体积力)和坝体自重。算例中仅考虑法向应力对空隙水压力的影响，在耦合的应力分析过程中，仅有渗流荷载一项变化，材料的力学参数均不变，计算结果如下6l 湖北工业大学硕士学位论文Fkl《漕玲2．1睡藩p竺j赫S§l蒎瓣日m绉悖霹Th搿‘f；鞲敷自睁敷≯囊彰磊嚣参薯舞矗霉罐嵩誊{嚣糍。j獭麟i墨女舔麓霸4燃《，筋缮瓣￡叠0鞠》嘲罐≯锄0秘％瓣鬻0蕊㈣～E酝稳l童瓣。躐黧藿绉妻溅冬十§嘲豁5藤数孵嚣FE。氍ij玲2．i纷i磅耘镑魏嬲爨鞠囊疆簿嚣嚣露《i鹾转鞴辫i辫懒馕熬：鸶毂瓣齄$嚣黪鬈{瓣珏麓{妻8精自溯嚣婚嘲蕾瓣’，彩辫鞠：黪；瞧纛．娩l瓣∞麓“图a不考虑渗流场与应力场耦合鏖囊嚣麓缀缵鬈雾警∞##自iEg觏¨¨“}海图b考虑渗流场与应力场耦合图5．1坝基空隙水压力变化(无裂隙)62瓣一纛蓠蘩溅 湖北工业大学硕士学位论文F乙lc3D2。l好敦0￡鳍{渤盛≯蝴蠹，；堡嚣影S谚描琏嚣翻徽《{菸耘一撼{{+谶轴麓l乏毒鞠酾鳟嚣e撕}§鬟螽毒罄惫辖绷i：_1礁魏0越磊麓2鬈l藉嚣l浩|戥鬻，墨黧戮鬻缓董晷{澎}酬凳so麓o”j≯孙o，强端#嚣f锵自p：蒸麓滋；篙鬻翰《孵雅蝴嘞爱％够鳓#g嬲秘：馘#％0弘图a不考虑渗流场与应力场耦合FL，t(‘3￡，2．1移辫}黪端糖渤鼢黟渤∞}￡嚣籍象取错缚0簿々，露辫童I：1i{：j_纛；‘j；蔫缓臻辩驻l：¨i“霉}渤豁{癣黪薯鬻髻辩德镪蠹；群*j翳鬻焉羽螽赫辩薹童。i曩。链盛鸯疆：。i誊：妥青，辅嘲}-露鬻i蓦?一器墨j》辫鲁萋；誊露薅#鬻瓣锹ig嵫薹薹鬻“i荔i嚣餮瑟瑟‘liii瓣霉黪；鬻薹黧鍪薰霹；荔雾鬻；鬃餮鬟＆蜡馥霸瓣i罐鳓鳓虢酝躺鳓《虢稚辩鞋舔一一图b考虑渗流场与应力场耦合图5．2坝基空隙水压力变化(一组斜裂隙，一组竖向裂隙) 塑鲤塑鳓鳓$瓣舔zi；羹鬻i蕊粪渗攀ii爨黪}熟缬$凌翳i，j曩囊≥ii，H?¨¨≯一-一蠢鬻豢粉貔礅舔。藏-《虢激：jjl黪。⋯甍；；毫；甏。。警蒸麓攀篆溅，鬻誊囊蘩攀誊甥自§女勰答芬黪黍蠢蠹霪鬟鬟≤系獭彩鼢¨j螽箍ii雾{笺萋萋豢鬻蒸黧懑jV一|；：=¨|?。纛鬻尊蠹篱j；i蘸ij。。蓦臻jr：1|；_醚澜蒸鬓鬃鬻{霪4～。鬻搿≈《麓缝7豫薯奠；弛一≥i荔荔澎，。“⋯。豢溉雾溪豢“；髯荔漤#÷÷j’纛繁_，#≈鬻鬻护*；奠薹童。i7二蓦毫羔薹鹰j。蹩j*《二∞÷端。，隙) 湖北工业大学硕士学位论文—__—●____——_________●-__—-_____●—__—-_——_—●___——__———_______●—_————_______!蔓!—!!IIIIl5．3几点讨论(1)在无裂隙存在的情况下，耦合作用时的孔隙水压力与不考虑耦合作用时基本没有变化，从图5．1中的(a)和(b)可以比较得知。坝基中未考虑裂隙存在，类似于完整岩石。致密坚硬的完整岩石的渗透系数极小，因此，应用FLAC建模计算的耦合与不耦合结果基本一致。(2)当坝基存在裂隙时，岩体的孔隙、裂隙水压力的变化非常明显(图5—1和图5—2比较)，由于裂隙的导水作用，使岩体的局部渗透率变大，使其水压力明显变大，从而整体渗透水压力变大。在考虑耦合作用后，裂隙岩体孔隙裂隙水压力变化也非常明显，将图5．2中的(a)和(b)进行比较，便可看出。(3)由图5—2(幻和图5．2(b)进行比较可得，本算例中竖向裂隙在考虑耦合前后对岩体孔隙、裂隙水压力变化影响很小，在自重力作用情况下，竖向裂隙对岩体强度的影响较斜裂隙影响小得多。也就是说，在坝基中，斜向裂隙的导水性能更强。(4)将图5—3和图5—4进行比较得出，由于裂隙的存在，使坝体在裂隙周围产生应力集中．是坝体稳定与否得重要因素。同时耦合作用使应力明显增加这主要是由于渗流作用，使流体的水力坡度变大，渗流体积力(渗透水压力)很大所引起。(5)渗透水压力也使岩体内部应力变大，当水力坡度较大时，应该充分考虑渗透体积力(渗透水压力)的作用。(6)裂隙存在与否对岩体渗流和应力的变化影响非常大，同时渗流与应力相互影响很大，进行基岩水工建筑物设计时，应当进行耦合分析来确保工程安全。 湖北工业大学硕士学位论文第六章结论与展望裂隙岩体渗流对应力场有影响，其渗透性与应力状态也密切相关，考虑两场之间相互影响的分析称为耦合分析。裂隙岩体渗流一应力耦合研究是一个十分复杂的课题，孔隙和裂隙的存在，大大改变了岩体的力学性质，也严重影响岩体的渗透特性。分析应力场与渗流场之间的耦合，就是要明了应力场怎样影响渗流场，渗流场又是怎样反作用于应力场。尽管研究己取得一些成绩，但是研究成果要完全应用于实际工程还有一段距离，这是因为作为一门新兴的边缘学科，其理论及实践都不够成熟，并且由于工程地质的复杂性，应力场与渗流场之间的非线形关系，增加了研究工作的复杂性，另外目前也没有一个统一的耦合计算方法，不同的计算结果之间存在差异。所以，有关这方面的研究工作还有待进一步深入，并需要通过借助具体工程实践的实际结果和经验来验证、补充。论文中对这一问题进行了一些研究，完成了以下几方面的工作：1．从理论出发，系统的研究学习裂隙岩体的渗流基本理论，并对裂隙渗流的特点进行描述。2．在人工填充砂裂隙剪切实验的基础上，分析剪应力对裂隙岩石渗流的影响状况。研究结果表明，在一定的正应力条件下，渗流随剪应力的增加而有所降低，但变化很小，对曲线进行线性拟合分析，拟合精度很高。从而验证其变化曲线近乎直线。3．总结和归纳了裂隙岩体渗流场与应力场耦合的数学模型，数值计算方法及耦合理论等方面的研究状况，对裂隙岩体渗流场与应力场耦合的等效连续介质模型、离散网络介质模型以及双重介质模型的特点和使用条件做了系统阐述和比较，提出了目前研究中存在的问题。4．对相关岩石渗透性实验数据进行整理，并对试验曲线拟合分析。找出分段特征点，分析其产生的原因。最后将拟合分析曲线特点进行归纳，以得出一般性曲线趋势。5．最后把前面理论应用到坝体实践中去，应用一算例进行了重力坝中坝基应力与渗流水压力的耦合数值模拟过程，分析的结果对坝体安全应用提供了理论依据。通过数值模拟表明，渗流场和应力场在一定条件下相互影响很大，在分析大型岩体工程水渗流时应考虑渗流与应力的耦合关系。两场耦合问题的研究出现了众多的成果，然而要对两场耦合实现准确的数值模拟并成功应用于工程实践，还需要进行大量深入的研究工作。限于笔者的水平 湖北工业大学硕士学位论文和精力，本文针对渗流应力耦合的研究工作尚处于探索阶段，为了最终将其应用于工程实践，还需要进行大量的研究工作，笔者对今后的研究工作提出几点设想：1．开展单裂隙岩体流固耦合关系的试验和理论研究，提出能够真实反映耦合效应的两场耦合关系，并将其应用于两场耦合分析的工程实践中：2．必须结合流体力学与固体结构分析中的各种方法与细节，对应力场与渗场的固液耦合问题进行研究。3．描述流固耦合问题的最根本的方法是数学方法，将数学上的最新研究成果应用于流固耦合系统的研究中，从机理与本质上探讨流固耦合问题，促进流固耦合问题研究的进展。4．针对地质情况的复杂性，根据实际工程情况，如何建立有效的模型是进一步要思考的问题67 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湖北工业大学硕士学位论文致谢本文是在导师胡其志教授的精心指导和悉心关怀下完成的，从论文的选题、资料的检索、论文的修改到最后定稿无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师认真热情的指导作风、豁达开明的为人师表、以身作则的导师风范、以及对我孜孜不倦的教诲，给了我深刻的启迪和奋进的动力，令我终生受益，在此谨向导师胡其志教授致以最衷心的感谢和深深的敬意!近三年的学习和生活中，得到了湖北工业大学土木工程与建筑学院何世秀教授、杨雪强教授、庄心善教授、苏骏博士，肖衡林博士等老师的关心和指导，在此表示衷心的感谢!岩土实验室的良好学术氛围使作者受益良多，感谢朝夕相处的全体兄弟姐妹，他们是凌平平、何怡、向胜华、李德贤、李斌、刘文治、肖凯、龙立华、胡江华等。感谢所有在我漫长求学路上予以帮助、解惑和关心的老师和朋友。感谢我的家人，是他们不断的鼓励和朴实的关爱让我能够一直以饱满的热情积极地投入到学习和研究中去。最后衷心的感谢在百忙之中细心评阅论文和参加答辩的各位专家、教授。71 湖北工业大学硕士学位论文附录一，发表文章：页岩蠕变特性及模型研究，第一作者，2007．5，河南建材ISSN1008—9772，CN41-1286／TU。二，参与科研：湖北工业大学工程职业技术学院西区宿舍楼桩基检测。(校项目)参与胡其志导师项目，《盐岩应力一渗流一溶解耦合机理及盐腔溶腔过程与围岩稳定性耦合分析研究》，国家自然科学基金10772190。参与任务为实验研究员