单裂隙面渗流与应力的耦合特性

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1、第21卷第1期岩石力学与工程学报21(1)：83～872002年1月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJan.，2002*单裂隙面渗流与应力的耦合特性王媛（河海大学土木工程学院岩土研究所，南京210098）摘要较系统地介绍了现有有关单裂隙面渗流与应力耦合特性方面的研究成果，对各类成果的先进性、合理性及应用情况进行了较为深入的评述，在总结现有研究成果的基础上，归纳出3种研究思路，可供参考。最后还指出了单裂隙面渗流与应力耦合特性方面的研究前景和发展方向。关键词岩体裂隙，

2、岩体渗流，岩体力学，渗流与应力耦合分类号O357.3文献标识码A文章编号1000-6915(2002)01-0083-05在单裂隙面渗流与应力耦合特性方面，许多文1前言献业已进行了研究，文[4～9]通过试验研究直接建立了裂隙渗透性和应力的关系，文[10～12]根据裂岩体渗流场与应力场之间存在着耦合作用，位隙面渗流与应力的耦合机理，利用单裂隙面的渗流移场、应力场受渗流荷载影响的同时，也影响着岩规律和单裂隙面的变形规律，间接地导出渗流与应体中渗流水头的分布，这是由于岩体中分布有众多力的关系，文[13～15]则提出了反映渗

3、流与应力耦的裂隙，应力作用导致裂隙几何特性发生变化，如合规律的某种理论概念模型。此外，Iwai还进行了裂隙开度的张开或闭合、裂隙粗糙性的改变等，从高应力下裂隙面渗流特性的研究，文[16]进行了剪而影响裂隙的透水性而引起整个岩体渗透性发生重切应力下渗流与应力耦合特性的研究，文[17]进行大改变。在1959年法国Malpasset拱坝的溃坝事件了三维应力作用下天然粗糙单裂隙渗流特性的试验及对其原因的探求中，揭示出研究裂隙岩体渗流与研究。应力耦合作用的重要性和迫切性之后，单裂隙面渗单裂隙面渗流与应力耦合关系的选取对岩体耦流

4、与应力耦合特性的研究这一基础性课题首先成为合分析结果影响很大，本文对现有的有关单裂隙面人们理论和实验研究的重点。渗流与应力耦合特性方面的成果进行了系统的总结文[1～3]首先进行了平行板裂隙的水流实验，和分析，目的在于为如何运用现有成果和建立更合提出了著名的立方定律，证明通过裂隙面的渗流量理的耦合关系提出一些建议，为合理进行工程岩体与隙宽的三次方成正比，可见隙宽的微小改变将引渗流与应力的耦合分析服务。起渗流量的重大变化。而隙宽的大小又受作用在裂隙面上的应力所控制，所以通过裂隙面渗流量的大2单裂隙面的水流运动规律小与应力

5、大小密切相关。同时，渗流水压又直接影响着裂隙面上的有效应力，因此在单裂隙面渗流与立方定律是描述光滑平行板裂隙面水流运动规应力之间存在着相互作用，这一特性即称为耦合特律的一个著名的定律，将裂隙假设为由两片光滑、性。由上述的耦合机理可知，单裂隙面渗流与应力平直、无限长的平行板构成，由流体为不可压缩、的耦合特性将取决于单裂隙面的水流运动规律和力粘性及水流为层流的假定，根据流体力学基本原理学变形性质。推导出平行板裂隙的水流公式(在等温、稳定流条件1999年11月23日收到初稿，2000年5月3日收到修改稿。*国家自然科学基金

6、资助项目(59909002)。作者王媛简介：女，1969年生，博士，1989年毕业于河海大学水电工程系水工建筑专业，现任副教授，主要从事岩体力学及渗流方面的教学和研究工作。•84•岩石力学与工程学报2002年下)为律于实际裂隙而提出的概念，即是将试验所得裂隙3Q/ÄH=Cb(1)渗流量代入立方定律反求得到的裂隙宽度。式中：Q为流量；ÄH为通过裂隙面的水头差；C为常数，与重力加速度、水流运动粘滞系数、裂隙3单裂隙面的力学变形性质面的形状和尺寸有关。由式(1)可以看出，通过裂隙面的渗流量与隙宽裂隙面渗流与应力的耦合特性不

7、仅与水流运动的三次方成正比。文[1～3]分别以平行玻璃板(光学规律有关，而且与其力学变形性质有关。众多试验光滑)模拟裂隙，通过试验研究，证明层流时立方定研究表明，裂隙面法向变形与法向应力之间、剪切律的有效性。文[2]还研究了微裂隙(10～100mm)和变形与剪应力之间皆存在非线性关系。极微裂隙(0.25～4.3mm)的情况，提出了只要隙宽大对于法向变形性质，可以归纳为指数曲线或双于0.2mm，立方定律总是成立的。曲线来描述，文[23]采用指数函数表征结构面法向由于实际天然情况下的裂隙面大多是粗糙不平闭合变形特性，表示

8、为sn-的，很难满足平行板裂隙的假定，因此许多学者相knÄVj=bm0(1-e)(3)继对粗糙裂隙的水流特性进行了研究，根据对粗糙式中：sn为裂隙面的法向应力；ΔVj为裂隙面的闭性定义的不同，分别提出了相应的修正立方定律。合量；bm0为初始力学隙宽，即最大闭合量；kn为法文[1，3]通过对仿天然裂隙的试验研究，提出向刚度系数，kn=bm0kn0