高渗流压力作用下围岩强卸载损伤效应及渗流灾变演化规律研究

Characterizing the damage and seepage in the rock mass around underground excavations is a hot and difficult topic at home and abroad, which mainly influences the safe and long-term stability of the project. Water inrush through fractures within the host rock often occurs in deep underground engineering, as a consequence of high crustal stress and seepage pressure. Permeability evolution of rocks under strong unloading and high seepage pressure will be investigated by a series of permeability experiments on core samples, in which multi-parameters will be monitored. Combined analysis of the results of strain-permeability, acoustic emission information and microstructure characteristics, superimposed damage of the host rock induced by high seepage pressure will be discussed, and the associated seepage evolution will be revealed. A combined hydro-mechanical numerical model for the analysis of seepage instability will be proposed, considering strong unloading and high seepage pressure. The developed numerical model will be used to simulate and investigate the seepage instability process and its hydraulics mechanism under strong unloading and high seepage pressure coupling effect. This research can support the understanding in mechanics mechanism of seepage instability under strong unloading and high seepage pressure, and provide the theoretical basis for seepage-catastrophe analysis of water disaster through fractures in the deep underground engineering.

地下工程围岩的损伤和渗流是影响工程稳定与安全的关键因素，相关研究一直是国内外研究的热点和难点。本项目以深部地下工程裂隙型突水灾害频发为研究背景，针对深部工程围岩高地压、高渗透水压的赋存特性及裂隙水害的孕育条件和致灾特点，通过岩石高渗压条件下的强卸载渗透试验，结合多物性参数响应监测技术，研究岩石高压渗流强卸荷过程的渗透性演化特征。通过综合解析岩石渗流失稳过程中的应变-渗透性、声发射信息及微细观结构变化特征耦合关系，研究高压渗流对卸载围岩结构损伤的叠加效果，揭示高渗流压力与强卸载耦合作用下岩石的结构损伤效应及渗流演化规律。在此基础上通过数值模拟分析建立描述高地压、高渗流压力环境卸载扰动围岩的渗流-应力耦合关系模型，揭示强卸载围岩高压渗流失稳效应及其水力学机制。研究成果有助于深化深部围岩高压渗流失稳力学机理认识，为深部工程裂隙水害的渗流灾变机制分析提供理论依据。

近年来，我国隧道等地下工程裂隙型突水灾害频发且突出，造成了巨大的经济损失、环境破坏和人员伤亡。本项目针对深部地下工程围岩高地压、高渗透水压的赋存特性及裂隙水害的孕育条件和致灾特点，采用室内试验、原位高压渗透试验、物理模型试验和数值模拟等方法，对高压渗流及卸载条件下岩石的渗透性演化规律展开研究。开展了岩石的高压渗透试验，研究了岩石受力损伤破坏过程中的渗透性演化特征，对比分析了卸载前后岩石渗透性变化特征，揭示了岩石的渗透性-应变演化规律，构建了描述损伤破坏诱发的应变值变化对岩石渗透性影响的渗透性-应变数学模型，揭示了岩石损伤过程渗流突变的水力学机制。研发了裂隙岩体高压压水试验技术与装置，开展了现场原位高压压水试验，研究了高水压作用下岩体渗透性演化特征，建立了岩体渗透水压-流量关系的概化模式，揭示了渗透水压作用下岩体由Darcy流向非Darcy流转变的流态转换规律，提出了应力-渗流作用下岩体渗透性演化概化模型，揭示了裂隙渗流通道形成的演化机制。研制了可实现采掘扰动-渗流耦合作用下的隧道渗透突水物理模拟试验系统。利用该系统及流固耦合相似材料，结合多元信息测试手段，开展了围岩渗透破坏灾变演化规律的室内模型试验，研究了开挖扰动和渗流作用下岩体内裂隙扩展的时空演化规律，揭示了突水通道的形成过程及其微观作用机制。建立了一种裂隙导通渗流致灾的数值分析模型，采用多重物理量耦合分析数值模拟软件对裂隙网络连通渗流演化过程进行了数值模拟，研究了突水灾变过程中的裂隙导通突水演化过程。项目出版学术专著2部，发表学术论文23篇，授权软件著作权2项，研究成果获博士后创新人才支持计划优秀创新成果、河南省科技进步奖等三项。研究成果可为地下工程水害致灾机理及预警防控提供理论支持，对于指导深部突水灾害的预警、防治等具有广阔的应用前景。