三维裂隙网络水-力耦合演化机制与数值模拟

本项目采用现场地质调查、室内试验、理论建模和数值分析相结合的方法，研究三维裂隙网络在水-力耦合作用下的演化过程与数值模拟方法。采用含贯通裂隙的岩柱试样进行结构面在不同荷载条件下的全应力应变水力耦合试验，揭示单条贯通裂隙复杂应力条件下变形与渗流的耦合机理；采用含非贯通裂隙的岩柱试样进行不同荷载、渗透压条件下的破坏试验，揭示水-力耦合作用下裂纹扩展演化机理以及裂纹扩展过程中渗透特性的演化规律；同时开展现场地质研究，发展和完善裂隙岩体三维地质结构面网络以及渗透网络的模拟方法；建立包括应力-应变、水体流动、非贯通裂隙扩展等过程在内的三维裂隙网络水-力耦合演化的数学模型，研发高效可靠的裂隙网络渗流-变形的数值求解算法及计算软件，并结合实际工程开展应用研究，为我国水电、交通、能源开发、核废料地质处置等工程岩体的渗控优化设计和稳定性分析提供理论支持。

相对于完整岩石而言，裂隙岩体内部地下水流动主要受裂隙及裂隙形成的空间网络所控制。本项目显式模拟大规模复杂裂隙，通过对Darcy定理进行延拓处理，建立了定义在复杂二维、三维裂隙网络全域上稳定/非稳定渗流问题的偏微分方程（PDE）提法，在数学上严格证明了定义在整个裂隙网络区域上水头势函数的两个基本属性。为了减小试探函数的选取难度和消除溢出点的奇异性，进一步提出了求解有自由面稳定渗流问题的椭圆型变分不等式提法，以及求解非稳定渗流问题的抛物型变分不等式提法，并给出了有限元数值求解格式。通过对含贯通、非贯通裂隙岩样在不同围压、不同渗透压条件下的水力耦合试验研究表明：随着围压的增大，应力应变曲线表现出了明显的由脆性破坏向延性破坏的转变；含裂隙岩石的渗透系数与围压密切相关，在不同围压条件下，渗透性在应力峰值后都发生了明显的突变，且随着应变的增大，渗透性逐渐升高，变化速率由快变缓，最后趋于稳定。根据试验成果和理论推导，发展了非贯通裂隙破坏的强度模型和细观破坏模拟的数值计算方法。.在上述研究基础上，采用改进刚块弹簧元法和离散裂隙网络模型（DFN），引入模拟裂隙萌生、扩展的破坏准则，建立了包括应力-应变、水体流动、裂隙萌生扩展等过程在内的复杂裂隙网络水-力耦合演化的数学模型，并研发了高效可靠的裂隙网络渗流-变形的数值求解算法及计算程序，研究成果可为我国水电工程、能源开发、核废料地质处置等工程岩体的渗控优化设计和稳定性分析提供理论支持。