剪切作用下岩体单裂隙辐射流渗流应力耦合机理研究

Fractures are the main flow channels in rock masses. The interactions always exist between the seepage and stress fields in fractured rock mass, so research on coupled seepage and stress in rock mass has the theoretical value. The combined methods of the theoretical analysis, lab tests, inverse analysis and numerical analysis are employed in this proposal to investigate the coupled seepage-stress mechanism in fissured rock mass. First, lab physical tests of any single fissure samples are carried out to analyze the influence of rough surface of fissures,.aperture, seepage pressure, shear force and normal force on the radiation flow characteristics. The coupled seepage-stress mechanism is established in single fissure with radiation flow. Then the procedure is developed for numerical simulation to seepage-stress analysis of fissured rock mass. Based on the tests results, the inverse analysis is carried out to obtain the equivalent permeability coefficient and the equivalent fissure opening. The more numerical tests are also carried out to investigate the coupled seepage-stress mechanism in fissured rock.mass. The case study is also done for numerical analysis of coupled seepage and stress fields and stability of the real high dam foundation rock mass. The research achievements can provide the theoretical foundation and technical support to the construction for civil engineering, hydraulic works, tunnel excavation, wastewater infiltration.

裂隙是岩体渗流发生的主要通道，裂隙岩体渗流场和变形应力场处于动态的相互作用之中；进行裂隙岩体渗流应力耦合研究具有重要的学术意义。拟采用理论分析、试验研究、反演分析、数值试验等相结合的方法对裂隙岩体渗流应力耦合机理进行研究。首先进行多组试样剪切作用下岩体单裂隙辐射流渗流应力耦合的室内物理试验，研究裂隙粗糙面、开度、渗透压力、剪切力和法向力等因素对裂隙岩体渗流特性的影响规律，以及渗流场参数对岩体变形和应力的影响规律；从而揭示单裂隙辐射流渗流应力耦合机理。开发裂隙岩体渗流应力耦合数值试验程序，结合物理试验结果反演确定等效渗透系数和等效裂隙宽度等相关参数，采用数值试验方法进行不同工况下裂隙岩体渗流应力耦合模拟研究，进一步完善单裂隙辐射流渗流应力耦合机理。并进行实际高坝工程基岩渗流应力耦合与安全稳定性数值分析。研究成果可以为水利水电工程、土木工程、地下工程、环境工程等相关领域提供理论基础与技术支撑。

采用理论分析、试验研究、反演分析、数值试验等相结合的方法对裂隙岩体渗流应力耦合机理进行了系统研究。通过剪切作用下岩体单裂隙辐射流渗流物理试验和数值模拟研究，得出复杂应力状态下单裂隙辐射流渗流特性；并推导出单裂隙辐射流流量新公式。通过单裂隙辐射流渗流试验装置对人工裂隙进行不同法向荷载下渗流试验，分析了法向应力和渗流压力对渗流量的影响机理：不同法向应力下渗流量与入渗水头近似呈线性关系，水头损失百分比曲线呈现先增大后减小的规律。在常法向应力条件下，对规则齿结构面在完全咬合和非完全咬合状态下进行了剪切-渗流耦合试验，分析裂隙强度变形规律。利用新推导的辐向流立方定理公式，分析了完全咬合状态下不同水压作用时裂隙的渗流规律；通过剪切作用下岩体单裂隙辐射流渗流物理试验和数值模拟研究，得出复杂应力状态下单裂隙辐射流渗流特性。进行了人工石膏试样粗糙单裂隙辐射流在高水头作用下的流量非线性规律、渗流应力相互作用规律研究。 进行了各种工况下人工石膏试样光滑、粗糙单裂隙辐射流在不同法向力和高水头压力作用下剪切过程中流量非线性规律、渗流应力相互作用规律等的一系列物理试验和理论、数值模拟研究。并进行了本基础研究项目部分成果的一些推广和工程应用研究，包括：鲁地拉水电站坝区岩体渗透系数反演和复杂渗控系统性能评价、清原抽水蓄能电站排水和渗控系统模拟分析、江村沟垃圾填埋场土水特征曲线和饱和-非饱和渗流分析、引汉济渭秦岭隧洞突涌水原因及涌水量预测、岩体裂隙网络渗流场与温度场耦合分析、尾矿坝和面板堆石坝渗流与稳定等等。研究成果对裂隙岩体渗流应力耦合机理这一科学问题的解决做出了贡献。开发出渗流应力耦合分析软件3D-Seepage-Stress；出版学术专著1部，发表学术论文22篇，其中SCI收录论文14篇；授权发明专利1项；项目4年期间培养博士毕业生2名，硕士毕业生5名。