水库诱发地震的裂隙岩体强动渗互馈演化机理研究

This project focuses on the mutual effect of complex rock mass and percolation, the opening and expansion of initial crack in multi-scale rock under the condition of hydraulic action, and the initiation and expansion of the new micro cracks, adopting test、theoretical analysis、numerical simulation and typical engineering case analysis, according to change of stress field and seepage field after reservoir water storage. This systematic study would explore the dynamic response mechanism of the saturated brittle media based on the rate effect and the multi-network structure evolutionary law of pore-fracture-voids in the rock mass, revealing mutation mechanism of unsteady seepage variation of rock mass under the action of strong dynamic and high permeability. Therefore the research aims at putting forward an analysis and prediction method of earthquake induced by reservoir impoundment and a high performance calculation method of the dynamic response of rock mass and high pressure percolation. This study has significant scientific and engineering influence on seepage and stress crossfeed of fractured rock mass and the prediction of reservoir induced earthquakes.

本项目拟采用试验、理论分析、数值模拟计算和典型工程案例分析相结合的手段，通过对水库蓄水后库区应力场和渗流场变化，研究复杂岩体和渗压互馈效应、水力作用下岩体的多尺度初始裂纹的张开与扩展、以及新生微裂纹的萌生、扩展等问题进行深入的系统研究，探索基于率效应的饱和脆性介质动力响应机制和岩体中孔隙-裂隙-空洞多重网络结构演化规律，揭示强动力与高渗压协同作用下岩体非稳态渗流变异机理，提出水库蓄水后诱发地震的分析预测方法和岩体动力响应与高渗压渗流互馈高性能计算方法，本项研究对于裂隙岩体地下水渗流与应力互馈演化理论和水库诱发地震的预测分析具有重要的科学和工程意义。

水库诱发地震(Reservoir Induced seismicity)始自上世纪，人类通过修筑各种水利工程来调节水资源在空间及时间上的不均衡分配，并以此控制和预防自然灾害的发生。水库水位变化引起的库区周围岩体中孔隙水压力的变化导致了库区周围断层的滑动，进而释放了能量，诱发了地震。含有大量裂隙的岩体渗流场因水库水头增加发生改变，导致岩体内孔隙水压增加有效应力下降，进而形成诱发地震。本研究通过室内试验、数值模拟及现场数据综合分析裂隙岩体在强动渗互馈过程中的演化机理。本研究完成了以下研究：利用多种扫描技术建立裂隙面多尺度数字结构构建，定量分析渗透率演化特征；依托基于渗流-应力耦合剪切试验建立多种边界条件与裂隙非稳定滑动的控制方程，揭示水力能量与裂隙错动释放地震能的机理；建立基于Cohesive单元建立多尺度岩体裂隙网络，定量讨论裂隙特征与诱发地震震级的关系。通过多尺度裂隙结构面扫描，揭示了裂隙面在强动渗互馈作用下矿物颗粒的损伤及磨蚀对裂隙渗透率的变化。构建了水力能量与地震能转化关系，为判断区域内水库诱发地震的最大震级提供了判断依据。建立了多尺度裂隙网络，补充了裂隙在动渗作用下启动失稳的机制，构建裂隙特征与岩体失稳释放地震能的关系。基于现场数据分析验证了室内试验及数值模拟得到的机理的合理性与有效性。