基于裂隙岩体裂隙面三维形貌参数的渗流本构关系研究

The joint surface roughness, contact area, normal and tangent deformation of jointed rock have significant influences on fluid flow through rock joints . In most of existing studies, linear parameters of joint surface were usually used to characterize its three dimensional topography. However, their capability to represent the real characteristics of three dimensional topography is quite limited. In many cases, it is incorrect. In order to improve the confidence level of seepage model and hence improve the accuracy of engineering prediction, this project aims at developing a constitutive model for fluid flow through rock joints using three-dimensional topography parameters of joint surface. In detail, centering on three-dimensional surface topography parameters of rock joint surface and considering the impact of three-dimensional cavity structure between two joint surfaces on fluid flow, this study is to be carried out by using combined research methods of laboratory experiments, theoretical analysis and numerical simulation to reveal the coupled hydro-mechanical behavior of jointed rock and also the damage evolution of three-dimensional topography parameters of joint surface. At last, the developed flow model for fluid flow through rock joints is to be implemented into commercial softwares, UDEC and 3DEC, by VC++ programming.

裂隙岩体裂隙面粗糙度、接触面积、法向及切向变形等因素对裂隙岩体的渗流规律有着重大的影响。在裂隙岩体渗流-应力耦合特性及机理上，目前大多研究都是用线性的裂隙面形貌参数来表征裂隙面三维的几何特征，其有很大的局限性，在很多情形下是不准确的。为提高裂隙岩体渗流预测模型的置信度和工程预测的准确性，本项目紧紧围绕裂隙岩体裂隙面三维形貌参数，考虑单裂隙裂隙面间空腔的三维空间结构对渗流的影响，综合运用室内试验，理论分析和数值模拟相结合的研究方法，开展不同三维形貌参数下裂隙渗流-应力耦合的试验研究，揭示裂隙面三维形貌参数对裂隙岩体渗流规律的影响及其在应力耦合作用下的损伤演化规律，最终建立基于裂隙面三维形貌参数的裂隙岩体渗流本构模型。最后，通过VC++编程将建立的基于裂隙面三维形貌特征的渗流本构模型嵌入到UDEC和3DEC之中。

裂隙广泛存在于自然地质岩层中。即使在完整性相对较高的岩层中，伴随着工程应用开挖造成的应力释放和地应力的重新分布，开挖空间周围岩体也会产生不同程度的破裂损伤。当流体流过裂隙时，流体的流动规律受到了裂隙岩体裂隙面的表面起伏程度，接触面积，法向和切向变形等因素的重大影响，因此，对裂隙面形貌，接触状态的研究是本研究的关键问题之一，如何表征这种三维裂隙面形貌对推动裂隙岩体渗流-应力耦合的研究有重要的意义。为了很好的表征裂隙表面形貌，仅仅停留在二维的角度和使用一些线性的参数存在很大的局限性，因此，采用三维形貌参数来表征裂隙面的三维几何特征是解决这一问题比较有效的途径。通过开展裂隙岩体渗流-应力耦合实验，阐释了流体在不同应力状态下流动的理论基础，揭示了裂隙面粗糙度对流体流动影响的内在机理；通过裂隙面三维空间形貌对渗流影响的微观研究，更加全面细微地阐明流过裂隙面时受裂隙面不规则凸起，凹陷及接触面积的影响；基于裂隙面形貌参数建立了裂隙岩体渗流本构模型。形成的主要研究成果主要有以下几个方面：①选择了天然的与手工形成的裂隙岩体作为实验的研究对象，在数字化裂隙面的基础上形成了直观的裂隙面表面伪视图与三维视图，确定裂隙面的表面形貌参数。②自主设计和制造了三轴流固（岩石-气-液）耦合实验模块，然后对重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家实验室三轴蠕变仪器进行了改装，实现了该仪器三轴岩石-气-液耦合实验工程，运用该系统开展了匹配与非匹配的单裂隙岩体水力应力耦合流体输运实验，分析了应力对流体输运的影响，揭示了裂隙岩体水的流动规律和控制方程。③通过微流体技术研究流体流过裂隙面局部形貌时流动路径和流动形式的变化，分析流体流过裂隙面形貌时流阻的变化和不同流速下流体流过裂隙面局部形貌时流体粘性与惯性表现，进而在微观尺度上描述裂隙面空间形貌对渗流的影响。④基于裂隙面三维形貌参数，建立了流体流过裂隙面时的流阻经验公式，确立了渗流本构方程，最后将其嵌入到流-固耦合计算模块中，实现了数值模型的计算。本课题研究很好地表征了裂隙表面的三维形貌，这对裂隙岩体渗流-应力耦合的研究有重要的意义；基于裂隙面三维形貌参数的裂隙岩体渗流的本构关系的建立，能够提高裂隙岩体渗流预测模型的置信度和工程预测的准确性。