基于岩层裂隙水渗流和泥沙作用分析的地震水力响应模型研究

地震作用会引起地下水的运动和重新分布，而渗透率较高的裂隙中水流运动更为明显，是地震水文观测数据变化的主要来源。裂隙导水性能也是水库诱发地震参数中水流路径和孔隙水压的先决条件。但地层原生和次生裂隙形状和分布千差万别，加之其中泥沙的疏堵作用，这为地震水文的精细观测带来困难。本申请拟将裂隙岩体渗流理论与地震水力响应分析相结合，通过岩样振动破坏次生裂隙预测、裂隙岩样渗透性测试，沙粒运移影响裂隙水渗流相似模拟试验，含沙裂隙渗流模型建立和理论分析，以及结合现场水文地质资料的理论模型修正和数值模拟等，在正确揭示与地震监测预测有关的地层裂隙水渗透和泥沙作用规律基础上，建立并完善地震水力响应分析模型，为更准确地开展地震水文预测分析实践提供科学依据。

课题从岩层裂隙水渗流和泥沙作用分析视角研究了地震水力响应的发生发展规律。涉及内容包括国内外相关工作的深入调研、研制振动惯性加载装置和多功能岩体裂隙渗流试验系统、测试裂隙试样振动破坏特性和振动／含沙／偏流渗透特性、建立含沙渗流／振动渗流／裂隙组合渗流模型、建立裂隙渗流流固耦合方程和随机有限元数值解法、开发流固耦合随机计算程序、开展地震远场井水位的阶变和缓变规律实践分析研究等。结果表明，随着裂隙倾角的增大，破裂形式从I型向II型过渡，裂隙起裂和扩展能力降低，组合裂隙的扩展方向沿着动荷施加的方向；泥沙一般沉积在进水端一侧，试验开放形式下泥沙作用减少渗透率10%以内；不排水振动渗透率越来越小，排水振动渗透率越来越大，小振幅范围内振幅增加减少渗透率，较大振幅范围内振幅增加反而增加渗透率；隙宽相同时，主裂隙水量明显大于支次裂隙；隙宽不同时，水流主要向宽裂隙方向流动；主裂隙宽度小于次裂隙时，存在使主支裂隙流量相等的非零水头，偏流效应明显；渗流速度的变异量主要由渗透系数变异性引起，相关偏度增大，水头和应力的变异程度增大并逐渐趋于稳定；地震后发生阶降响应的远场观测井一般距离裂隙进水处较近，而发生阶升响应的观测井存在于沉积物区域和裂隙出水口附近；随着裂隙对颗粒阻碍作用的提高，发生最大阶升观测井的位置逐渐向裂隙进水位置移动，且出现阶升响应的观测井所占比例增加；分析得出的“V”字型或倒“V”字型地震远场井水位缓升和缓降响应模式与实测资料基本一致。