深部洞室围岩裂隙网络重构和模拟技术及其演化致灾机理研究

Fracture network of rock mass has small-world characteristics, and its spatial distribution pattern is the key to study the permeability and stability of rock mass. Based on fractal theory and 3D printing technology, this project combines theoretical analysis, indoor test and numerical simulation, and focuses on the geometric distribution characteristics and evolution mechanism of fracture network of surrounding rock with the Jinping II water diversion tunnel and underground laboratory cavern group as its background engineering. Firstly, the complex three-dimensional fracture network model of rock mass with fractal characteristics is reconstructed using micro- and mesoscopic observation ways; Subsequently, the mechanical properties of the fractured rock mass under high stress and variable water pressure environment are tested to explore the occurrence state of fracture structure and ground water of rock mass under high geostress condition and its quantitative characterization method; Finally, the stochastic simulation technology of the fracture network of rock mass is developed by integrating field borehole video data. In addition, with the finite element/discrete element coupling method, the numerical model that can more truly reflect the characteristics of fracture structure in rock mass is constructed. The damage evolution law of rock mass in the process of regional stress adjustment is systematically analyzed. The non-linear deformation characteristics of deep surrounding rock under load, the spatio-temporal evolution law of fracture seepage and the disaster-causing mechanism are revealed. The research results can provide theoretical foundation and technical support for the safety assessment of underground cavern group.

岩体裂隙网络具有小世界特性，其空间分布格局是研究工程岩体内部渗透性及其稳定性的关键。本项目以锦屏二级引水隧道与地下实验室洞室群为背景工程，基于分形理论和3D打印技术，综合采用理论分析、室内试验和数值模拟相结合的方法，紧密结合深部隧洞围岩裂隙网络几何分布特征及演化机理这一关键科学问题展开研究。首先，采用微细观观测手段，重构具有分形特性的复杂三维岩体裂隙网络模型；接着，开展高应力变水压环境下裂隙岩体力学特性三轴试验，探究高地应力条件下岩体裂隙结构与地下水的赋存状态及其定量表征方法；最后，融合现场钻孔摄像资料发展岩体裂隙网络参数的随机模拟技术，并采用有限元/离散元耦合法构建能较真实反映岩体内部裂隙结构特征的数值模型，系统分析区域应力调整过程中岩体的损伤演化规律，揭示深部围岩受载非线性变形特性、裂隙渗流时空演化规律及突变致灾机理。研究成果可为地下洞室群的安全评估提供理论指导和技术支持。

随着西部大开发战略的实施，一大批水利水电枢纽工程建设正在或即将在我国西南地区密集展开，大埋深、高地应力是该地区地下洞室群的最大特点。深部工程岩体处于三向高应力状态，呈现出与低应力时不一样的变形强度特性，深入开展深部赋存环境下岩体裂隙网络结构特征的研究，并揭示其时空演化规律，具有重要的科学意义和较高的工程应用价值。..在过去的三年中，项目组较好地完成了计划书中所规定的研究内容和目标，同时还对某些与此项目相关的理论和方法做了深入探索（如三轴压缩下大理岩试样内部能量演化规律、考虑水力耦合效应的非线性渗流理论模型等），取得了对国民经济尤其是我国土木水利等工程建设具有重要应用价值和指导意义的研究成果。首先，项目组结合微CT扫描和3D打印技术，重构出含有与天然大理岩内部裂隙信息一致的三维实体，阐释了试样的三维重构过程，并通过试验对比分析了不同试验条件下岩样的断裂破坏模式，完成了第一个研究目标。接着，项目组开展了大量的高精度渗流测试，观测了典型水力耦合效应和惯性效应导致的非线性流动行为，并构建了考虑渗透压与初始围压变形的一种统计损伤本构模型，完成了第二个研究目标。最后，项目组对大理岩进行矿物成分测定、单轴压缩和不同预压水平下核磁共振（NMR）测试，分析了大理岩在受载过程中其内部孔隙分布的多尺度特性、多重分形结构特征和孔隙结构自身演化规律，并基于离散元程序，数值考察了真三轴条件下大理岩的力学行为，揭示了中主应力对峰值强度、弹性模量、破坏角和破坏模式演变的影响，完成了第三个研究目标。..该国家自然基金项目取得的研究成果有：迄今正式发表学术论文24篇，均带有“资助标注”字样。其中，国际期刊或国际会议论文9篇，已被SCI/EI收录论文16篇；申请国家发明专利3项；培养博士研究生4人、硕士研究生6人，均超过了项目申请书中预定目标。