考虑裂隙剪胀特性的裂隙岩体水力耦合机理研究

裂隙剪胀是连接岩石节理力学特性和渗流特性的一个重要性质。剪胀效应受到岩石材料特性、裂隙表面粗糙度、边界条件、荷载条件等的影响，其自身又控制着节理力学开度的变化，对裂隙的渗流特性产生直接的影响。本项目拟通过一系列的物模试验，研究岩石裂隙变形特性和剪胀条件下的岩石裂隙渗透特性演化规律；借助可视化试验技术和多物理场耦合分析方法，分析流体的流线、沟道效应、粒子移动特性等及其对裂隙水力开度的影响规律，细观研究裂隙渗透特性的影响因素；结合数学、力学理论，系统分析法向荷载和切向荷载作用下岩石裂隙水力耦合机理，建立基于剪胀特性的裂隙剪切渗流耦合模型及理论，使其既能反映裂隙的剪切变形特性，又能从裂隙变形特别是切向变形的角度来解释剪切应力与渗流的耦合作用规律及描述方程。这将有助于明确和完善裂隙岩体渗流与应力耦合特性和规律，为实际工程的稳定和安全提供一定的指导依据。

由于裂隙介质剪切变形的复杂性，虽然一些学者在这方面进行了一些初步的实验研究，但由于实验条件的限制，其研究成果大多是一些定性的结论，还不能对裂隙的应力渗流耦合机理，特别是裂隙剪胀和渗流的耦合机制进行合理的解释。建立基于变形特性的裂隙剪切渗流耦合模型及理论，使其既能反映裂隙的剪切变形特性，又能从裂隙变形特别是切向变形的角度来解释剪切应力与渗流的耦合作用规律及描述方程。在剪切过程中，裂隙面变形受到材料特性、裂隙表面粗糙度、边界条件、荷载条件等的影响，其自身又控制着节理力学开度的变化，对裂隙的渗流特性产生直接的影响。本项目根据项目研究的既定技术路线，通过一系列的裂隙变形试验和裂隙渗流应力耦合试验，结合数值模拟和理论分析，重点研究了基于裂隙剪胀特性的岩石裂隙渗流应力耦合机理及描述评价方法，建立了考虑剪胀特性的节理面水力耦合模型及其演化规律的描述方程。基于项目研究成果发表SCI检索论文6篇，EI检索论文11篇，授权发明专利3项，实用新型专利5项，按计划完成了既定研究内容和任务，达到了预期研究目标。.项目负责人联合试验机生产厂家成功研制了JAW-600型岩石节理面剪切流变-渗流耦合试验系统并进行了优化，提出了新型试验方法及其可视化试验过程。试验机应用特殊的加载和密封技术，能够在高渗透压力和高应力条件下进行水力耦合试验。利用类岩石材料预制不同粗糙程度的规则节理面和自然断裂节理面，进行了不同边界条件和应力条件下的剪切渗流耦合试验研究。基于颗粒离散元法软件PFC开展了岩石节理面剪切破坏细观机理研究，分别从宏观和细观角度深入探讨了节理在不同边界条件下剪切过程中的力学演化规律和破坏机制；提出了一种新型粗糙节理面随机强度模型，并开展了应用研究；考虑粗糙节理面的分形特征，提出了节理面渗流计算模型，实现了节理面接触面积、节理开度和节理面分形维数的良好耦合，能更为全面地描述粗糙节理面的渗流特性，具有较好的适用性；采用有限元软件Comsol Multiphysics软件模拟粗糙裂隙中的流体流动问题，在得到流场的基础上增加溶质运移计算模型，研究溶质随着流场流动在粗糙裂隙中的运移过程；最后，基于节理面应力渗流耦合模型和离散介质流固耦合理论，以我国首个大型地下水封石油洞库工程为背景，开展了地下石油洞库水封性和稳定性评价。