Industrial Construction Vol.41，No.6，2011工业建筑2011年第41卷第6期115裂隙岩体渗流应力耦合机制研究张国玉1田晶莹1孙玉杰2王海超2（1.日照职业技术学院，山东日照276826；2．山东科技大学土木与建筑学院，山东青岛266000）摘要：隧洞开挖前，岩体中的地下水与围岩应力处于一种相对平衡状态，由于隧洞的开挖，一方面使地下水排泄有了新的通道，加速了水循环，破坏了原有的补给—运移—排泄系统的平衡；另一方面，造成围岩应力重分布，部分结构面由于增压而闭合，部分岩体卸荷松弛或产生剪切滑移，人为破坏了原有的地下水渗流条件，使得隧洞自身成为地下水向外排泄的地下廊道，导致突水灾害。

采用Monte-Carlo 方法建立二维离散裂隙网络，并将其导入UDEC 软件中的岩体结构离散裂隙网络介质模型（DFN ），依据此模型，采用离散单元法对裂隙岩体渗流特性、裂隙岩体洞室开挖力学特性以及裂隙岩体渗流应力耦合机制进行研究。

结合具体实例，对不考虑水力耦合和考虑水力耦合情况下在裂隙岩体中开挖洞室的洞周围岩的力学特性做了对比。

关键词：裂隙岩体；渗流场；应力场；耦合RESEARCH ON TRANSFUSION STRESS COUPLINGMECHANISM OF CREVASSE ROCK MASSZhang Guoyu 1Tian Jingying 1Sun Yujie 2Wang Haichao 2（1.School of Rizhao Polytechnic ，Rizhao 276826，China ；2.College of Civil Engineering and Architecture ，Shandong University of Science and Technoloqy ，Qingdao 266000，China ）Abstract ：Before a tunnel excavation ，the groundwater in the rock and the surrounding rock stress are in a state of relative balance ，because the excavation makes tunnel groundwater drain has a new channel ，thus accelerating the water cycle ，which destroyed balance of the original supplies-migration-the drainage system ；On the other hand ，the surrounding rock stress was redistributed and part of structural surface was closed due to pressurization ，part of unloading rock mass produced shear slippage ，which vandalized the original groundwater seepage condition ，thus making tunnel itself become an underground corridor to discharge water in different forms ，resulting in bursting water disasters．Monte Carlo method was used to establish 2-d discrete-fracture network ，which was input rock mass structure discrete fissure network medium model （DFN ），according to the model of the discrete element method in fractured rock mass seepage characteristics ，fracture rock cavern excavation mechanical characteristics and seepage stress coupling mechanism of fractured rock mass．Combined with concrete examples ，a comparison was done for cases of excavating caverns in fractured rocks with and without consideration of hydraulic coupling．Keywords ：the crevasse rock mass ；seepage field ；stress field ；coupling第一作者：张国玉，男，1979年出生，硕士。

E －mail ：90993979@qq．com收稿日期：2011－01－081渗流场与应力场的耦合作用在裂隙岩体渗流应力耦合分析中，最基本的是建立单裂隙渗流与应力的关系。

下面将以单裂隙渗流应力耦合中应力场对渗流场的作用以及渗流场对应力场的作用为重点内容展开论述。

1.1应力场对渗流场的作用从应力场改变地下水渗流场的影响作用机制来看，应力场主要改变的是裂隙结构面的隙宽。

由立方定律可知，裂隙面的渗流量与隙宽的三次方呈正比，隙宽的微小改变将引起渗流量的重大变化。

隙宽的大小受作用在裂隙面上的应力所控制，因此在探讨裂隙渗流特性时，必须考虑应力作用的影响。

以前考虑较多的是正应力对渗透性的影响，一般通过试验总结出岩体渗透性与应力之间的经验公式。

孔隙水压力变化会引起有效应力的变化，明显地改变裂隙张开度、流速和水压力在裂隙中的分布，裂隙渗流量随裂隙正应力增加而降低很快，进一步研究发现应力－渗透曲线有回滞现象。

随着卸载次数的增加，裂隙渗透性能降低，经过几次加卸载循环后，岩体的应力－渗透性曲线基本稳定。

据此有关学者提出了诸多的经验式来描述岩体渗透性随应力的变化［1－6］。

但这些公式都是在特定条件下得出的，尚要进一步验证才可应用推广。

由于裂隙剪切变形伴随有剪胀，同时也可能使裂隙面粗糙突起剪切掉，使裂隙面粗糙度和水力特性发生改变，因此剪应力对其渗透性的影响也不可忽视。

文献［3］对剪切变形与渗流耦合进行了试验探讨，结果发现：在不同应力作用下裂隙面由于剪切变形会使渗流量发生先减少（相应于剪缩），后来又增大（相应于剪胀）的变化。

从而得出裂隙面剪切变形对渗透系数的影响取决于裂隙面的几何形状、剪切位移和法向应力的大小。

文献［7］通过对规则、均匀和粗糙裂隙的渗流剪切试验，结合裂隙面受剪时的力学机理，研究了岩体裂隙在剪切荷载作用下的渗流特性，并对裂隙剪缩阶段过流能力的变化进行探讨。

试验结果表明，剪切荷载作用下，裂隙在剪切荷载作用下渗透性随剪应力的增加而降低，且渗透系数与剪应力有十分明显的线性关系。

天然裂隙具有复杂的物质成分、结构构造及物理力学特性，特别是在高应力下的水力特性更加复杂，这无疑给数值模拟带来了相当大的困难。

目前，单裂隙渗流与应力耦合的研究还远未达到令人满意的程度。

在数值模拟方面，应特别关注裂隙在复杂应力环境下的力学特性和水力学特性变化，岩体在复杂应力环境下产生塑性变形，被压碎或被碾磨，裂隙面附近的岩块也可能产生微裂隙。

因此单裂隙渗流应力耦合不应只是对立方定律的简单修正，应进一步考虑裂隙面的塑性变形，沟槽流现象及一些随机因素的影响。

1.2渗流场对应力场的作用裂隙岩体中渗流场的变化及地下水的作用（包括化学潜蚀作用、物理弱化效用和力学作用等）会引起应力场环境发生相应变迁，导致裂隙岩体的渗透变形，这种变形过程具有一定的时效性，表现在：1）地下水对裂隙结构面的物理化学作用，逐渐地减弱裂隙岩体的物理力学性质；2）地下水通过力学作用，对裂隙岩体中的结构面产生扩展作用。

2裂隙岩体渗流应力耦合数值模拟地下水在岩体裂隙中流动，在节理中具有流速与孔隙压力，会对裂隙周围岩块中应力场产生影响，使得围岩应力发生重分布，进而影响地下洞室稳定性。

本部分采用离散单元法进行固/液全耦合分析，研究地下水作用下裂隙岩体地下洞室所表现出来的力学性质及规律。

2.1几何模型地下洞室形状为马蹄形，隧洞宽4m，高7m，地下洞室顶拱中心距离地表300m。

根据相关理论研究成果，取数值模拟模型几何尺寸边长各为44m处进行数值模拟。

2.2水力学参数、物理力学参数、初始条件及边界条件此处假定存在于裂隙岩体裂隙中的流体为水，并采用实验室测得的常用水力学参数进行数值分析，使得计算与分析结果具有一定的普遍性。

水力学参数：流体密度ρ=1000kg/m3；节理渗透系数kj=2.38ˑ108m/s；节理一零法向应力时的初始水力开度azero=0.002m；节理一残余水力开度ares=0.0004m；节理二零法向应力时的初始水力开度azero=0.004m；节理二残余水力开度azero= 0.0005m。

岩体基本物理力学参数如表1。

表1基本物理力学参数Table1Basic physical mechanical parameters参数名称重力密度/（kN·m－3）颗粒密度/（g·cm－3）块体密度/（g·cm－3）吸水率/%饱水率/%饱水系数相对密度总孔隙率/%数值26 27 2.5 2.8 2.3 2.80.1 4.00.840.55 2.5 2.80.4 0.5由于地下洞室埋深于地下，因此可以假定地下水位在地下洞室之上，相当于整个模型都被“浸”在水中。

基于该假设，在模型四个边界上施加相应量值的静水压力，且静水压力沿竖直方向线性增加。

同时在模型中施加天然孔隙水压力，与边界水压力相平衡，以真实模拟地下水在裂隙岩体中的存在状态。

由于该部分主要是进行裂隙岩体渗流与应力耦合的数值模拟，进而对比考虑该耦合作用开挖地下洞室与不考虑耦合作用开挖地下洞室对裂隙岩体地下洞室围岩稳定性的影响。

因此，此处只关注引入水力环境前、后两个状态的差别，不关注地下水在裂隙岩体中的实时流速。

采用稳定流动计算模式，分析地下水在裂隙岩体中的流速场、孔隙水压力场以及存在于裂隙中的地下水对其周围围岩产生的应力场及位移场的影响。

116工业建筑2011年第41卷第6期裂隙岩体渗流应力耦合机制研究———张国玉，等117 2.3地下洞室开挖前应力场的形成取地下水位距地下洞室顶拱中心的距离300m，在开挖地下洞室前，令模型在天然地基应力场、重力场与孔隙水压力场作用下固结，经过迭代计算平衡后，得到模型的应力场（图1）。