岩体多场耦合理论

岩体多场耦合理论•基本定义•岩体渗流、应力耦合模型对比•深部岩体温度、应力和渗流耦合模型研究基本定义•多场是对岩体应力场、渗流场和温度场等的简称。耦合通常指复杂系统中子系统之间的相互作用和相互影响。因此，多场耦合是指岩体应力场、渗流场和温度场等之间的相互作用和相互影响。•岩体多场耦合研究以岩体为研究对象；以岩体地质特征及赋存环境研究为基础，以室内外试验、数值模拟为主要研究手段；以岩体的应力和变形、地下水和其他流体在岩体介质中的运动、地温及化学场之间的相互作用、相互影响为主要科学问题；以揭示多场耦合条件下岩体变形破坏、流体运动、岩体稳定性的状态和演化规律为主要研究目标。岩体多场耦合研究涉及工程地质、固体力学、流体力学、化学与环境、工程技术等多个学科，明显地具有多学科交叉研究的性质。岩体渗流、应力耦合模型对比耦合模型基本理论优点缺点等效连续介质模型在等效连续介质模型中，裂隙介质被假定为具有足够多数目和相对密集的随机产状、相互连通的裂隙，以使在统计的角度和平均的意义上定义岩体每个点的平均渗透性质成为可能。不必知道每条裂隙的几何特性和渗透特性，只需确定岩体中主导裂隙几何水力参数的统计值，并且由于该模型在理论值和数值求解方法上均可借鉴发展已较为成熟的岩土类多孔介质模型，使用方便，应用广泛。把裂隙岩体等效为连续介质，不能真实地刻画裂隙的主体导水作用，也不能得出裂隙中真实的渗流状况，对于非饱和渗流，毛细压力的变化会导致等效渗透系数张量的渗透主轴变化等。裂隙-孔隙双重介质模型认为裂隙是流体主要传输通道，其渗透性比岩块多孔基质的渗透性大得多；岩块是流体的主要储存空间，其孔隙度比裂隙的孔隙度大得多，因此在岩体渗流中，岩块基质中的孔隙主要提供流体的储存空间，而裂隙主要提供流动通道，形成两个彼此独立而又相互联系的水动力学系统，其间通过岩块孔隙和岩体裂隙的流量交换相联系。考虑了裂隙系统孔隙性差而导水性强和岩块孔隙系统孔隙性好而导水性弱的特点，更接近于工程实际，较实用于地形陡峻、无风化壳或风化带较薄等非稳定流分析时必须考虑岩块调蓄作用的情况。在建立裂隙—孔隙水力交换方程时，交换量难于准确确定，而其准确性又直接影响到模型的精度；对于复杂的裂隙—孔隙系统，模型模拟的工作量大，需要做出相当的简化和假定，这使得模型的应用受到限制。耦合模型基本理论优点缺点裂隙网络模型裂隙网络系统完全忽略岩块的渗透性，认为流体由一个裂隙流向下一个与之相交的裂隙，只考虑裂隙的导水作用，岩体被视为简单的裂隙网络介质，整个裂隙岩体的渗流行为由裂隙决定。1、需要明确研究域中全部有限裂隙的几何参数；2、在裂隙网络模拟后，裂隙之间的空间几何交割计算和拓扑关系的确定比较困难；3、完全忽略了岩块对渗流的影响，与实际情况不相符；4、各种各样裂隙中的渗流行为也有差异。裂隙网络混合模型对主干裂隙按离散介质处理，应用离散裂隙网络；对次要裂隙和岩石孔隙按连续介质处理，应用等效连续介质；根据两类介质接触水头连续及流量平衡原则建立耦合求解方程。1、应用等效连续介质和裂隙网络模型分别刻画次要裂隙、孔隙水中的水流动和主干裂隙中的水流动，反映了裂隙的特殊导水作用，又体现了岩块的储水作用，和其他模型相比更接近于工程实际；2、由于众多的次要裂隙多以等效连续介质概化处理，而主干裂隙数目相对较少，操作性强。1、模型中两类介质接触处的水量交换难以确定；2、由于描述连续介质和离散介质区域的水流运动方程不同，模型的处理带来了很多不便。随机渗流模型随机渗流模型认为可将研究域内试验获得的几何分布参数和水力特征参数作为随机变量进行误差处理，进而考虑渗流场分布的随机性。国内研究较少深部岩体温度、应力和渗流耦合模型研究•温度对岩体渗透率的影响温度在开始升高时，渗透率增加缓慢；当升高到一定温度后，渗透率升高的速度迅速增大，这一温度即为门槛值。超过门槛值温度之后岩石的渗透率随温度的升高而迅速增加。•应力对岩体渗透率的影响在应力作用下裂隙岩体的变形主要是通过有效隙宽的变化而发生改变，裂隙的变形特性决定了岩体裂隙在应力作用下有效隙宽的变化规律，有效隙宽的变化使裂隙岩体的渗流特性发生相应的变化。•渗流、应力和温度之间相互作用深部岩体开挖过程中岩体周围中的应力场、渗流场和温度场是相互作用和相互影响的，具体表现在：（1）岩体渗流的存在，将使渗透水流与岩体系统中的热量传递与热交换，影响了岩体温度场的分布；（2）岩体中温度场的改变，将引起水的粘度和岩体渗透系数的改变，还会由于温度梯度的存在引起水的运动，影响岩体渗流场的分布；（3）应力的变化将导致有效隙宽的变化，隙宽的变化将影响岩体的渗透性。a表示渗透水流对岩体固相的力学作用；a'表示应力引起裂隙岩体空隙率和渗透特性变化；b表示岩体固相力学变形引起热力学特性变化及岩体固相内部热耗散；b'表示温度引起热应变及与温度有关的岩体固相力学特性变化；c表示温度势梯度引起水分运动及与温度有关的水特性变化；c'表示水流的热对流及与岩体固相的热交换。数值解法1定解条件2本构方程3边界条件3.1力学边界条件3.2水力边界条件3.3热边界条件4初始条件裂隙岩体渗流场、应力场与温度场完全耦合作用的研究表明：裂隙岩体渗流场、应力场和温度场之间的耦合作用通过地下水的渗流运动、裂隙岩体的变形及热量的转移得以实现，即当裂隙岩体内发生地下水的渗流、裂隙结构面的变形及热量的转移时，会产生渗流场、应力场与温度场之间的耦合作用。