单裂隙岩体水-力耦合数值分析.pdf

DOI：10.13876/J.cnki.ydnse.230007第 43 卷 第 1 期2024 年 3 月延安大学学报（自然科学版）Journal of Yanan University（Natural Science Edition)Vol.43 No.1Mar.2024单裂隙岩体水-力耦合数值分析高俊义1，师延东2（1.延安大学 建筑工程学院，陕西 延安 716000；2.延安圣世华石业有限责任公司，陕西 延安 716000）摘要：随着地下工程的不断发展，诸多地下工程在水-力耦合作用下发生失稳破坏，裂隙岩体水-力耦合一直是国内外学者研究的热点问题。基于单裂隙岩体水-力耦合概念模型，应用离散元程序计算分析裂隙水压强、岩体应力对裂隙渗流场和岩体位移场的影响。计算发现：模型约10 s后达到稳态，节理流体形成从左向右的渗流场，节理入口处流体压强与节理流体压力梯度成正相关；节理岩体位移主要形成从节理入口处向其周边辐射的位移场，节理入口处流体压强与节理岩体位移梯度成正相关；节理岩体水压主要形成从节理中部区域处向其周边辐射的水压场，岩体顶部施加向下应力与节理水压梯度成正相关。研究结果对解决地下工程水-力耦合问题具有一定的科学意义和工程价值。关键词：单裂隙岩体；水-力耦合；数值分析中图分类号：TU45 文献标识码：A 文章编号：1004-602X（2024）01-0116-05裂隙岩体水力耦合在地下资源开采、高放废物地质处置、地热能开发、深埋水工隧洞建设、二氧化碳地质封存等诸多地下工程中得到广泛应用，故开展裂隙岩体水力耦合分析研究具有重要的科学意义和工程价值。近年来，诸多学者开展了节理岩体水力耦合研究。张英 1 开展了水-力耦合作用下裂隙岩体渗流规律与突水机理研究；姚池等 2 开展了复杂裂隙岩体水-力耦合模型及溶质运移模拟；陈云娟等 3 研究了水力耦合作用下裂隙岩体破裂扩展及声发射能量损伤规律；邬爱清等 4 进行了现场裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统研制与应用；熊祎滢等 5、董惠等 6 以及张英等 7 开展了水力耦合作用下裂隙岩体变形破坏机制研究；杨磊等 8 开展了水力耦合作用下岩体三维裂隙的起裂扩展模式研究；LIU等 9 开展了基于损伤和摩擦耦合效应的两步均匀化裂隙岩体渗透率模型研究；徐则民等 10 开展了基于水-力耦合理论的超深隧道围岩渗透性预测；赵延林等 11、朱其志等 12 开展了水-力耦合作用下裂隙岩体模型试验研究；杜万军等 13 开展了单裂隙辐射流节理面破坏过程水-力耦合研究；袁梅等 14 开展了水-力耦合对含瓦斯煤渗透率影响的试验研究。综上所述，裂隙岩体水力耦合数值分析研究虽然取得了一定的成果，但是单裂隙岩体水-力耦合的基础模型探究的报道较少。鉴于此，开展单裂隙岩体水-力耦合数值分析工作显得十分必要。本文首先采用离散元程序构建了裂隙岩体流体单纯渗流模型、裂隙岩体渗流应力对岩石变形影响模型、岩石应力对裂隙变形影响模型；然后，在3种计算工况下，计算分析裂隙岩体流体单纯渗流模型、裂隙岩体渗流应力对岩石变形影响模型和岩石应力对裂隙变形影响模型；最后，根据计算结果对比分析，揭示水力耦合对岩体变形影响的规律。1模型算例考虑单裂隙岩体水-力耦合数值分析的计算模型，其尺寸（长宽高）为：2 m2 m2 m，模型假定收稿日期：2023-01-05基金项目：陕西省自然科学基础研究计划资助项目（2022JM-140）；延安大学产学研合作培育项目（CXY2021-14）；延安圣世华石业有限责任公司项目（YSS2022-03）作者简介：高俊义（1984），男，山西临县人，延安大学讲师，博士。第 1 期高俊义 等：单裂隙岩体水-力耦合数值分析岩体上、下中间水平方向存在一条节理。模型开展节理单纯渗流应力模拟分析、节理渗流应力对岩石变形模拟分析、岩石应力对节理变形模拟分析。计算模型的网格划分如图1所示。工况1分析裂隙岩体单纯渗流应力对节理面应力场影响，节理入口流体压强分别为5、6、7 MPa，节理开度为10-4 m；工况2分析裂隙岩体渗流应力对岩体位移的影响，节理入口流体压强分别为11、12、13 MPa，右侧压强保持为0，节理开度为10-4 m，并在模型中设置了10 MPa的初始各向同性应力，边界z方向自由，其余固定；工况3分析岩体应力对节理应力场和岩体位移的影响，零应力节理开度为10-4，剩余节理开度为10-15 m，最大水力开度为1 m。裂隙岩体水-力耦合计算的相关参数根据常规取值如表1所示。2结果与分析2.1单纯渗流节理渗流场和水压场模型达到稳态时，节理渗流场和水压场如图2所示。由图2知，3种工况下，流体在节理中均遵循着从左向右的流动规则，故节理形成了从左向右的渗流场。节理入口处5 MPa流体压强下，节理中流体压力从左向右逐渐减小，直到节理出口处流体压力为0，此时流体的压力梯度为2.5 MPa/m；节理入口处6 MPa流体压强下，节理中流体压力从左向右逐渐减小，直到节理出口处流体压力为0，此时流体的压力梯度为3 MPa/m；节理入口处7 MPa流体压强下，节理中流体压力从左向右逐渐减小，直到节理出口处流体压力为0，此时流体的压力梯度为3.5 MPa/m。总之，节理流体形成从左向右的渗流场，节理入口处流体压强与节理流体压力梯度成正相关。图1模型网格划分表1节理岩体参数参数类型岩体节理流体密度/(kg/m3)2 5001 000黏度/Pa s10-3体积模量/GPa53.810-4(2109)剪切模量/GPa2法向刚度/(GPa/m)10(2)切向刚度/(GPa/m)10(2)抗拉强度/Pa1030内摩擦角/30图2节理渗流场和水压场117延安大学学报（自然科学版）第 43 卷 模型计算过程中，节理中部观察点 A、B、C 水压-时间曲线如图3所示。由图3知，3种工况下，节理入口处分别在5 MPa、6 MPa、7 MPa流体压强下，观察点水压均在约2 s后由小到大逐渐增大，观察点水压分别达到 2、3、3.6 MPa时，水压趋于稳态，模型计算约10 s后达到稳态。2.2单向耦合节理岩体位移云图模型达到稳态时，节理岩体位移云图如图4所示。由图4知，3种工况下，由于本模型假定流体压强引起岩体变形，反之岩体应力不会引起流体变形，均遵循着在节理入口处岩体位移最大，岩体边缘位移最小的规律，故节理岩体位移主要形成从节理入口处向其周边辐射的位移场。这是由于模型设置10 MPa的初始各向同性应力之后，节理入口处流体11 MPa应力作用于节理中，从左向右流动过程逐渐衰减直至0。总之，节理岩体位移主要形成从节理入口处向其周边辐射的位移场，节理入口处流体压强与节理岩体位移梯度成正相关。2.3不排水耦合岩体节理水压场和位移场模型达到稳态时，岩体节理水压场如图5所示。由图5得，3种工况下，由于本模型假定岩体应力引起节理流体应力变化，都遵循着在节理中部区域水压最大，岩体边缘水压最小的规律，故节理岩体水压主要形成从节理中部区域处向其周边辐射的水压场。节理水压分别接近1、2、3 MPa，表明岩体顶部所施加的应力均被流体吸收了一部分。岩体顶部施加应力，节理处的孔隙压力相应增加，然后剪切节理，以显示节理上的孔隙压力如何影响剪切强度。总之，节理岩体水压主要形成从节理中部区域处向其周边辐射的水压场，岩体顶部施加向下应力与节理水压梯度成正相关。由图6得，3种工况下，由于本模型假定岩体应力和节理流体共同作用致使上、下部岩石有左右滑动的趋势，下部岩石左侧有向左滑移的趋势。剪切过程中节理面上的剪应力可以忽略不计，因为断层上的有效正应力接近于0，这有利于上下断层的滑动。图3节理中部观察点水压-时间曲线图4节理岩体位移云图118第 1 期高俊义 等：单裂隙岩体水-力耦合数值分析3结论本文采用离散元程序构建了单裂隙岩体水-力耦合数值模型，分别开展了单裂隙渗流无耦合模型、裂隙岩体渗流应力对岩石变形影响模型、岩石应力对裂隙变形影响模型研究。得到如下结果：1）节理流体形成从左向右的渗流场，节理入口处流体压强与节理流体压力梯度成正相关；2）节理岩体位移主要形成从节理入口处向其周边辐射的位移场，节理入口处流体压强与节理岩体位移梯度成正相图5节理水压场图6岩体X方向位移场119延安大学学报（自然科学版）第 43 卷 关；3）节理岩体水压主要形成从节理中部区域处向其周边辐射的水压场，岩体顶部施加向下应力与节理水压梯度成正相关。研究结果对解决地下工程水-力耦合问题具有一定的科学意义和工程价值。参考文献：1 张英.水-力耦合作用下裂隙岩体渗流规律与突水机理研究 D.北京：北京科技大学，2020.2 姚池，姜清辉，位伟，等.复杂裂隙岩体水-力耦合模型及溶质运移模拟 J.岩石力学与工程学报，2013，32（8）：1656-1665.3 陈云娟，高涛，高成路，等.水力耦合作用下裂隙岩体破裂扩展及声发射能量损伤规律 J.中南大学学报（自然科学版），2022，53（6）：2325-2335.4 邬爱清，范雷，钟作武，等.现场裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统研制与应用 J.岩石力学与工程学报，2020，39（11）：2161-2171.5 熊祎滢，刘春，刘恒，等.水力耦合作用下岩体破坏现状分析 J.四川建筑，2022，42（4）：210-212.6 董惠，张保良，于海锋.水力耦合裂隙岩体破裂机理研究综述 J.新疆有色金属，2021，44（4）：51-52.7 张英，李鹏，郭奇峰，等.水力耦合裂隙岩体变形破坏机制研究进展 J.哈尔滨工业大学学报，2020，52（6）：21-41.8 杨磊，梅洁，李术才，等.水力耦合作用下岩体3维裂隙的起裂扩展模式研究 J.工程科学与技术，2018，50（6）：174-183.9 LIU W，CHEN Y F，HU R，et al.A two-step homogenization based permeability model for deformable fractured rocks with consideration of coupled damage and friction effectsJ.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2016，89：212-226.10 徐则民，黄润秋，许模，等.基于水-力耦合理论的超深隧道围岩渗透性预测 J.成都理工学院学报，2001（2）：130-134.11 赵延林，刘强，刘欢，等.水-力耦合作用下单裂隙灰岩三轴压缩与声发射试验及压剪断裂模型 J.煤炭学报，2021，46（12）：3855-3868.12 朱其志，徐云霞，季晶晶，等.饱和花岗岩水-力耦合力学特性试验研究 J.河北工程大学学报（自然科学版），2020，37（2）：1-7.13 杜万军，柴军瑞，许增光，等.单裂隙辐射流节理面破坏过程水-力耦合研究 J.水力发电，2022，48（1）：39-44+122.14 袁梅，王玉丽，王珍，等.水-力耦合对含瓦斯煤渗透率影响的试验研究 J.工业安全与环保，2018，44（1）：35-37+77.责任编辑 毕伟Numerical analysis of hydraulic-mechanical coupling in single fracture rock massGAO Junyi1，SHI Yandong2（1.School of Civil Engineering，Yan an University，Yan an 716000；2.Yan an Shengshihua Stone Industry Co.，Ltd，Yan an 716000，China）Abstract：With the continuous development of underground engineering，many underground engineering failures occur under the action of water-force coupling.The water-force coupling of fissured rock mass has always been a hot topic studied by scholars at home and abroad.Based on the concept model of water-force coupling in single fissure rock mass，the influence of fracture water pressure and rock mass stress on seepage field and rock mass displacement field calculated by using discrete element program.It was found that the model reached steady state about 10 seconds later，and the joint fluid formed a seepage field from left to right.The fluid pressure at the joint entrance was positively correlated with the pressure gradient of the joint fluid.The displacement of jointed rock mass mainly formed a displacement field radiating from the joint entrance to its periphery，and the fluid pressure at the joint entrance was positively correlated with the displacement gradient of jointed rock mass.The displacement of jointed rock mass mainly formed a water pressure field radiating from the middle area of the joint to its periphery，and the downward stress applied on the top of the rock mass was positively correlated with the joint water pressure gradient.The research results have certain scientific significance and engineering value for solving the hydraulic-mechanical coupling problem in underground engineering.Key words：Single fracture rock mass；hydraulic-mechanical coupling；numerical analysis120