复杂岩体多场广义耦合理论.ppt

1、1,复杂岩体多场广义耦合理论,刘先珊 土木工程学院,2,主要内容：,绪 论 1、 研究对象 ：复杂岩体 2、 研究意义：热点-需求-产物 3、 研究现状：单裂隙-裂隙岩体-核废料处置库 4、 研究内容与研究方法,水对工程的重大影响：国际重大事故 1、法国 Malpasset 拱坝1954 年末建成并蓄水，1959 年 12 月 2 日 21 点 20 分，大坝突然溃决，当时库水位为 100.12m。洪水出峡谷后流速仍达 20km/h，下游 12km处 Frejus 城镇部分被毁，死亡 421 人，财产损失达 300 亿法郎。导致如此重要的灾害主要由忽略裂隙岩体渗流及水力耦合问题。,绪论：存在的

2、问题,4,法国Malpasset 拱坝主要地质结构图,1、坝基为片麻岩， 片理倾角在30-50之间，倾向下游 偏右岸。较大的片理中部充填糜棱岩。 2、坝址范围内有两条主要断层。一条为近东西向的F1 断层，倾角45， 倾向上游。断层带内充填含粘土的角砾岩， 宽度80cm。另一条为近南北向的F2 , 倾向左岸，倾角70-80,5,Malpasset 拱坝蓄水过程线,Malpasset 拱坝于1954 年末建成并蓄水。库水位上升缓慢，历经5 年至1959 年11月中旬， 库水位才达到95.12m。这时的坝址下游20m ，高程80m 处有水自岩石中流出。因下了一场大雨, 到12 月2 日晨， 库水位猛

3、增到100m,6,荷载垂直片理与平行处理应力分布,Londe (1987) 的分析：片麻岩有片理构造。试验研究表明：当窄条形荷载与片理垂直时， 应力向岩体深部传布呈扩散状， 而当荷载与片理平行时， 受片理影响，应力分布呈条带状传至岩体深部而不能扩散 。Malpasset 拱坝由于其与片麻岩片理空间相对关系, 左坝肩拱推力与片理平行， 右坝肩拱推力则与片理垂直。左右两坝肩岩体承载后的应力分布有很大差异。由于坝左有F1 断层，在左坝肩从拱座到F1 断层形成高应力岩体条带。Bernaix 在Malpasset 拱坝溃坝后对地基片麻岩体进行过室内渗透性与应力关系的试验，发现片麻岩的渗透性与应力关系十分

4、明显。,7,按岩石渗透性与应力关系的试验结果， 在拱坝推力作用下左坝肩拱座到F1 断层实际上形成了条状防渗帷幕，相当于一个地下大坝。该区域的渗透系数仅为周围岩石的渗透系数的1/ 100 或更小。由于条带内与条带外渗透系数相差100 倍， 绕坝渗流水头全消耗在防渗条带内。因而, 在防渗条带上游就作用有相应于全水头的压力。左坝基岩体在全水头压力作用下沿F1 断层滑动致使拱坝溃决。,Londe 对Malpasset 拱坝溃坝原因的解释,8,Wittke 和Leonards 的分析：西德Aachen 大学Wittke 教授在1984 年秋考察了Malpasset 拱坝遗址后， 随即开展了对该坝失事原因

5、的研究。Wittke 从岩体渗流的增量荷载理论，用有限元方法分析坝与坝基在水压力、自重及渗流荷载作用下的变形和应力。结果表明：拱坝坝踵处岩体在垂直片理方向产生拉应力，该处片理产生张裂缝。库水进入裂缝并将裂缝劈开至下部断层处， 在裂缝内形成全水头压力，使左坝肩至F1 断层的岩块失稳， 大坝溃决。,Wittke 对Malpasset 拱坝溃坝原因的解释,两种对Malpasset 拱坝破坏分析形式上一致， 但出发点不相同。岩体中有节理、裂隙、片理、层面及断层等各种构造面， 水流主要顺这些构造而运动。对多数岩石，岩块的渗透性常可忽略不计。从这个观点，Wittke 提出的Malpasset 拱坝溃坝原因

6、的分析是比较最实际的。,9,2、意大利Vajont水库滑坡该水库大坝高267m，是当时世界上最高的双曲拱坝，于1960年建成。蓄水运行三年后，于1963年11月约(2.5-3.0) 108m3的岩体以高达25-30m/s的速度沿层面下滑，滑体淤满水库,并一直冲到对岸140m高处，造成高出坝顶100余米的涌浪,使库水渲泄而下，摧毁了下游一个村镇，死亡3000多人，并使全部工程失效。,Vajont 滑坡地质剖面,10,Vajont 滑坡降雨(E) 、库水位(F) 、位移速率(G) 及测压管水位(H) 过程线,11,滑坡位移速率与库水位的关系： Mller (1964)在其论文“Vajont 河谷的

7、岩石滑坡”给出坡面位移与库水位的关系 。由图明显看出：在库水位上升时滑坡加速，库水下降时滑坡停止。这一现象与许多挡水土坝滑坡所得到的经验相矛盾，土体总是在库水位降落时出现滑坡(Jaeger ，1979) 。对这一现象，当时未有满意的解释。,库水位(实线) 与岩石位移(虚线) 关系,12,时至今日，按岩石水力学观点这一现象在特定条件下是正常的。由于水在岩体中主要沿其中的裂隙运动, 实际流速通常比达西流速大46 个量级， 但土体中实际流速与达西流速大体相当。这就是岩石水力学与孔隙介质渗流学根本区别之一。岩石边坡裂隙中的水位可与库水位同步升降。Vajont 近坝库左岸滑坡滑面为靠背椅形。库水位上升时

8、， 滑坡平段被水淹没，岩石由湿重变为浮重， 阻滑力减小，位移因而加大。反之， 当库水位下降时，阻滑力加大，位移就减小或停止。,13,绪论：理论的发展,法国 Malpasset 拱坝和意大利的Vajont水库滑坡都说明了水对岩体工程的重要影响，如何解决这一问题成为众多学者研究的热点。 岩体水力学及多场耦合理论发展的研究基础自20世纪50年代以来，现代岩石力学的理论、方法和技术都取得了长足发展。岩石力学发展受到了若干重要的理论和技术的推动。 岩体力学的发展1、 首先，20世纪50年代以Muller为代表的奥地利学派提出了结构面对岩石力学特性和岩体稳定性起控制作用的思想，其后以谷德振为代表的中国学者

9、提出了岩体结构新概念及岩体结构控制岩体稳定性的观点，并逐步形成了以“结构面和岩体结构”为核心的岩体工程地质力学理论；,14,2、其次，20世纪60年代末现代计算机及数值模拟技术的快速发展为岩石力学提供了有效的分析手段和预测工具；3、再者，各类室内外实验技术以及爆破开挖、锚固支护、固结灌浆等施工技术的发展为正确认识岩体、合理利用和改造岩体提供了技术支撑。4、同时，岩石力学广泛吸收和融合了力学学科、工程技术学科的最新研究成果。,15,多场耦合问题的初现1、在岩石力学的发展过程中，20世纪70年代起步的岩土体介质应力(变形)、渗流、温度等多场耦合研究，特别是20世纪90年代开始的裂隙岩体热-水-力-

10、化学(THMC)耦合问题的研究。凝练了岩土体变形和破坏的关键科学问题，使得岩石力学研究建立在更加坚实的物理和力学基础上，极大地丰富了岩石力学的理论、方法和技术。,16,2、现代岩石力学已发展成为从连续介质力学出发，运用连续和非连续介质力学的基本概念、模型和方法，研究岩体的应力、强度、变形、破坏及流体-热-化学传输等物理力学特性，并解决工程岩体变形和稳定性问题的应用力学学科。,17,3、 随着工程建设的发展，工程技术难度越来越大，岩石力学与工程面临严峻挑战。无论是深部石油、天然气及固体矿产资源的开采，还是水电工程300m级高坝、深埋引水隧洞的建设，或是高放核废料的深地质处置，都迫切需要岩体多场耦

11、合理论与分析技术的支持，以达到改善岩体工程性质，提高资源开采效率，节省工程建设投资，增强防灾减灾能力的目的。,18,多场广义耦合理论的提出 多场耦合理论的科学含义1、研究对象：岩体多场耦合研究以岩体及其赋存环境为主要研究对象；2、研究手段：以岩体地质特征及赋存环境研究为基础，以室内外实验和试验、数值模拟为主要研究手段；3、科学问题：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、地温及化学效应之间的相互作用、相互影响为主要科学问题；4、研究目标：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。,19,多场广义耦合理论的形成1、多学科的交叉：岩体多场

12、耦合研究涉及工程地质、固体力学、复杂岩体多场广义耦合分析导论流体力学、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。2、经过近30年的发展，积累了丰硕的研究成果，已逐步发展成为具有岩石力学学科特色的研究领域。3、近几年来，结合我国水电工程岩体变形与稳定性分析，将岩体应力场、渗流场、温度场以及工程作用综合起来考虑，研究多场耦合机理、耦合模型与数值模拟，初步形成了复杂岩体多场广义耦合的理论和分析方法。,20,1、研究对象,岩体多场广义耦合分析以岩体及其赋存环境作为研究对象，以工程岩体稳定性研究为目标，着重研究岩体利用和改造等工程作用对岩体应力、强度、渗流、变形和破坏的影响。主要讨

13、论以下几个基本概念：“复杂岩体”、“多场耦合”、“工程作用”“多场广义耦合”,21,1.1 复杂岩体的定义岩体作为多场耦合分析的主要研究对象，其地质特征的描述、力学特性的分析以及工程性质的评价既是多场耦合研究的基础，又是需要研究的关键科学问题。在多场广义耦合研究中，采用“复杂岩体”一词，以强调岩体的地质特征、力学特性及工程性质的复杂性。,22,在地质特征上：岩体是经过地质作用改造过的，由结构面和结构体所组成并具有一定结构特征的，赋存于物理地质环境中的地质体。岩体的这一定义，至少有以下三层含义： 三层含义：1、 一是岩体在地质历史时期曾经受过复杂的内外动力地质作用，岩体中发育了各种地质构造形迹。

14、岩体作为地质体，无一例外地打上了地质建造和地质改造的烙印，这是岩体区别于其他材料最显著的特征。,23,三层含义：2、二是岩体的基本组分可以用结构面和结构体进行表征，其中结构面用于对节理、裂隙、断层、夹层及层间剪切错动带等构造形迹的抽象，结构体则是由结构面切割所形成的岩块。结构面的发育程度和组合关系决定了岩体结构类型。通常将岩体结构划分为：整体结构、块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。,24,三层含义：3、 三是岩体总是与一定的物理地质环境相联系。岩体是地质建造和地质改造的产物，因而地应力场、地下水渗流场及地温场是岩体主要的赋存环境。岩体的物理力学性质除受岩体结构控制外，还受其赋存环境的影响

15、。,25,在力学特性上:岩体是不连续(discontinuous)、非均匀 (inhomogeneous)、各向异性 (anisotropic)与非弹性 (notelastic) 介质，Harrison与Hudson (2000)曾将其归纳为DIANE特性。岩体的不连续性源于岩体中发育的各级各类结构面，总体上岩体属于不连续介质，只是在实际问题中常被简化为等效连续介质。 非均匀、各向异性及非弹性反映了岩体特殊的物理力学性质。岩体的组成，包括岩性及工程地质岩组等决定了岩体的非均匀程度；结构面及其组合型式，特别是岩体结构类型和赋存环境决定了岩体的各向异性和变形特征。,26,在工程性质上:岩体是工程利

16、用和改造的对象，并通过工程作用使岩体的变形和强度特性、渗透特性满足人类工程需求。1、岩基工程中，一般将不满足要求的风化岩体挖除，保留微新岩体，对局部破碎岩体进行置换或加固；2、为达到防渗要求，还需进行基础灌浆形成防渗帷幕；3、岩基抗滑稳定，特别是深层抗滑稳定是基础稳定性校核的重点。由此可见，对岩基工程而言，岩体的工程性质主要指岩体的承载能力、防渗能力和抗滑能力。当然，岩体工程性质随工程类型、岩体的地质特征和力学性质而变化。,27,小结： 以上从地质特征、力学特性和工程性质这三个方面，简要地论述多场广义耦合研究中“复杂岩体”的含义。事实上，要深刻理解岩体特性还必须从上述三个视角加以剖析。1、其中

17、，岩体的地质特征揭示了岩体的成因、组成、赋存环境和演化历史等；2、岩体的力学特性介于岩体地质特征和工程性质之间，揭示岩体变形和破坏的机理和规律；3、岩体的工程性质体现了工程的客观要求及岩体对工程的适应能力。,28,在这个意义上讲，岩体地质特征是物质基础，岩体力学特性是科学问题，而岩体工程性质是研究目标。任何一项研究，目标必须明确，基础必须扎实，原理必须正确。因此，岩体力学与工程研究，必须在明确工程目标的前提下，深入研究岩体地质特征和岩体力学特性，忽略任何一方面的研究都会是不全面的，结果也可能是不可靠的。,29,不同的岩体称谓：如节理岩体、大型岩体、加锚岩体、深部岩体等。这些不同的岩体称谓，并不

18、说明岩体的本质有什么不同，只是为了强调岩体某一方面的特点或特征以区别于一般岩体而已。“节理岩体”：强调岩体中发育了成组节理，区别于节理、裂隙不发育或完整岩体；“大型岩体”：强调的是岩体的规模，是相对于小尺度岩体而言的；“加锚岩体”:强调了工程对岩体的锚固作用，是相对于一般未受工程作用的岩体而言的；“深部岩体”:则相对于一般浅表岩体，强调的是岩体赋存的深部物理地质环境以及这一环境中特殊的岩体力学性质。,30,复杂岩体概念的总结一、是指具有复杂地质特征并赋存于复杂地质环境中的岩体；二、是指具有复杂力学特性(变形、强度、渗流)的岩体；三、是指具有复杂工程性质的岩体，尤其指在复杂条件下经过工程利用和改

19、造的岩体。由此可见，复杂岩体并不是一个新概念，而是强调岩体地质特征与赋存环境、岩体力学特性和岩体工程性质的复杂性，并试图将这几个方面作为一个整体系统加以研究，而非孤立地研究或片面地强调岩体某个方面的特性。,31,1.2 多场耦合多场是对岩体应力场、渗流场、温度场、化学场等的简称。耦合(coupling)通常指复杂系统中子系统之间的相互作用和相互影响。多场耦合是指岩体应力场、渗流场、温度场、化学场等之间的相互作用和相互影响。,32,多场耦合的研究基础：多场耦合首先是两个场之间的耦合，如渗流场和应力场之间的耦合，也称HM耦合；温度场与渗流场之间的耦合，也称TH耦合；温度场与应力场之间的耦合，也称T

20、M耦合。,33,多场耦合的分类耦合问题可分为直接耦合和间接耦合两类。以HM耦合为例，直接耦合指力学变形与流体渗透之间的相互作用；间接耦合指由于岩体变形和渗流的影响，岩体水力特性发生变化从而影响岩体的变形和渗流特性。例如，岩体受到各种荷载的作用，初始应力场受到改造，岩体发生变形或破坏，从而岩体的渗透特性发生变化。相应地，岩体渗透特性的变化又进一步改造了岩体应力场。这就显示出岩体渗流场与应力场的耦合关系。,34,岩体具有复杂的变形破坏机理，图1-1给出了裂隙岩体变形机理的总体描述。,图1-1 裂隙岩体变形的总体描述法向应力,35,图1-2为在法向应力、剪应力和三维压应力作用下，单裂隙、裂隙岩体渗透

21、性的变化规律。由图可见，单裂隙在法向应力作用下压缩，张开度不断减小，裂隙渗透系数随法向应力减小，最终趋于一个常数；,图1-2 裂隙与岩体渗透性与变形的关系示意图,36,图1-2 裂隙与岩体渗透性与变形的关系示意图,单裂隙在法向应力和剪应力作用下，一开始产生少量剪缩，渗透性降低，然后裂隙很快产生剪胀，渗透性增大，当剪胀发挥到一定程度后渗透性趋于稳定；,37,裂隙岩体在复杂应力作用下，渗透性开始时由于岩体体积压缩而有所降低，而后随着岩体体积膨胀渗透性迅速增大，当进入应变软化阶段后岩体渗透性变化缓慢，甚至有所降低。单裂隙及裂隙岩体渗透特性变化的上述规律，包含了复杂的岩体水-力耦合机理。,图1-2 裂

22、隙与岩体渗透性与变形的关系示意图,38,多场耦合在各领域的提法解释在不同的研究领域，对多场耦合常有不同的提法，如“流固耦合”、“水-岩相互作用”、“热-水-力耦合”等。“流固耦合”通常侧重于研究固体介质和流体间的耦合效应及基本规律；“水-岩相互作用”主要研究在高温高压条件下，岩石和水发生的化学反应规律及其地球化学特征。,39,水利水电工程中所研究的岩体多场耦合强调岩体水-力耦合作用及其对岩体和水工建筑物变形与破坏规律的影响。核废料地质处置中研究的多场耦合则侧重于热-水-力及化学过程的耦合效应，国际岩石力学界称之为THMC耦合(Thermo-Hydro-Mechanical and Chemic

23、al Coupling)。尽管不同领域所研究的内容和重点有所区别，但仍然存在许多相同或相似的科学问题，可以相互借鉴和相互促进。图1-3为岩体应力场、渗流场、温度场耦合关系图。,40,图1-3 应力场、渗流场、温度场之间的耦合关系图,41,图1-3 多场耦合关系示意图 （考虑化学场）,42,如果将应力场、渗流场、温度场耦合划分为力学过程、流体流动过程、热流过程及其相互作用，则伴随在这三个过程中的耦合关系和特征如表1-1所列。,表1-1 多场耦合关系和特征,43,1.3 工程作用 为满足工程对岩体变形、稳定性及防渗性能的要求，对岩体进行适度的改造是必需的。我们将工程对岩体的这种作用，称为工程作用。

24、工程作用可分为直接工程作用和间接工程作用。 直接工程作用：有施工开挖、加固支护、防渗排水等；间接工程作用：如大坝填筑引起岩体应力水平提高、水库蓄水引起岩体渗透压力增大、库水骤降导致异常渗透压力等，虽然这些作用没有直接改变岩体的物理力学性质，但通过改变岩体的应力和渗流状态而改造岩体。,44,岩体既是工程作用的“客体”，又是地质环境的“主体”。岩体的物理力学性质既受地质环境的影响，又受工程作用的改造，而且是相互作用和相互影响的。1、大规模爆破开挖、大幅度库水变化等工程作用改变岩体的边界条件、受力状态以及赋存环境，导致岩体发生变形或破坏；2、 锚固支护、防渗排水等工程作用可在一定程度上改善岩体的渗流

25、及力学特性。在工程作用过程中，岩体的渗透特性、力学特性都将发生变化，而这种变化反过来又将进一步改变岩体赋存环境、岩体应力和变形状态。,45,3、爆破开挖：对岩体进行大规模的爆破开挖是最常见也是最剧烈的工程作用。 爆破开挖对岩体的改造作用主要体现在以下三个方面：一、卸荷作用，形成二次应力场，在卸荷的过程中岩体结构面发生变形、扩展或破坏，也可能萌生新的卸荷裂隙；二、爆炸应力波对岩体的损伤，改变岩体的物理、力学、渗透及热传导特性；三、开挖改变了岩体的边界条件，局部岩体应力场和渗流场都将发生变化。,46,爆破开挖的工程作用与多场耦合的关系爆破开挖的卸荷作用和损伤作用可在岩体中形成开挖扰动区(EDZ)。

26、 开挖扰动区内存在强烈的多场耦合作用，并对工程岩体稳定性产生重要影响。爆破开挖形成的EDZ及多场耦合效应与爆破开挖方式、岩体结构特征、地应力水平等因素密切相关。这主要是因为在不同的爆破开挖方式、不同的岩体结构特征、不同的地应力水平条件下岩体往往具有不同的能量转移机制、裂纹扩展及变形破坏机理。,47,4、加固作用对岩体进行大范围的加固支护是提高岩体强度和改善岩体变形性能最常用也是最有效的工程措施。这种工程作用对岩体的改造作用通过以下几方面体现：首先，加固支护对岩体施加有利于稳定的作用力，如预应力锚索、锚杆等通过施加预应力提高岩体抗裂、抗滑能力；或者像抗滑桩、抗剪洞这类加固措施，虽然不主动提供作用

27、力，但岩体一旦产生变形，就能提供限制变形的抗力。,48,其次，加固支护改善岩体结构，提高岩体强度和抗变形能力，如系统锚杆或其他锚固措施，大量锚固件的植入以及锚固施工过程中的灌浆有利于提高岩体的完整性，还可能产生结构性强度，甚至改变岩体应力传递机制及变形破坏模式。再者，对局部及关键部位的软弱及破碎岩体常采用置换处理，以提高关键部位岩体的强度和稳定性。此外，锚固支护对岩体渗流也产生制约作用，伴随在锚固支护中的灌浆或喷层可有效地减弱岩体渗透性，因而提高岩体渗透稳定性。,49,5、防渗排水工程措施防渗排水工程措施主要通过排水孔幕、防渗帷幕等渗控结构，改变岩体的渗透性并降低渗透压力，提高岩体的防渗能力。

28、此外，一些间接工程作用可引起岩体应力状态的变化、岩体物理力学参数的调整。（1）水库蓄水可能会引起水库诱发地震；（2）天然强降雨或泄洪雾化强降雨入渗引起饱和区与非饱和区动态变化，渗透力增大，可导致岩体变形或破坏。（3）库水位大幅度骤变引起超渗透压力，库水位循环涨落变化则可能导致岩体潜在滑裂面力学参数弱化。,50,小结：工程作用对岩体的地质特征、力学特性及工程性质都将产生深刻的影响，而且其作用效应是综合性的。从多场耦合的角度分析，工程作用相对于地质作用而言，这种作用在相对短暂的时间内完成，并以强制性方式改变岩体物理力学性质，改变岩体边界条件，改变岩体的应力、渗流及热流状态。因此，工程作用是多场耦合

29、作用过程中最活跃、最强烈的因素。当然，相对于地质作用过程，人们更容易对工程作用过程进行控制和调节。,51,1.4 多场广义耦合定义多场耦合：正如前述，一般将岩体应力场、渗流场、温度场及化学场等之问的耦合称为多场耦合。多场广义耦合：在多场耦合的基础上，考虑岩体的施工开挖、锚固支护、防渗排水等工程作用对岩体应力、变形、渗(热)流运动特征的影响，将这种工程作用也纳入耦合体系中，称之为多场广义耦合。很显然，多场广义耦合实际上就是一般的多场耦合纳入了工程作用效应。多场耦合研究主要考虑经典物理场(化学场)之间的耦合作用，而多场广义耦合研究纳入了岩体工程作用这类非经典物理场的综合作用效应。 当然，不能简单地

30、将多场广义耦合理解为“多场耦合加上工程作用”。,52,多场广义耦合的提法诸如水利水电、矿山工程中，以岩体稳定性为研究目标的多场广义耦合分析，考虑岩体工程作用效应对于控制岩体变形和破坏，提高岩体稳定性至关重要。因此，采用“多场广义耦合”的提法，试图拓展传统多场耦合分析的范围，明确耦合分析的针对性，提高分析成果工程应用的可靠性。值得指出，这里因为强调工程作用效应，故将其纳入多场耦合分析体系中，随着研究领域的扩大和研究的不断深入，同样可以将现在还没有考虑的其他因素予以纳入，只要这些因素确实与岩体应力场、渗流场、温度场等存在耦合关系，这是“广义”一词所赋予的外延。,53,图1-4为多场广义耦合关系示意

31、图。由图可见，渗流场、应力场、温度场、工程作用等多场广义耦合系统由各场之间的子耦合系统共同组成。每一个子系统的耦合作用又不是简单静态的，而是一个动态过程，构成一个循环往复的作用链。 即某一场的变化必然引起另一场的变化，而另一场的变化又反过来影响前一场的变化，直至达到动态平衡为止。,图1-4 多场广义耦合关系示意图 (考虑工程作用),54,图1-4 多场广义耦合关系示意图 (考虑工程作用),工程作用在多场广义耦合体系中处于十分重要的位置，通过提供工程作用力，改变边界条件，改变岩体物理力学特性全面参与岩体应力场、渗流场及温度场的耦合。工程作用参与岩体多场耦合，具有复杂的耦合过程和耦合机理。,55,

32、耦合系统的解释：复杂的大系统由相对简单的子系统组合与耦合组成，这是客观世界的普遍规律。采用经典物理场进行耦合分析时，岩体应力场、渗流场、温度场之间的相互作用是双向耦合，但工程作用参与多场耦合大多是单向的。事实上，工程作用引起岩体物理场的变化可以通过现场监测得到，对监测信息进行及时的反馈分析，当确认工程作用引起的这种变化将危及岩体稳定和工程安全时，就必须对相应的工程措施进行调整和优化。在这个意义上，工程作用参与多场耦合也是双向的。因此，采用岩体多场广义耦合理论和方法进行诸如边坡工程、地下工程岩体稳定性研究时，可以更好地将岩体工程动态设计、监测反馈分析、信息化施工结合起来，以达到既安全可靠，又经济

33、合理的目标。,56,2、 研究意义,复杂岩体多场广义耦合研究需要在理论、技术和应用三个层面上揭示岩体多场耦合机理，建立岩体多场耦合模型，模拟岩体变形破坏及演化规律，进而合理地利用和改造工程岩体。在水电工程建设中，多场广义耦合分析可更准确地评价高坝复杂岩基、高地应力和高外水压力下的深埋洞室围岩、高陡岩质边坡岩体的稳定性，并为采取有效合理的渗流控制措施提供理论依据，而且对研究水库诱发地震的发震机制、空间分布与强度等也有指导意义。因此，复杂岩体多场广义耦合研究不仅具有重要的理论意义，而且具有广阔的应用前景。下面将从研究热点、工程需求和学科特色三方面进一步予以论述。,57,2.1 岩石力学研究的热点自

34、20世纪80年代以来，岩体多场耦合问题已逐步成为国际岩石力学研究的热点。西方一些发达国家建立了大型地下实验室开展不同地质介质的多场耦合特性研究：如美国能源部的Yucca Mountain国家地下实验室(凝灰岩)、加拿大的Whiteshell地下实验室(花岗岩)、法国的Bure地下实验室(页岩)、瑞典的Aspo地下硬岩实验室(花岗岩)、瑞士的Grimsel地下实验室(花岗岩)、德国的Corleben地下实验室(岩盐)、比利时的Mol地下黏土实验室等，开展了丰富的大型地下现场试验。,58,这些研究为建立考虑岩体赋存环境的岩体物理力学及化学模型提供了支持，并为开发考虑节理岩体和岩土体介质耦合作用的大

35、型计算机模拟软件提供了实证数据，从而为岩石工程的设计施工和环境安全评估提供了重要的手段和途径。有关岩体多场耦合问题的研究，目前主要涉及应力、温度、水流、化学传输的两场或三场耦合过程，关于化学场的研究才刚刚开始。,59,国外的具体研究项目：例如，美国在Yucca Mountain进行了应力-水流-温度和水流-温度-化学传输耦合过程的研究，并着手进行应力水流-温度-化学传输四场耦合过程方面的研究。美、日、英、法、德、西、瑞、芬、加等国家联合资助的以THMC耦合为主要科学问题的DECOVALEX计划是该领域最具影响力的大型国际合作科研计划之一。该国际合作计划在2004年开始实施了第4期研究计划，并于

36、2008年启动第5期研究计划。,60,国内的研究：国内对岩体多场耦合研究虽然起步较晚，试验条件也相对落后，但在岩体多场耦合相关的许多研究方向上开展了研究，对多场耦合问题之重视以及研究队伍之庞大是前所未有的。在国家自然科学基金过去资助的项目中，有关“裂隙岩体的渗透特性与规律、裂隙岩体的渗流概化模型、渗流与岩体应力的耦合分析”，以及“岩石介质与流体和含水体系相互作用研究”等已被列为优先资助的前沿性课题。 近年来，将应力场、渗流场、温度场以及工程扰动作用综合起来考虑，研究多场耦合机理、耦合模型，初步形成了复杂岩体多场广义耦合的理论和分析方法，并在岩石力学与工程部分列出了7个今后重点研究领域。,61,

37、由此可见，岩体多场广义耦合已经成为、而且在今后一段时间内还将是国内外岩石力学研究的热点。这些研究将有助于加深对诸如岩体的渗透模式、渗流机制及基本规律等岩体多场耦合基本科学问题的理解，从而丰富岩体力学基本理论和分析方法；其次，这些研究将帮助人们从多场广义耦合的角度加深对岩体变形破坏机理、稳定性状态和演化规律的认识，从而增强对地质灾害的预测预报和防灾减灾的能力。因此，岩体多场广义耦合研究具有重要的理论意义。,62,2.2 重大工程建设的需求 1水利工程我国水资源分布不均，北方地区严重缺水，长距离、跨流域调水工程是21世纪我国促进社会经济全面、协调、可持续发展的一项重要的战略举措。 以西线、中线和东

38、线南水北调工程为主的跨区域长距离调水工程将是今后2030年内水利建设的重点。东线、中线和西线工程都涉及复杂的岩土工程问题。其中东线、中线工程正在实施中，西线工程正在规划论证中。,63,西线调水工程：涉及的岩土工程问题更为复杂，如低气压、缺氧、寒冷、高海拔、深覆盖及复杂地质条件下深埋大直径的长引水隧洞等。西线工程所在地区是青藏高原地貌的陡变带，具有复杂的地形地貌和区域地质构造背景。地层以三叠系分布最广，岩性主要是浅变质薄一中厚层砂、板岩，呈韵律互层，为陡倾角地层；水文地质条件复杂，裂隙水发育，板岩遇水强度明显降低。褶皱构造及层间挤压带非常发育，断裂构造大多形成于中生代，以北西向断裂为主，第四纪的

39、构造运动较为强烈。,64,其他调水工程：除了南水北调工程外，还有许多地方调水工程。云南滇中调水工程，从虎跳峡水库引水，利用洱海做反调节水库，向大理楚雄到昆明滇池调水，引水线路长408km，其中隧洞249km；新疆伊犁河调水工程，包括长达40km引水隧洞，最大埋深可达2000m；还有为解决关中水资源短缺的陕西调水工程，甘肃省引洮工程等。这些长距离调水工程的设计和施工都将遇到许多岩体及赋存环境、工程作用等多场耦合及其所引起的地质灾害问题的挑战。,65,2水电工程我国是世界上水能资源最丰富的国家之一，技术可开发量约4亿kw。大力开发水电，减缓煤电对生态环境污染，已成为我国能源发展的重要战略方针和措施

40、。在国家实施的“西电东输”的水电能源开发战略中，龙滩、小湾、溪洛渡、向家坝、锦屏一级和二级、瀑布沟、糯扎渡、拉西瓦等一批大型、特大型水电站已开始兴建或将要开工。这些电站均位于西部地区，西部地区将是今后我国水能资源开发的重点区域。,66,纵观我国西部在建和即将兴建的一系列水电工程，移民安置、环境保护、库坝安全及高效运行等是工程需要研究和解决的重大问题。就工程本身而言，“工程规模巨大、地质环境恶劣、工程作用强烈”是其重要特征。其中，地质环境恶劣主要表现为“三高”，即：高地应力、高渗透压、高地震烈度，主要表现为：,67,(1)高地应力问题严重。 西部地区的水电站，由于受地形条件限制，大型或超大型地下

41、洞室群、长大隧洞等引水发电建筑物大都布置在深部岩体中。如锦屏二级水电站，穿越锦屏山的4条引水隧洞平均长度16.66km，开挖洞径13m，衬砌后洞径11.8m，埋深15002000m，最大埋深约为2525m；埋深为1843m的长探洞内实测最大地应力值已达42.11MPa，预测引水洞线附近最大地应力将达54MPa。,68,(2)高渗透压问题突出。西部地区断裂构造发育，特别是岩溶地区易于形成集中渗流通道。隧洞开挖可能出现高压涌水甚至爆发突水及碎屑流灾害。例如，锦屏二级水电站的5km长探洞勘探和试验研究表明，探洞中单点最大集中涌水量达4.9lm3s，封堵后的最大水压力达10.22MPa。,69,(3)

42、高地震烈度问题罕见。西部地区活动断裂发育，活动断层有371条，总长度2.8万km。三江地区：位于青藏高原向四川盆地过渡地带，地势北高南低，地质构造十分复杂，活动断裂发育，地震活动频繁，山崩、滑坡、泥石流等地质现象时有发生。大渡河上的大岗山水电站设防烈度达到X度，坝基岩体变形稳定、抗滑稳定和渗流稳定问题十分突出。,70,在高地应力、高渗透压联合作用下的岩体变形破坏机理，与低地应力、低渗透压作用情况相比有其显著特点。1、高地应力：在开挖过程中，由于高地应力释放，使坚硬脆性岩体发生岩爆。高围压的长期作用有可能导致岩体脆性转为延性，发生大变形，造成围岩成洞困难，而深部岩体的流变、渗透压产生的外水压力可

43、能对衬砌结构的长期稳定性产生不利影响。,71,2、高地应力、高渗透压条件下岩体的渗流特性，尤其是深部岩溶发育地区的地下水补径排条件给施工期的渗流控制造成极大困难。高渗透压力作用下：裂隙岩体内节理裂隙扩展，从而加剧了工程岩体强度的弱化，产生围岩高压渗透失稳。总之，高地应力与强渗透压的联合作用将使岩体的应力-渗流耦合效应更加突出。,72,3核废料处置工程 研究的重要性随着核工业的发展，我国也已面临如何处置核废料的问题。按照核能规划估计，到2010年我国核废料积存量将达1000t，到2015年达2000t。 因此，寻求安全、有效、永久性处置高放核废料已经成为我国较为紧迫的研究课题。 核废料的特性由于

44、核废料含有毒性大、半衰期长、发热量高的强放射性核素，发生在1998年3月美国华盛顿州中部的放射性核废料自行泄漏事故，使核废料深埋地质贮存的安全性问题尤显突出，也引起国际社会的高度关注。因此，高放核废料安全处置是保证核工业可持续发展、保护环境和人类健康的一项长期的战略任务。,73,核废料贮库与多场耦合的关系贮库的特点： 核废料贮库围岩介质赋存环境是一个涉及热、水、力、化学物质(THMC)耦合作用的复杂动态体系，具有埋深大、周期长、温度高、渗透压力大等显著特点。变形与渗流特性： 对于一般的核废料贮存库，埋深均达到500m以上，如美国目前在建的位于新墨西哥州的核废料隔离试验场，选址于658m深的盐岩

45、矿床内。受开挖扰动的影响，深埋贮库围岩将处于较高的扰动应力场中，从而引起围岩发生变形、松动，导致岩体渗透特性发生变化。热特性：同时，放射性同位素衰变产生大量的热量，不仅影响岩体的应力场和渗流场，而且也将对岩体及地下水的物理化学性质、核素迁移速率以及水-岩相互作用产生影响。,74,这种热力学效应是高放核废料地质处置安全评价中的关键问题之一。此外，在初始地应力场、扰动围岩应力场和热应力的共同作用下，深埋贮库围岩介质高压渗流场的渗透模式将发生变化，进而引起污染物的迁移运动。因此，开展高放核废料地质处置安全性评价，需要围绕贮库围岩介质复杂的赋存环境，结合围岩介质自身的结构特征，综合考虑各物理场之间的耦

46、合作用效应。,75,上述问题不仅对工程设计施工提出了严峻挑战，即如何在恶劣的地质环境条件下合理地利用和改造岩体，并避免因不当的工程措施引起灾害，达到“安全可靠、经济合理、技术可行、环境友好”的工程目标；而且，在理论上需要进一步阐明岩体及其赋存的地质环境与工程作用之间的耦合机理，从而为采取合理的工程控制措施提供科学依据。,76,多场广义耦合的应用前景1、在水利水电工程方面，多场广义耦合分析可更准确地评价高坝复杂岩基、高地应力和高外水压力下的深埋洞室围岩、高陡边坡岩体的稳定性，并为采取有效合理的渗流控制措施提供理论依据。2、在核废料处理方面，有助于工业核废料的安全储存设计，防止核废料对地下水资源污

47、染。3、在石油和天然气开采中，为优化开采方案并预测由于开采、回灌等所引起的地质灾害提供理论支持。可见，复杂岩体多场广义耦合研究具有广阔的应用前景。,77,2.3 岩石力学发展的产物岩石力学研究主要是从20世纪50年代开始的，国际岩石力学学会成立于1962年。50多年来，经过各国岩石力学工作者的努力，岩石力学的试验、理论、方法和技术等方面都取得了快速发展，并在许多重大工程中进行了成功的实践，为经济建设和社会发展作出了重要贡献。在大量的工程实践中逐步形成了具有岩石力学特色的材料本构关系、试验方法、数值模拟方法、工程岩体加固方法等理论和技术体系。,78,但必须看到，尽管岩石力学的研究内容十分丰富，其

48、理论和应用成果也相当丰硕，但作为一门学科，对其独特的理论、方法和技术尚缺乏进一步的凝练和挖掘，以至于普遍认为：岩石力学的理论基础仍主要源于固体力学、流体力学及土力学； 与土力学相比，属于岩石力学特有的理论和方法就太少了。,79,土力学的特点 土是岩石风化的产物，是由固相、液相和气相组成的三相分散体。1925年Terzaghi出版了第一本土力学著作，奠定了学科基础。众所周知，土力学中的“有效应力原理”、“固结理论”、“土坡稳定分析”是其特有的理论和方法；可以设想，如果土力学中少了这三个独特的理论和方法，那它作为一门学科就苍白多了。土力学中的“有效应力原理”、“固结理论”主要源于土体是多孔力学介质

49、。 当土骨架的空隙为液相和气相所填满时，作用于骨架的有效应力为总应力与流体压力之差，从而有了“有效应力原理”；同样地，当液体和气体从空隙中排出，有效应力增大，土颗粒重新排列、骨架发生错动，因而空隙受到压缩，并伴随土体压缩变形和强度的提高。,80,岩石力学的特点岩体是具有结构特征的裂隙介质，岩体地质特征、岩体力学特性和岩体工程性质是岩石力学研究的重要内容。那么，岩石力学作为一门正式的学科在50多年的发展中已经形成了哪些独特的理论、方法和技术呢？要回答这样的问题，简单地与其他学科相比是不可能找出答案的。从岩体地质特性与赋存环境、岩体力学特性和岩体工程性质三方面挖掘岩石力学的学科特色，并初步认为“岩体结构控制论、岩体多场耦合论、岩体工程作用论”是具有岩石力学学科特色的三个基本理论。,81,1、岩体结构控制论岩体结构控制论是工程地质学最基本的理论。谷德振倡导的岩体工程地质力学，其基本指导思想就是“地质体结构对稳定性起控制作用”的论点。王思敬将其具体表述为以下三点：岩体内部结构决定着它的工程地质力学特性，这些特性是地质体受工程荷载或自然应力作用下结构特性的反应；岩体结构对其变形、破坏机制起控制作用，并影响其稳定性，工程地质体的稳定性本质上是其结构稳定性；岩体结构和工程结构之间有相互作用，地质环境对工程的影响和工程改造环境之间有密切的联系。,