岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展

在大坝渗流与控制、各种水工隧洞和交通隧道以及地下各种洞室开挖、采矿工程与油藏开采中的水力劈裂、岩坡和坝基的稳定性研究等领域中经常会遇到岩体的饱和渗流应力耦合问题.本文对这些领域中的渗流应力耦合问题分为6种力学模型:等效连续介质模型、裂隙网络模型、双重介质模型、断裂力学模型、连续损伤力学模型和统计模型.前3种主要从经典的黏弹塑性本构着手考虑,着重对渗流场的处理,后3种则是从考虑岩体在耦合作用下发生损伤破裂行为方面切入,着重于岩体结构内部发生质的改变带来的更加复杂的耦合效应.对这些模型进行了详细的介绍,指出了这些模型的优缺点与适用范围,给出了一些有代表性的研究成果,并对该研究领域中未来的研究方向进行了展望.

岩体劣化对谷幅变形及高拱坝安全性的影响

拱坝建成蓄水后,水环境的变化会引起坝址区岩体力学性能的改变,进而引起谷幅收缩,影响大坝安全。针对锦屏一级拱坝蓄水初期出现的地基异常变形现象,基于岩体遇水劣化规律和非饱和渗流-应力耦合基本理论,建立岩体遇水劣化模型,采用非线性有限元数值分析方法,研究蓄水初期库区岩体劣化下的谷幅变形规律,进一步分析谷幅收缩对坝体结构的影响。研究表明:库岸岩体劣化对谷幅变形产生直接影响;岩体劣化程度越高,谷幅收缩越明显,坝体上游消落带区域的谷幅变形最为突出;随着水位升高,库岸岩体劣化范围扩大,坝体的最大顺河向位移、最大主拉应力和最大主压应力略有减小。因此,锦屏拱坝蓄水后由岩体劣化造成的谷幅变形不会影响坝体的整体安全。

充水节理岩体中大断面隧洞开挖的数值模型研究

采用非饱和的渗流应力耦合模型分析了糯扎渡水电站2#导流洞的开挖过程,导流洞部分洞身穿过节理带,洞项水头较高。详细地讨论了高水头和节理带对施工过程的影响。节理带采用描述高密度平行节理组的各向异性节理本构来逼近;考虑开挖引起的介质变形对渗透系数的影响;考虑排水引起的饱和度变化对渗透系数的影响。所用的非饱和瞬态耦合模型可以模拟出开挖引起的 EDZ 区域孔隙水压力急剧升高、有效应力减小、渗透系数动态的变化以及排水对洞室稳定性的提高。数值模拟的计算结果与国外类似试验的一般性观测结论相吻合,因此,可以用来评价水位以下隧洞施工方法和施工速度的合理性和经济性。