【摘 要】
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层状岩体水力耦合分析在诸多重要地下工程实践中被广泛关注,诸如深埋水工隧洞工程、核废料地质存储等典型工程。开展与层状岩体宏细观结构特征相符合的水力耦合研究对于深入理解小尺度微裂纹和大尺度层面对水力耦合响应的影响具有重要意义,有利于准确模拟实际地下层状岩体工程的扰动效应。本文根据层状岩体宏细观结构提出了水力耦合模型以及数值分析方法,通过现场注水工程和深埋隧洞工程揭示层状岩体宏细观结构特征与水力耦合响应
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层状岩体水力耦合分析在诸多重要地下工程实践中被广泛关注,诸如深埋水工隧洞工程、核废料地质存储等典型工程。开展与层状岩体宏细观结构特征相符合的水力耦合研究对于深入理解小尺度微裂纹和大尺度层面对水力耦合响应的影响具有重要意义,有利于准确模拟实际地下层状岩体工程的扰动效应。本文根据层状岩体宏细观结构提出了水力耦合模型以及数值分析方法,通过现场注水工程和深埋隧洞工程揭示层状岩体宏细观结构特征与水力耦合响应对地下注水工程以及围岩工程扰动效应的影响。本文主要研究成果如下:（1）同时考虑水力耦合过程中小尺度微裂纹损伤扩展、滑移剪胀和法向压缩以及大尺度层面剪切滑移和张开闭合等力学过程以及水-岩相互作用对强度的弱化效应,提出了层状岩体损伤演化模型和渗透性演化模型,模型可较好地表征层状岩体不同尺度结构变化对宏观力学性质和水流流动过程的影响。（2）现场注水对工程扰动影响的模拟结果表明:注水引起的围岩损伤、水压力增高、层面张开、渗透性演化等水力耦合响应同时受不同尺度结构、层面方位和不同注入流量的影响。仅考虑小尺度微裂纹时损伤分布和水压力分布在空间上呈椭球形状的均匀分布,在大主应力方向扩展更大。考虑竖直层面,注入流体更易沿层面方向流动,岩块损伤和水压力升高区均在垂直方向的尺寸大于水平方向,各向异性特点更为突出。注入流量从0.2L/s增加到0.8L/s时,椭圆形损伤区范围逐步增加,水压力升高区域范围比损伤区更大。随着层面倾角从0°增加到90°,岩块损伤区和压力升高区范围在水平方向逐渐减小,竖直方向逐渐增大。注水引起的层状岩体渗透特性变化规律表现为:距注入点较近时,层状岩体水平方向的渗透性演化主要由岩块和层面的渗透率共同决定,较远时则一般与层面的渗透性相关,受层面方位影响显著。（3）深埋隧洞工程开挖扰动模拟结果表明:本文提出的模拟方法可以较好地对拱顶、拱腰实测位移进行模拟。隧洞开挖引起洞周位移、渗透特性演化受水力耦合响应、不同层面方位的影响。不考虑地下水渗流作用,层面倾角从0°增加到90°,两侧拱腰水平方向位移最大值逐渐增大,增加的幅度为71.55%。顶部沉降值和底部隆起值均随倾角的增加而减小,减小幅度分别为33.81%和35.75%。考虑水力耦合的作用,左右侧拱腰的水平位移随层面倾角的增加逐渐增大,增大幅度接近100%,顶部沉降值最大值在层面倾角为30°时最大,90°时最小,而底部的隆起值随着层面角度的增加而减小,且深埋隧道底部隆起值比顶部沉降值小一倍左右。水力耦合作用对不同层面倾角的沉降值和隆起值的影响不同,沉降值的增加幅度大于隆起值的减小幅度。层状深埋隧洞开挖引起的围岩渗透特性演化受内部宏细观结构影响。距离开挖面较近时,层状岩体渗透性演变主要受岩块内部微裂纹损伤扩展引起的渗透率变化制约;距开挖面较远时,岩体渗透性演变主要受层面的渗透性变化制约。层状岩体宏细观结构对水力耦合条件下的深部围岩工程扰动影响显著。
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