随着我国经济社会的快速发展,越来越多的大型水利工程投入建设,大坝的基岩以及坝肩岩体会承受较大的物理压力以及渗透压力。在富水岩体开挖工程中,岩石在开挖前受到三维应力状态,开挖之后改变了岩石的应力状态,导致岩体产生力学性质的变化。由于开挖的影响,岩体存在开挖扰动区,其中含有许多微裂纹和宏观裂隙,在富水区域内,这些裂隙会在渗透压力的作用下,为岩石内部渗流提供通道,严重的话将会导致滑坡、坍塌等危害。国内外众多学者研究发现,在较高的应力和渗透压力作用下,峰后破裂岩体内部的渗流规律与达西定律不相符,其渗透现象呈现出非线性渗流特征,如果仍然使用达西方程来描述峰后岩体内部的渗流过程,会与真实情况产生较大的偏差,对于指导实际工程中破裂岩体的渗流稳定性十分不利。因此,本文采用自行研制的温度-应力-渗流多场耦合岩石试验系统,分析岩石在压缩过程中物理力学特性的变化规律,并在此基础上研究峰后破裂岩石在不同围压下其内部的水流速与渗透压力梯度的演化规律,通过开展渗流后岩石试样裂隙面的三维光学扫描,研究裂隙表面形貌和开度特征,为分析岩石裂隙渗流的物理机制提供依据。本文研究内容和研究成果主要体现在以下几个方面:(1)开展了花岗岩与变质板岩的三轴压缩试验,结果表明岩石的应力-应变曲线在应力加载过程中表现出四个不同的阶段,即:第一阶段为岩石所受的外力较小时,岩石内部存在的微裂隙将逐步被挤压闭合;第二阶段是随着应力地逐渐增大岩石开始发生线性变形,岩石内部的裂纹开始发展、扩展;第三阶段是随着应力地不断增大,岩石开始发生非线性变形,岩石内部的裂隙明显增多,并相互连通最终导致岩石裂隙的贯穿;最后一阶段为岩体到达极限抗压强度,应力向局部变形区域内集中,裂纹扩展贯通,最终试样发生剪切滑移现象,岩石发生破坏,丧失其稳定性质。根据应力-应变曲线在加载过程中发展的走向以及变化快慢,总结出每一阶段岩石内部的变化过程。试验结果显示花岗岩的峰值抗压强度比变质板岩的峰值抗压强度较大,说明花岗岩的强度比变质板岩的大,在受到较高应力下不易产生变形破坏。(2)研究峰后破裂岩石在一定围压状态下,岩石内部的渗流现象随着渗透压力梯度的演化规律。研究结果表明,峰后岩石内部渗流现象随着渗透压力梯度的增大呈现出由线性渗流逐步过渡到非线性渗流过程,说明随着渗透压力梯度的增大,达西定律已变的不再适用。因此,通过使用Forchheimmer方程来定量描述渗流流量与渗透压力梯度的关系,将渗流过程分为Darcy流与非线性渗流两个阶段,并引入非线性因子E,借鉴实际岩体工程中大多定义E=0.1作为线性流和非线性流的分界点,从而求解出临界Darcy流的阈值和雷诺数。为量化岩石裂隙渗流过程中的能量变化,引入动量相对损失量-欧拉数来描述,欧拉数呈现出一个先急速下降后逐渐趋于稳定的趋势。(3)运用三维结构光学扫描仪对花岗岩和变质板岩岩石裂隙表面进行测量,采用节理粗糙度系数JRC和形貌统计参数定量地描述了岩石裂隙粗糙程度和起伏特征。结果显示,从宏观特征上看花岗岩的整体起伏度较大,但其细观结构较为光滑;与之相反,变质板岩裂隙面的总体起伏趋势较缓,但其细观结构上则显得较为粗糙。实际上,影响花岗岩和变质板岩裂隙面起伏度和粗糙度特征的主要因素之一是其本身的岩性特征,由于岩石的矿物组成成分、地质成因、物理力学性质等不同,造成不同种类岩石破裂面粗糙程度的差异性。(4)基于裂隙面三维扫描结果数字化重建岩石裂隙的三维几何模型,并进行不同条件下的数值模拟。结果显示,无论是花岗岩还是变质板岩,越靠近裂隙壁面,其水流的流动速度越小,在岩石裂隙粗糙度起伏度较大处其流速较快,在较为平滑的粗糙度下,水流越趋于稳定。其中在花岗岩中的流速明显小于在变质板岩中的流速。水流入口位置为最不稳定位置,在此交界处岩石的物理性质变化最大,故在水流入口处,裂隙水流的速度、压力以及涡流大小的波动比较明显。裂隙水流的压力通过与壁面的粗糙消耗逐渐降低,在起伏度较大的地方压力梯度变化越快,而在裂隙粗糙度越为光滑处,压力梯度变化越小。裂隙水流通过起伏度较大处,极易形成涡流现象,造成压力梯度的迅速减小,而在较为光滑的区域,不易形成漩涡。