多場(chǎng)耦合完整版資料課件

多場(chǎng)耦合1多場(chǎng)耦合112主要內(nèi)容：緒論1、

研究對(duì)象

：復(fù)雜巖體

2、

研究意義：熱點(diǎn)-需求-產(chǎn)物

3、

研究現(xiàn)狀：?jiǎn)瘟严?裂隙巖體-核廢料處置庫(kù)

4、

研究?jī)?nèi)容與研究方法

2主要內(nèi)容：緒論23水對(duì)工程的重大影響：國(guó)際重大事故1、法國(guó)Malpasset拱壩

1954年末建成并蓄水，1959年12月2日21點(diǎn)20分，大壩突然潰決，當(dāng)時(shí)庫(kù)水位為100.12m。洪水出峽谷后流速仍達(dá)20km/h，下游12km處Frejus城鎮(zhèn)部分被毀，死亡421人，財(cái)產(chǎn)損失達(dá)300億法郎。導(dǎo)致如此重要的災(zāi)害主要由忽略裂隙巖體滲流及水力耦合問(wèn)題。緒論：存在的問(wèn)題3水對(duì)工程的重大影響：國(guó)際重大事故緒論：存在的問(wèn)題34法國(guó)Malpasset拱壩主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖1、壩基為片麻巖，片理傾角在30°-50°之間，傾向下游偏右岸。較大的片理中部充填糜棱巖。2、壩址范圍內(nèi)有兩條主要斷層。一條為近東西向的F1斷層，傾角45°，傾向上游。斷層帶內(nèi)充填含粘土的角礫巖，寬度80cm。另一條為近南北向的F2,傾向左岸，傾角70°-80°4法國(guó)Malpasset拱壩主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖1、壩基為片麻巖45Malpasset拱壩蓄水過(guò)程線

Malpasset拱壩于1954年末建成并蓄水。庫(kù)水位上升緩慢，歷經(jīng)5年至1959年11月中旬，庫(kù)水位才達(dá)到95.12m。這時(shí)的壩址下游20m，高程80m處有水自巖石中流出。因下了一場(chǎng)大雨,到12月2日晨，庫(kù)水位猛增到100m5Malpasset拱壩蓄水過(guò)程線Malpasse56荷載垂直片理與平行處理應(yīng)力分布

Londe(1987)的分析：片麻巖有片理構(gòu)造。試驗(yàn)研究表明：當(dāng)窄條形荷載與片理垂直時(shí)，應(yīng)力向巖體深部傳布呈擴(kuò)散狀，而當(dāng)荷載與片理平行時(shí)，受片理影響，應(yīng)力分布呈條帶狀傳至巖體深部而不能擴(kuò)散。

Malpasset拱壩由于其與片麻巖片理空間相對(duì)關(guān)系,左壩肩拱推力與片理平行，右壩肩拱推力則與片理垂直。左右兩壩肩巖體承載后的應(yīng)力分布有很大差異。由于壩左有F1斷層，在左壩肩從拱座到F1斷層形成高應(yīng)力巖體條帶。

Bernaix在Malpasset拱壩潰壩后對(duì)地基片麻巖體進(jìn)行過(guò)室內(nèi)滲透性與應(yīng)力關(guān)系的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)片麻巖的滲透性與應(yīng)力關(guān)系十分明顯。6荷載垂直片理與平行處理應(yīng)力分布Londe(167

按巖石滲透性與應(yīng)力關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果，在拱壩推力作用下左壩肩拱座到F1斷層實(shí)際上形成了條狀防滲帷幕，相當(dāng)于一個(gè)地下大壩。該區(qū)域的滲透系數(shù)僅為周圍巖石的滲透系數(shù)的1/100或更小。由于條帶內(nèi)與條帶外滲透系數(shù)相差100倍，繞壩滲流水頭全消耗在防滲條帶內(nèi)。因而,在防滲條帶上游就作用有相應(yīng)于全水頭的壓力。左壩基巖體在全水頭壓力作用下沿F1斷層滑動(dòng)致使拱壩潰決。Londe對(duì)Malpasset拱壩潰壩原因的解釋7按巖石滲透性與應(yīng)力關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果，在拱壩推力作78

Wittke和Leonards的分析：西德Aachen大學(xué)Wittke教授在1984年秋考察了Malpasset拱壩遺址后，隨即開(kāi)展了對(duì)該壩失事原因的研究。Wittke從巖體滲流的增量荷載理論，用有限元方法分析壩與壩基在水壓力、自重及滲流荷載作用下的變形和應(yīng)力。結(jié)果表明：拱壩壩踵處巖體在垂直片理方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，該處片理產(chǎn)生張裂縫。庫(kù)水進(jìn)入裂縫并將裂縫劈開(kāi)至下部斷層處，在裂縫內(nèi)形成全水頭壓力，使左壩肩至F1斷層的巖塊失穩(wěn)，大壩潰決。

Wittke對(duì)Malpasset拱壩潰壩原因的解釋

兩種對(duì)Malpasset拱壩破壞分析形式上一致，但出發(fā)點(diǎn)不相同。巖體中有節(jié)理、裂隙、片理、層面及斷層等各種構(gòu)造面，水流主要順這些構(gòu)造而運(yùn)動(dòng)。對(duì)多數(shù)巖石，巖塊的滲透性常可忽略不計(jì)。從這個(gè)觀點(diǎn)，Wittke提出的Malpasset拱壩潰壩原因的分析是比較最實(shí)際的。8Wittke和Leonards的分析：西德A892、意大利Vajont水庫(kù)滑坡該水庫(kù)大壩高267m，是當(dāng)時(shí)世界上最高的雙曲拱壩，于1960年建成。蓄水運(yùn)行三年后，于1963年11月約(2.5-3.0)×108m3的巖體以高達(dá)25-30m/s的速度沿層面下滑，滑體淤滿水庫(kù),并一直沖到對(duì)岸140m高處，造成高出壩頂100余米的涌浪,使庫(kù)水渲泄而下，摧毀了下游一個(gè)村鎮(zhèn)，死亡3000多人，并使全部工程失效。

Vajont滑坡地質(zhì)剖面92、意大利Vajont水庫(kù)滑坡Vajont滑坡地質(zhì)剖面910

Vajont滑坡降雨(E)、庫(kù)水位(F)、位移速率(G)及測(cè)壓管水位(H)過(guò)程線10Vajont滑坡降雨(E)、庫(kù)水位(F)、位移速1011滑坡位移速率與庫(kù)水位的關(guān)系：Müller(1964)在其論文“Vajont河谷的巖石滑坡”給出坡面位移與庫(kù)水位的關(guān)系。由圖明顯看出：在庫(kù)水位上升時(shí)滑坡加速，庫(kù)水下降時(shí)滑坡停止。這一現(xiàn)象與許多擋水土壩滑坡所得到的經(jīng)驗(yàn)相矛盾，土體總是在庫(kù)水位降落時(shí)出現(xiàn)滑坡(Jaeger，1979)。對(duì)這一現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)未有滿意的解釋。庫(kù)水位(實(shí)線)與巖石位移(虛線)關(guān)系11滑坡位移速率與庫(kù)水位的關(guān)系：Müller1112

時(shí)至今日，按巖石水力學(xué)觀點(diǎn)這一現(xiàn)象在特定條件下是正常的。由于水在巖體中主要沿其中的裂隙運(yùn)動(dòng),實(shí)際流速通常比達(dá)西流速大4～6個(gè)量級(jí)，但土體中實(shí)際流速與達(dá)西流速大體相當(dāng)。這就是巖石水力學(xué)與孔隙介質(zhì)滲流學(xué)根本區(qū)別之一。巖石邊坡裂隙中的水位可與庫(kù)水位同步升降。Vajont近壩庫(kù)左岸滑坡滑面為靠背椅形。庫(kù)水位上升時(shí)，滑坡平段被水淹沒(méi)，巖石由濕重變?yōu)楦≈?，阻滑力減小，位移因而加大。反之，當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí)，阻滑力加大，位移就減小或停止。12時(shí)至今日，按巖石水力學(xué)觀點(diǎn)這一現(xiàn)1213緒論：理論的發(fā)展

法國(guó)Malpasset拱壩和意大利的Vajont水庫(kù)滑坡都說(shuō)明了水對(duì)巖體工程的重要影響，如何解決這一問(wèn)題成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。巖體水力學(xué)及多場(chǎng)耦合理論發(fā)展的研究基礎(chǔ)自20世紀(jì)50年代以來(lái)，現(xiàn)代巖石力學(xué)的理論、方法和技術(shù)都取得了長(zhǎng)足發(fā)展。巖石力學(xué)發(fā)展受到了若干重要的理論和技術(shù)的推動(dòng)。巖體力學(xué)的發(fā)展

1、首先，20世紀(jì)50年代以Muller為代表的奧地利學(xué)派提出了結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石力學(xué)特性和巖體穩(wěn)定性起控制作用的思想，其后以谷德振為代表的中國(guó)學(xué)者提出了巖體結(jié)構(gòu)新概念及巖體結(jié)構(gòu)控制巖體穩(wěn)定性的觀點(diǎn)，并逐步形成了以“結(jié)構(gòu)面和巖體結(jié)構(gòu)”為核心的巖體工程地質(zhì)力學(xué)理論；

13緒論：理論的發(fā)展法國(guó)Malpasset拱13142、其次，20世紀(jì)60年代末現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展為巖石力學(xué)提供了有效的分析手段和預(yù)測(cè)工具；

3、再者，各類室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及爆破開(kāi)挖、錨固支護(hù)、固結(jié)灌漿等施工技術(shù)的發(fā)展為正確認(rèn)識(shí)巖體、合理利用和改造巖體提供了技術(shù)支撐。

4、同時(shí)，巖石力學(xué)廣泛吸收和融合了力學(xué)學(xué)科、工程技術(shù)學(xué)科的最新研究成果。142、其次，20世紀(jì)60年代末現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及數(shù)值模擬1415多場(chǎng)耦合問(wèn)題的初現(xiàn)

1、在巖石力學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，20世紀(jì)70年代起步的巖土體介質(zhì)應(yīng)力(變形)、滲流、溫度等多場(chǎng)耦合研究，特別是20世紀(jì)90年代開(kāi)始的裂隙巖體熱-水-力-化學(xué)(THMC)耦合問(wèn)題的研究。凝練了巖土體變形和破壞的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，使得巖石力學(xué)研究建立在更加堅(jiān)實(shí)的物理和力學(xué)基礎(chǔ)上，極大地豐富了巖石力學(xué)的理論、方法和技術(shù)。15多場(chǎng)耦合問(wèn)題的初現(xiàn)15162、現(xiàn)代巖石力學(xué)已發(fā)展成為從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)出發(fā)，運(yùn)用連續(xù)和非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基本概念、模型和方法，研究巖體的應(yīng)力、強(qiáng)度、變形、破壞及流體-熱-化學(xué)傳輸?shù)任锢砹W(xué)特性，并解決工程巖體變形和穩(wěn)定性問(wèn)題的應(yīng)用力學(xué)學(xué)科。162、現(xiàn)代巖石力學(xué)已發(fā)展成為從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)出發(fā)16173、隨著工程建設(shè)的發(fā)展，工程技術(shù)難度越來(lái)越大，巖石力學(xué)與工程面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。無(wú)論是深部石油、天然氣及固體礦產(chǎn)資源的開(kāi)采，還是水電工程300m級(jí)高壩、深埋引水隧洞的建設(shè)，或是高放核廢料的深地質(zhì)處置，都迫切需要巖體多場(chǎng)耦合理論與分析技術(shù)的支持，以達(dá)到改善巖體工程性質(zhì)，提高資源開(kāi)采效率，節(jié)省工程建設(shè)投資，增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)能力的目的。173、隨著工程建設(shè)的發(fā)展，工程技術(shù)難度越來(lái)越1718多場(chǎng)廣義耦合理論的提出多場(chǎng)耦合理論的科學(xué)含義

1、研究對(duì)象：巖體多場(chǎng)耦合研究以巖體及其賦存環(huán)境為主要研究對(duì)象；

2、研究手段：以巖體地質(zhì)特征及賦存環(huán)境研究為基礎(chǔ)，以室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)、數(shù)值模擬為主要研究手段；

3、科學(xué)問(wèn)題：以巖體的應(yīng)力和變形、地下水和其他流體在巖體介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)、地溫及化學(xué)效應(yīng)之間的相互作用、相互影響為主要科學(xué)問(wèn)題；

4、研究目標(biāo)：以揭示多場(chǎng)耦合條件下巖體變形破壞、流體運(yùn)動(dòng)、巖體穩(wěn)定性的狀態(tài)和演化規(guī)律為主要研究目標(biāo)。18多場(chǎng)廣義耦合理論的提出1819多場(chǎng)廣義耦合理論的形成

1、多學(xué)科的交叉：巖體多場(chǎng)耦合研究涉及工程地質(zhì)、固體力學(xué)、復(fù)雜巖體多場(chǎng)廣義耦合分析導(dǎo)論流體力學(xué)、化學(xué)與環(huán)境、工程技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，明顯地具有多學(xué)科交叉研究的性質(zhì)。

2、經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，積累了豐碩的研究成果，已逐步發(fā)展成為具有巖石力學(xué)學(xué)科特色的研究領(lǐng)域。

3、近幾年來(lái)，結(jié)合我國(guó)水電工程巖體變形與穩(wěn)定性分析，將巖體應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及工程作用綜合起來(lái)考慮，研究多場(chǎng)耦合機(jī)理、耦合模型與數(shù)值模擬，初步形成了復(fù)雜巖體多場(chǎng)廣義耦合的理論和分析方法。19多場(chǎng)廣義耦合理論的形成19201、研究對(duì)象

巖體多場(chǎng)廣義耦合分析以巖體及其賦存環(huán)境作為研究對(duì)象，以工程巖體穩(wěn)定性研究為目標(biāo)，著重研究巖體利用和改造等工程作用對(duì)巖體應(yīng)力、強(qiáng)度、滲流、變形和破壞的影響。主要討論以下幾個(gè)基本概念：“復(fù)雜巖體”、“多場(chǎng)耦合”、“工程作用”“多場(chǎng)廣義耦合”201、研究對(duì)象巖體多場(chǎng)廣義耦合分析以巖20211.1復(fù)雜巖體的定義巖體作為多場(chǎng)耦合分析的主要研究對(duì)象，其地質(zhì)特征的描述、力學(xué)特性的分析以及工程性質(zhì)的評(píng)價(jià)既是多場(chǎng)耦合研究的基礎(chǔ)，又是需要研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。在多場(chǎng)廣義耦合研究中，采用“復(fù)雜巖體”一詞，以強(qiáng)調(diào)巖體的地質(zhì)特征、力學(xué)特性及工程性質(zhì)的復(fù)雜性。211.1復(fù)雜巖體的定義2122在地質(zhì)特征上：巖體是經(jīng)過(guò)地質(zhì)作用改造過(guò)的，由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體所組成并具有一定結(jié)構(gòu)特征的，賦存于物理地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。巖體的這一定義，至少有以下三層含義：三層含義：

1、一是巖體在地質(zhì)歷史時(shí)期曾經(jīng)受過(guò)復(fù)雜的內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用，巖體中發(fā)育了各種地質(zhì)構(gòu)造形跡。巖體作為地質(zhì)體，無(wú)一例外地打上了地質(zhì)建造和地質(zhì)改造的烙印，這是巖體區(qū)別于其他材料最顯著的特征。22在地質(zhì)特征上：2223三層含義：

2、二是巖體的基本組分可以用結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體進(jìn)行表征，其中結(jié)構(gòu)面用于對(duì)節(jié)理、裂隙、斷層、夾層及層間剪切錯(cuò)動(dòng)帶等構(gòu)造形跡的抽象，結(jié)構(gòu)體則是由結(jié)構(gòu)面切割所形成的巖塊。結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和組合關(guān)系決定了巖體結(jié)構(gòu)類型。通常將巖體結(jié)構(gòu)劃分為：整體結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)。23三層含義：2324三層含義：

3、三是巖體總是與一定的物理地質(zhì)環(huán)境相聯(lián)系。巖體是地質(zhì)建造和地質(zhì)改造的產(chǎn)物，因而地應(yīng)力場(chǎng)、地下水滲流場(chǎng)及地溫場(chǎng)是巖體主要的賦存環(huán)境。巖體的物理力學(xué)性質(zhì)除受巖體結(jié)構(gòu)控制外，還受其賦存環(huán)境的影響。24三層含義：2425在力學(xué)特性上:

巖體是不連續(xù)(discontinuous)、非均勻(inhomogeneous)、各向異性(anisotropic)與非彈性(not—elastic)介質(zhì)，Harrison與Hudson(2000)曾將其歸納為DIANE特性。

巖體的不連續(xù)性源于巖體中發(fā)育的各級(jí)各類結(jié)構(gòu)面，總體上巖體屬于不連續(xù)介質(zhì)，只是在實(shí)際問(wèn)題中常被簡(jiǎn)化為等效連續(xù)介質(zhì)。

非均勻、各向異性及非彈性反映了巖體特殊的物理力學(xué)性質(zhì)。巖體的組成，包括巖性及工程地質(zhì)巖組等決定了巖體的非均勻程度；結(jié)構(gòu)面及其組合型式，特別是巖體結(jié)構(gòu)類型和賦存環(huán)境決定了巖體的各向異性和變形特征。25在力學(xué)特性上:2526在工程性質(zhì)上:

巖體是工程利用和改造的對(duì)象，并通過(guò)工程作用使巖體的變形和強(qiáng)度特性、滲透特性滿足人類工程需求。

1、巖基工程中，一般將不滿足要求的風(fēng)化巖體挖除，保留微新巖體，對(duì)局部破碎巖體進(jìn)行置換或加固；

2、為達(dá)到防滲要求，還需進(jìn)行基礎(chǔ)灌漿形成防滲帷幕；

3、巖基抗滑穩(wěn)定，特別是深層抗滑穩(wěn)定是基礎(chǔ)穩(wěn)定性校核的重點(diǎn)。由此可見(jiàn)，對(duì)巖基工程而言，巖體的工程性質(zhì)主要指巖體的承載能力、防滲能力和抗滑能力。當(dāng)然，巖體工程性質(zhì)隨工程類型、巖體的地質(zhì)特征和力學(xué)性質(zhì)而變化。26在工程性質(zhì)上:2627小結(jié)：

以上從地質(zhì)特征、力學(xué)特性和工程性質(zhì)這三個(gè)方面，簡(jiǎn)要地論述多場(chǎng)廣義耦合研究中“復(fù)雜巖體”的含義。事實(shí)上，要深刻理解巖體特性還必須從上述三個(gè)視角加以剖析。

1、其中，巖體的地質(zhì)特征揭示了巖體的成因、組成、賦存環(huán)境和演化歷史等；

2、巖體的力學(xué)特性介于巖體地質(zhì)特征和工程性質(zhì)之間，揭示巖體變形和破壞的機(jī)理和規(guī)律；

3、巖體的工程性質(zhì)體現(xiàn)了工程的客觀要求及巖體對(duì)工程的適應(yīng)能力。27小結(jié)：2728

在這個(gè)意義上講，巖體地質(zhì)特征是物質(zhì)基礎(chǔ)，巖體力學(xué)特性是科學(xué)問(wèn)題，而巖體工程性質(zhì)是研究目標(biāo)。任何一項(xiàng)研究，目標(biāo)必須明確，基礎(chǔ)必須扎實(shí)，原理必須正確。因此，巖體力學(xué)與工程研究，必須在明確工程目標(biāo)的前提下，深入研究巖體地質(zhì)特征和巖體力學(xué)特性，忽略任何一方面的研究都會(huì)是不全面的，結(jié)果也可能是不可靠的。28在這個(gè)意義上講，巖體地質(zhì)特征是物質(zhì)基礎(chǔ)，巖體力學(xué)2829

不同的巖體稱謂：如節(jié)理巖體、大型巖體、加錨巖體、深部巖體等。這些不同的巖體稱謂，并不說(shuō)明巖體的本質(zhì)有什么不同，只是為了強(qiáng)調(diào)巖體某一方面的特點(diǎn)或特征以區(qū)別于一般巖體而已?！肮?jié)理巖體”：強(qiáng)調(diào)巖體中發(fā)育了成組節(jié)理，區(qū)別于節(jié)理、裂隙不發(fā)育或完整巖體；“大型巖體”：強(qiáng)調(diào)的是巖體的規(guī)模，是相對(duì)于小尺度巖體而言的；“加錨巖體”:強(qiáng)調(diào)了工程對(duì)巖體的錨固作用，是相對(duì)于一般未受工程作用的巖體而言的；“深部巖體”:則相對(duì)于一般淺表巖體，強(qiáng)調(diào)的是巖體賦存的深部物理地質(zhì)環(huán)境以及這一環(huán)境中特殊的巖體力學(xué)性質(zhì)。29不同的巖體稱謂：如節(jié)理巖體、大型巖體、加錨巖體、2930復(fù)雜巖體概念的總結(jié)一、是指具有復(fù)雜地質(zhì)特征并賦存于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中的巖體；二、是指具有復(fù)雜力學(xué)特性(變形、強(qiáng)度、滲流)的巖體；三、是指具有復(fù)雜工程性質(zhì)的巖體，尤其指在復(fù)雜條件下經(jīng)過(guò)工程利用和改造的巖體。由此可見(jiàn)，復(fù)雜巖體并不是一個(gè)新概念，而是強(qiáng)調(diào)巖體地質(zhì)特征與賦存環(huán)境、巖體力學(xué)特性和巖體工程性質(zhì)的復(fù)雜性，并試圖將這幾個(gè)方面作為一個(gè)整體系統(tǒng)加以研究，而非孤立地研究或片面地強(qiáng)調(diào)巖體某個(gè)方面的特性。30復(fù)雜巖體概念的總結(jié)30311.2多場(chǎng)耦合多場(chǎng)是對(duì)巖體應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等的簡(jiǎn)稱。耦合(coupling)通常指復(fù)雜系統(tǒng)中子系統(tǒng)之間的相互作用和相互影響。多場(chǎng)耦合是指巖體應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等之間的相互作用和相互影響。311.2多場(chǎng)耦合3132多場(chǎng)耦合的研究基礎(chǔ)：多場(chǎng)耦合首先是兩個(gè)場(chǎng)之間的耦合，如滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)之間的耦合，也稱HM耦合；溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)之間的耦合，也稱TH耦合；溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)之間的耦合，也稱TM耦合。32多場(chǎng)耦合的研究基礎(chǔ)：3233多場(chǎng)耦合的分類耦合問(wèn)題可分為直接耦合和間接耦合兩類。以HM耦合為例，直接耦合指力學(xué)變形與流體滲透之間的相互作用；

間接耦合指由于巖體變形和滲流的影響，巖體水力特性發(fā)生變化從而影響巖體的變形和滲流特性。例如，巖體受到各種荷載的作用，初始應(yīng)力場(chǎng)受到改造，巖體發(fā)生變形或破壞，從而巖體的滲透特性發(fā)生變化。相應(yīng)地，巖體滲透特性的變化又進(jìn)一步改造了巖體應(yīng)力場(chǎng)。這就顯示出巖體滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合關(guān)系。33多場(chǎng)耦合的分類3334巖體具有復(fù)雜的變形破壞機(jī)理，圖1-1給出了裂隙巖體變形機(jī)理的總體描述。

圖1-1裂隙巖體變形的總體描述法向應(yīng)力

34巖體具有復(fù)雜的變形破壞機(jī)理，圖1-1給出了裂隙巖體變形機(jī)3435

圖1-2為在法向應(yīng)力、剪應(yīng)力和三維壓應(yīng)力作用下，單裂隙、裂隙巖體滲透性的變化規(guī)律。由圖可見(jiàn)，單裂隙在法向應(yīng)力作用下壓縮，張開(kāi)度不斷減小，裂隙滲透系數(shù)隨法向應(yīng)力減小，最終趨于一個(gè)常數(shù)；圖1-2裂隙與巖體滲透性與變形的關(guān)系示意圖35圖1-2為在法向應(yīng)力、剪應(yīng)力和三維壓應(yīng)力作用下3536圖1-2裂隙與巖體滲透性與變形的關(guān)系示意圖

單裂隙在法向應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下，一開(kāi)始產(chǎn)生少量剪縮，滲透性降低，然后裂隙很快產(chǎn)生剪脹，滲透性增大，當(dāng)剪脹發(fā)揮到一定程度后滲透性趨于穩(wěn)定；

36圖1-2裂隙與巖體滲透性與變形的關(guān)系示意圖單3637

裂隙巖體在復(fù)雜應(yīng)力作用下，滲透性開(kāi)始時(shí)由于巖體體積壓縮而有所降低，而后隨著巖體體積膨脹滲透性迅速增大，當(dāng)進(jìn)入應(yīng)變軟化階段后巖體滲透性變化緩慢，甚至有所降低。單裂隙及裂隙巖體滲透特性變化的上述規(guī)律，包含了復(fù)雜的巖體水-力耦合機(jī)理。圖1-2裂隙與巖體滲透性與變形的關(guān)系示意圖37裂隙巖體在復(fù)雜應(yīng)力作用下，滲透性開(kāi)始時(shí)由于巖體體3738多場(chǎng)耦合在各領(lǐng)域的提法解釋在不同的研究領(lǐng)域，對(duì)多場(chǎng)耦合常有不同的提法，如“流固耦合”、“水-巖相互作用”、“熱-水-力耦合”等。

“流固耦合”通常側(cè)重于研究固體介質(zhì)和流體間的耦合效應(yīng)及基本規(guī)律；

“水-巖相互作用”主要研究在高溫高壓條件下，巖石和水發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律及其地球化學(xué)特征。38多場(chǎng)耦合在各領(lǐng)域的提法解釋3839

水利水電工程中所研究的巖體多場(chǎng)耦合強(qiáng)調(diào)巖體水-力耦合作用及其對(duì)巖體和水工建筑物變形與破壞規(guī)律的影響。

核廢料地質(zhì)處置中研究的多場(chǎng)耦合則側(cè)重于熱-水-力及化學(xué)過(guò)程的耦合效應(yīng)，國(guó)際巖石力學(xué)界稱之為T(mén)HMC耦合(Thermo-Hydro-MechanicalandChemicalCoupling)。盡管不同領(lǐng)域所研究的內(nèi)容和重點(diǎn)有所區(qū)別，但仍然存在許多相同或相似的科學(xué)問(wèn)題，可以相互借鑒和相互促進(jìn)。圖1-3為巖體應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合關(guān)系圖。39水利水電工程中所研究的巖體多場(chǎng)耦合強(qiáng)調(diào)巖體水-力3940圖1-3應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)之間的耦合關(guān)系圖40圖1-3應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)之間的耦合關(guān)系圖4041圖1-3多場(chǎng)耦合關(guān)系示意圖（考慮化學(xué)場(chǎng)）41圖1-3多場(chǎng)耦合關(guān)系示意圖（考慮化學(xué)場(chǎng)）4142

如果將應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合劃分為力學(xué)過(guò)程、流體流動(dòng)過(guò)程、熱流過(guò)程及其相互作用，則伴隨在這三個(gè)過(guò)程中的耦合關(guān)系和特征如表1-1所列。表1-1多場(chǎng)耦合關(guān)系和特征42如果將應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合劃分為力學(xué)過(guò)程42431.3工程作用為滿足工程對(duì)巖體變形、穩(wěn)定性及防滲性能的要求，對(duì)巖體進(jìn)行適度的改造是必需的。我們將工程對(duì)巖體的這種作用，稱為工程作用。工程作用可分為直接工程作用和間接工程作用。

直接工程作用：有施工開(kāi)挖、加固支護(hù)、防滲排水等；

間接工程作用：如大壩填筑引起巖體應(yīng)力水平提高、水庫(kù)蓄水引起巖體滲透壓力增大、庫(kù)水驟降導(dǎo)致異常滲透壓力等，雖然這些作用沒(méi)有直接改變巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，但通過(guò)改變巖體的應(yīng)力和滲流狀態(tài)而改造巖體。431.3工程作用4344

巖體既是工程作用的“客體”，又是地質(zhì)環(huán)境的“主體”。巖體的物理力學(xué)性質(zhì)既受地質(zhì)環(huán)境的影響，又受工程作用的改造，而且是相互作用和相互影響的。

1、大規(guī)模爆破開(kāi)挖、大幅度庫(kù)水變化等工程作用改變巖體的邊界條件、受力狀態(tài)以及賦存環(huán)境，導(dǎo)致巖體發(fā)生變形或破壞；

2、錨固支護(hù)、防滲排水等工程作用可在一定程度上改善巖體的滲流及力學(xué)特性。在工程作用過(guò)程中，巖體的滲透特性、力學(xué)特性都將發(fā)生變化，而這種變化反過(guò)來(lái)又將進(jìn)一步改變巖體賦存環(huán)境、巖體應(yīng)力和變形狀態(tài)。44巖體既是工程作用的“客體”，又是地質(zhì)環(huán)境的44453、爆破開(kāi)挖：對(duì)巖體進(jìn)行大規(guī)模的爆破開(kāi)挖是最常見(jiàn)也是最劇烈的工程作用。爆破開(kāi)挖對(duì)巖體的改造作用主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一、卸荷作用，形成二次應(yīng)力場(chǎng)，在卸荷的過(guò)程中巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形、擴(kuò)展或破壞，也可能萌生新的卸荷裂隙；二、爆炸應(yīng)力波對(duì)巖體的損傷，改變巖體的物理、力學(xué)、滲透及熱傳導(dǎo)特性；三、開(kāi)挖改變了巖體的邊界條件，局部巖體應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)都將發(fā)生變化。453、爆破開(kāi)挖：對(duì)巖體進(jìn)行大規(guī)模的爆破開(kāi)挖是最常見(jiàn)4546爆破開(kāi)挖的工程作用與多場(chǎng)耦合的關(guān)系爆破開(kāi)挖的卸荷作用和損傷作用可在巖體中形成開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)(EDZ)。開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)內(nèi)存在強(qiáng)烈的多場(chǎng)耦合作用，并對(duì)工程巖體穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。爆破開(kāi)挖形成的EDZ及多場(chǎng)耦合效應(yīng)與爆破開(kāi)挖方式、巖體結(jié)構(gòu)特征、地應(yīng)力水平等因素密切相關(guān)。這主要是因?yàn)樵诓煌谋崎_(kāi)挖方式、不同的巖體結(jié)構(gòu)特征、不同的地應(yīng)力水平條件下巖體往往具有不同的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制、裂紋擴(kuò)展及變形破壞機(jī)理。46爆破開(kāi)挖的工程作用與多場(chǎng)耦合的關(guān)系46474、加固作用對(duì)巖體進(jìn)行大范圍的加固支護(hù)是提高巖體強(qiáng)度和改善巖體變形性能最常用也是最有效的工程措施。這種工程作用對(duì)巖體的改造作用通過(guò)以下幾方面體現(xiàn)：首先，加固支護(hù)對(duì)巖體施加有利于穩(wěn)定的作用力，如預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿等通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力提高巖體抗裂、抗滑能力；或者像抗滑樁、抗剪洞這類加固措施，雖然不主動(dòng)提供作用力，但巖體一旦產(chǎn)生變形，就能提供限制變形的抗力。474、加固作用4748

其次，加固支護(hù)改善巖體結(jié)構(gòu)，提高巖體強(qiáng)度和抗變形能力，如系統(tǒng)錨桿或其他錨固措施，大量錨固件的植入以及錨固施工過(guò)程中的灌漿有利于提高巖體的完整性，還可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度，甚至改變巖體應(yīng)力傳遞機(jī)制及變形破壞模式。再者，對(duì)局部及關(guān)鍵部位的軟弱及破碎巖體常采用置換處理，以提高關(guān)鍵部位巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此外，錨固支護(hù)對(duì)巖體滲流也產(chǎn)生制約作用，伴隨在錨固支護(hù)中的灌漿或噴層可有效地減弱巖體滲透性，因而提高巖體滲透穩(wěn)定性。48其次，加固支護(hù)改善巖體結(jié)構(gòu)，提高巖體強(qiáng)度和抗48495、防滲排水工程措施防滲排水工程措施主要通過(guò)排水孔幕、防滲帷幕等滲控結(jié)構(gòu)，改變巖體的滲透性并降低滲透壓力，提高巖體的防滲能力。此外，一些間接工程作用可引起巖體應(yīng)力狀態(tài)的變化、巖體物理力學(xué)參數(shù)的調(diào)整。（1）水庫(kù)蓄水可能會(huì)引起水庫(kù)誘發(fā)地震；（2）天然強(qiáng)降雨或泄洪霧化強(qiáng)降雨入滲引起飽和區(qū)與非飽和區(qū)動(dòng)態(tài)變化，滲透力增大，可導(dǎo)致巖體變形或破壞。（3）庫(kù)水位大幅度驟變引起超滲透壓力，庫(kù)水位循環(huán)漲落變化則可能導(dǎo)致巖體潛在滑裂面力學(xué)參數(shù)弱化。495、防滲排水工程措施4950小結(jié)：工程作用對(duì)巖體的地質(zhì)特征、力學(xué)特性及工程性質(zhì)都將產(chǎn)生深刻的影響，而且其作用效應(yīng)是綜合性的。從多場(chǎng)耦合的角度分析，工程作用相對(duì)于地質(zhì)作用而言，這種作用在相對(duì)短暫的時(shí)間內(nèi)完成，并以強(qiáng)制性方式改變巖體物理力學(xué)性質(zhì)，改變巖體邊界條件，改變巖體的應(yīng)力、滲流及熱流狀態(tài)。因此，工程作用是多場(chǎng)耦合作用過(guò)程中最活躍、最強(qiáng)烈的因素。當(dāng)然，相對(duì)于地質(zhì)作用過(guò)程，人們更容易對(duì)工程作用過(guò)程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。50小結(jié)：50511.4多場(chǎng)廣義耦合定義多場(chǎng)耦合：正如前述，一般將巖體應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及化學(xué)場(chǎng)等之問(wèn)的耦合稱為多場(chǎng)耦合。多場(chǎng)廣義耦合：在多場(chǎng)耦合的基礎(chǔ)上，考慮巖體的施工開(kāi)挖、錨固支護(hù)、防滲排水等工程作用對(duì)巖體應(yīng)力、變形、滲(熱)流運(yùn)動(dòng)特征的影響，將這種工程作用也納入耦合體系中，稱之為多場(chǎng)廣義耦合。很顯然，多場(chǎng)廣義耦合實(shí)際上就是一般的多場(chǎng)耦合納入了工程作用效應(yīng)。多場(chǎng)耦合研究主要考慮經(jīng)典物理場(chǎng)(化學(xué)場(chǎng))之間的耦合作用，而多場(chǎng)廣義耦合研究納入了巖體工程作用這類非經(jīng)典物理場(chǎng)的綜合作用效應(yīng)。當(dāng)然，不能簡(jiǎn)單地將多場(chǎng)廣義耦合理解為“多場(chǎng)耦合加上工程作用”。511.4多場(chǎng)廣義耦合定義5152多場(chǎng)廣義耦合的提法諸如水利水電、礦山工程中，以巖體穩(wěn)定性為研究目標(biāo)的多場(chǎng)廣義耦合分析，考慮巖體工程作用效應(yīng)對(duì)于控制巖體變形和破壞，提高巖體穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此，采用“多場(chǎng)廣義耦合”的提法，試圖拓展傳統(tǒng)多場(chǎng)耦合分析的范圍，明確耦合分析的針對(duì)性，提高分析成果工程應(yīng)用的可靠性。值得指出，這里因?yàn)閺?qiáng)調(diào)工程作用效應(yīng)，故將其納入多場(chǎng)耦合分析體系中，隨著研究領(lǐng)域的擴(kuò)大和研究的不斷深入，同樣可以將現(xiàn)在還沒(méi)有考慮的其他因素予以納入，只要這些因素確實(shí)與巖體應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等存在耦合關(guān)系，這是“廣義”一詞所賦予的外延。52多場(chǎng)廣義耦合的提法5253

圖1-4為多場(chǎng)廣義耦合關(guān)系示意圖。由圖可見(jiàn)，滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、工程作用等多場(chǎng)廣義耦合系統(tǒng)由各場(chǎng)之間的子耦合系統(tǒng)共同組成。每一個(gè)子系統(tǒng)的耦合作用又不是簡(jiǎn)單靜態(tài)的，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)往復(fù)的作用鏈。即某一場(chǎng)的變化必然引起另一場(chǎng)的變化，而另一場(chǎng)的變化又反過(guò)來(lái)影響前一場(chǎng)的變化，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止。圖1-4多場(chǎng)廣義耦合關(guān)系示意圖(考慮工程作用)53圖1-4為多場(chǎng)廣義耦合關(guān)系示意圖。圖1-5354圖1-4多場(chǎng)廣義耦合關(guān)系示意圖(考慮工程作用)

工程作用在多場(chǎng)廣義耦合體系中處于十分重要的位置，通過(guò)提供工程作用力，改變邊界條件，改變巖體物理力學(xué)特性全面參與巖體應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的耦合。工程作用參與巖體多場(chǎng)耦合，具有復(fù)雜的耦合過(guò)程和耦合機(jī)理。54圖1-4多場(chǎng)廣義耦合關(guān)系示意圖(考慮工程作用)5455耦合系統(tǒng)的解釋：復(fù)雜的大系統(tǒng)由相對(duì)簡(jiǎn)單的子系統(tǒng)組合與耦合組成，這是客觀世界的普遍規(guī)律。采用經(jīng)典物理場(chǎng)進(jìn)行耦合分析時(shí)，巖體應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)之間的相互作用是雙向耦合，但工程作用參與多場(chǎng)耦合大多是單向的。事實(shí)上，工程作用引起巖體物理場(chǎng)的變化可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到，對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行及時(shí)的反饋分析，當(dāng)確認(rèn)工程作用引起的這種變化將危及巖體穩(wěn)定和工程安全時(shí)，就必須對(duì)相應(yīng)的工程措施進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在這個(gè)意義上，工程作用參與多場(chǎng)耦合也是雙向的。因此，采用巖體多場(chǎng)廣義耦合理論和方法進(jìn)行諸如邊坡工程、地下工程巖體穩(wěn)定性研究時(shí)，可以更好地將巖體工程動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)反饋分析、信息化施工結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到既安全可靠，又經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)。55耦合系統(tǒng)的解釋：55562、研究意義

復(fù)雜巖體多場(chǎng)廣義耦合研究需要在理論、技術(shù)和應(yīng)用三個(gè)層面上揭示巖體多場(chǎng)耦合機(jī)理，建立巖體多場(chǎng)耦合模型，模擬巖體變形破壞及演化規(guī)律，進(jìn)而合理地利用和改造工程巖體。在水電工程建設(shè)中，多場(chǎng)廣義耦合分析可更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)高壩復(fù)雜巖基、高地應(yīng)力和高外水壓力下的深埋洞室圍巖、高陡巖質(zhì)邊坡巖體的穩(wěn)定性，并為采取有效合理的滲流控制措施提供理論依據(jù)，而且對(duì)研究水庫(kù)誘發(fā)地震的發(fā)震機(jī)制、空間分布與強(qiáng)度等也有指導(dǎo)意義。因此，復(fù)雜巖體多場(chǎng)廣義耦合研究不僅具有重要的理論意義，而且具有廣闊的應(yīng)用前景。下面將從研究熱點(diǎn)、工程需求和學(xué)科特色三方面進(jìn)一步予以論述。562、研究意義

復(fù)雜巖體多場(chǎng)廣義耦合研究需要在56572.1巖石力學(xué)研究的熱點(diǎn)自20世紀(jì)80年代以來(lái)，巖體多場(chǎng)耦合問(wèn)題已逐步成為國(guó)際巖石力學(xué)研究的熱點(diǎn)。西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家建立了大型地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展不同地質(zhì)介質(zhì)的多場(chǎng)耦合特性研究：如美國(guó)能源部的YuccaMountain國(guó)家地下實(shí)驗(yàn)室(凝灰?guī)r)、加拿大的Whiteshell地下實(shí)驗(yàn)室(花崗巖)、法國(guó)的Bure地下實(shí)驗(yàn)室(頁(yè)巖)、瑞典的Aspo地下硬巖實(shí)驗(yàn)室(花崗巖)、瑞士的Grimsel地下實(shí)驗(yàn)室(花崗巖)、德國(guó)的Corleben地下實(shí)驗(yàn)室(巖鹽)、比利時(shí)的Mol地下黏土實(shí)驗(yàn)室等，開(kāi)展了豐富的大型地下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。572.1巖石力學(xué)研究的熱點(diǎn)5758

這些研究為建立考慮巖體賦存環(huán)境的巖體物理力學(xué)及化學(xué)模型提供了支持，并為開(kāi)發(fā)考慮節(jié)理巖體和巖土體介質(zhì)耦合作用的大型計(jì)算機(jī)模擬軟件提供了實(shí)證數(shù)據(jù)，從而為巖石工程的設(shè)計(jì)施工和環(huán)境安全評(píng)估提供了重要的手段和途徑。有關(guān)巖體多場(chǎng)耦合問(wèn)題的研究，目前主要涉及應(yīng)力、溫度、水流、化學(xué)傳輸?shù)膬蓤?chǎng)或三場(chǎng)耦合過(guò)程，關(guān)于化學(xué)場(chǎng)的研究才剛剛開(kāi)始。58這些研究為建立考慮巖體賦存環(huán)境的巖體物理5859國(guó)外的具體研究項(xiàng)目：例如，美國(guó)在YuccaMountain進(jìn)行了應(yīng)力-水流-溫度和水流-溫度-化學(xué)傳輸耦合過(guò)程的研究，并著手進(jìn)行應(yīng)力水流-溫度-化學(xué)傳輸四場(chǎng)耦合過(guò)程方面的研究。美、日、英、法、德、西、瑞、芬、加等國(guó)家聯(lián)合資助的以THMC耦合為主要科學(xué)問(wèn)題的DECOVALEX計(jì)劃是該領(lǐng)域最具影響力的大型國(guó)際合作科研計(jì)劃之一。該國(guó)際合作計(jì)劃在2004年開(kāi)始實(shí)施了第4期研究計(jì)劃，并于2021年啟動(dòng)第5期研究計(jì)劃。59國(guó)外的具體研究項(xiàng)目：5960國(guó)內(nèi)的研究：國(guó)內(nèi)對(duì)巖體多場(chǎng)耦合研究雖然起步較晚，試驗(yàn)條件也相對(duì)落后，但在巖體多場(chǎng)耦合相關(guān)的許多研究方向上開(kāi)展了研究，對(duì)多場(chǎng)耦合問(wèn)題之重視以及研究隊(duì)伍之龐大是前所未有的。在國(guó)家自然科學(xué)基金過(guò)去資助的項(xiàng)目中，有關(guān)“裂隙巖體的滲透特性與規(guī)律、裂隙巖體的滲流概化模型、滲流與巖體應(yīng)力的耦合分析”，以及“巖石介質(zhì)與流體和含水體系相互作用研究”等已被列為優(yōu)先資助的前沿性課題。近年來(lái)，將應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及工程擾動(dòng)作用綜合起來(lái)考慮，研究多場(chǎng)耦合機(jī)理、耦合模型，初步形成了復(fù)雜巖體多場(chǎng)廣義耦合的理論和分析方法，并在巖石力學(xué)與工程部分列出了7個(gè)今后重點(diǎn)研究領(lǐng)域。60國(guó)內(nèi)的研究：6061

由此可見(jiàn)，巖體多場(chǎng)廣義耦合已經(jīng)成為、而且在今后一段時(shí)間內(nèi)還將是國(guó)內(nèi)外巖石力學(xué)研究的熱點(diǎn)。這些研究將有助于加深對(duì)諸如巖體的滲透模式、滲流機(jī)制及基本規(guī)律等巖體多場(chǎng)耦合基本科學(xué)問(wèn)題的理解，從而豐富巖體力學(xué)基本理論和分析方法；其次，這些研究將幫助人們從多場(chǎng)廣義耦合的角度加深對(duì)巖體變形破壞機(jī)理、穩(wěn)定性狀態(tài)和演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，從而增強(qiáng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)的能力。因此，巖體多場(chǎng)廣義耦合研究具有重要的理論意義。61由此可見(jiàn)，巖體多場(chǎng)廣義耦合已經(jīng)成為、而且在今61622.2重大工程建設(shè)的需求1．水利工程我國(guó)水資源分布不均，北方地區(qū)嚴(yán)重缺水，長(zhǎng)距離、跨流域調(diào)水工程是21世紀(jì)我國(guó)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略舉措。以西線、中線和東線南水北調(diào)工程為主的跨區(qū)域長(zhǎng)距離調(diào)水工程將是今后20～30年內(nèi)水利建設(shè)的重點(diǎn)。東線、中線和西線工程都涉及復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題。其中東線、中線工程正在實(shí)施中，西線工程正在規(guī)劃論證中。622.2重大工程建設(shè)的需求6263西線調(diào)水工程：涉及的巖土工程問(wèn)題更為復(fù)雜，如低氣壓、缺氧、寒冷、高海拔、深覆蓋及復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋大直徑的長(zhǎng)引水隧洞等。西線工程所在地區(qū)是青藏高原地貌的陡變帶，具有復(fù)雜的地形地貌和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景。地層以三疊系分布最廣，巖性主要是淺變質(zhì)薄一中厚層砂、板巖，呈韻律互層，為陡傾角地層；水文地質(zhì)條件復(fù)雜，裂隙水發(fā)育，板巖遇水強(qiáng)度明顯降低。褶皺構(gòu)造及層間擠壓帶非常發(fā)育，斷裂構(gòu)造大多形成于中生代，以北西向斷裂為主，第四紀(jì)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈。63西線調(diào)水工程：涉及的巖土工程問(wèn)題更為復(fù)雜，如低氣壓、缺氧6364其他調(diào)水工程：除了南水北調(diào)工程外，還有許多地方調(diào)水工程。

云南滇中調(diào)水工程，從虎跳峽水庫(kù)引水，利用洱海做反調(diào)節(jié)水庫(kù)，向大理楚雄到昆明滇池調(diào)水，引水線路長(zhǎng)408km，其中隧洞249km；

新疆伊犁河調(diào)水工程，包括長(zhǎng)達(dá)40km引水隧洞，最大埋深可達(dá)2000m；還有為解決關(guān)中水資源短缺的陜西調(diào)水工程，甘肅省引洮工程等。這些長(zhǎng)距離調(diào)水工程的設(shè)計(jì)和施工都將遇到許多巖體及賦存環(huán)境、工程作用等多場(chǎng)耦合及其所引起的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題的挑戰(zhàn)。64其他調(diào)水工程：除了南水北調(diào)工程外，還有許多地方調(diào)水工程。64652．水電工程我國(guó)是世界上水能資源最豐富的國(guó)家之一，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量約4億kw。大力開(kāi)發(fā)水電，減緩煤電對(duì)生態(tài)環(huán)境污染，已成為我國(guó)能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略方針和措施。在國(guó)家實(shí)施的“西電東輸”的水電能源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略中，龍灘、小灣、溪洛渡、向家壩、錦屏一級(jí)和二級(jí)、瀑布溝、糯扎渡、拉西瓦等一批大型、特大型水電站已開(kāi)始興建或?qū)⒁_(kāi)工。這些電站均位于西部地區(qū)，西部地區(qū)將是今后我國(guó)水能資源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。652．水電工程6566

縱觀我國(guó)西部在建和即將興建的一系列水電工程，移民安置、環(huán)境保護(hù)、庫(kù)壩安全及高效運(yùn)行等是工程需要研究和解決的重大問(wèn)題。就工程本身而言，“工程規(guī)模巨大、地質(zhì)環(huán)境惡劣、工程作用強(qiáng)烈”是其重要特征。其中，地質(zhì)環(huán)境惡劣主要表現(xiàn)為“三高”，即：高地應(yīng)力、高滲透壓、高地震烈度，主要表現(xiàn)為：66縱觀我國(guó)西部在建和即將興建的一系列水電6667(1)高地應(yīng)力問(wèn)題嚴(yán)重。西部地區(qū)的水電站，由于受地形條件限制，大型或超大型地下洞室群、長(zhǎng)大隧洞等引水發(fā)電建筑物大都布置在深部巖體中。如錦屏二級(jí)水電站，穿越錦屏山的4條引水隧洞平均長(zhǎng)度16.66km，開(kāi)挖洞徑13m，襯砌后洞徑11.8m，埋深1500～2000m，最大埋深約為2525m；埋深為1843m的長(zhǎng)探洞內(nèi)實(shí)測(cè)最大地應(yīng)力值已達(dá)42.11MPa，預(yù)測(cè)引水洞線附近最大地應(yīng)力將達(dá)54MPa。67(1)高地應(yīng)力問(wèn)題嚴(yán)重。西部地區(qū)的水電6768(2)高滲透壓?jiǎn)栴}突出。西部地區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，特別是巖溶地區(qū)易于形成集中滲流通道。隧洞開(kāi)挖可能出現(xiàn)高壓涌水甚至爆發(fā)突水及碎屑流災(zāi)害。例如，錦屏二級(jí)水電站的5km長(zhǎng)探洞勘探和試驗(yàn)研究表明，探洞中單點(diǎn)最大集中涌水量達(dá)4.9lm3／s，封堵后的最大水壓力達(dá)10.22MPa。68(2)高滲透壓?jiǎn)栴}突出。西部地區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)6869(3)高地震烈度問(wèn)題罕見(jiàn)。西部地區(qū)活動(dòng)斷裂發(fā)育，活動(dòng)斷層有371條，總長(zhǎng)度2.8萬(wàn)km。三江地區(qū)：位于青藏高原向四川盆地過(guò)渡地帶，地勢(shì)北高南低，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，活動(dòng)斷裂發(fā)育，地震活動(dòng)頻繁，山崩、滑坡、泥石流等地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。大渡河上的大崗山水電站設(shè)防烈度達(dá)到X度，壩基巖體變形穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定問(wèn)題十分突出。69(3)高地震烈度問(wèn)題罕見(jiàn)。西部地區(qū)活動(dòng)6970

在高地應(yīng)力、高滲透壓聯(lián)合作用下的巖體變形破壞機(jī)理，與低地應(yīng)力、低滲透壓作用情況相比有其顯著特點(diǎn)。

1、高地應(yīng)力：在開(kāi)挖過(guò)程中，由于高地應(yīng)力釋放，使堅(jiān)硬脆性巖體發(fā)生巖爆。高圍壓的長(zhǎng)期作用有可能導(dǎo)致巖體脆性轉(zhuǎn)為延性，發(fā)生大變形，造成圍巖成洞困難，而深部巖體的流變、滲透壓產(chǎn)生的外水壓力可能對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。70在高地應(yīng)力、高滲透壓聯(lián)合作用下的巖體變形破壞70712、高地應(yīng)力、高滲透壓條件下巖體的滲流特性，尤其是深部巖溶發(fā)育地區(qū)的地下水補(bǔ)徑排條件給施工期的滲流控制造成極大困難。高滲透壓力作用下：裂隙巖體內(nèi)節(jié)理裂隙擴(kuò)展，從而加劇了工程巖體強(qiáng)度的弱化，產(chǎn)生圍巖高壓滲透失穩(wěn)。總之，高地應(yīng)力與強(qiáng)滲透壓的聯(lián)合作用將使巖體的應(yīng)力-滲流耦合效應(yīng)更加突出。712、高地應(yīng)力、高滲透壓條件下巖體的滲流特性71723．核廢料處置工程研究的重要性隨著核工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)也已面臨如何處置核廢料的問(wèn)題。按照核能規(guī)劃估計(jì)，到2021年我國(guó)核廢料積存量將達(dá)1000t，到2021年達(dá)2000t。因此，尋求安全、有效、永久性處置高放核廢料已經(jīng)成為我國(guó)較為緊迫的研究課題。核廢料的特性由于核廢料含有毒性大、半衰期長(zhǎng)、發(fā)熱量高的強(qiáng)放射性核素，發(fā)生在1998年3月美國(guó)華盛頓州中部的放射性核廢料自行泄漏事故，使核廢料深埋地質(zhì)貯存的安全性問(wèn)題尤顯突出，也引起國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注。因此，高放核廢料安全處置是保證核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境和人類健康的一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù)。723．核廢料處置工程7273核廢料貯庫(kù)與多場(chǎng)耦合的關(guān)系

貯庫(kù)的特點(diǎn)：核廢料貯庫(kù)圍巖介質(zhì)賦存環(huán)境是一個(gè)涉及熱、水、力、化學(xué)物質(zhì)(THMC)耦合作用的復(fù)雜動(dòng)態(tài)體系，具有埋深大、周期長(zhǎng)、溫度高、滲透壓力大等顯著特點(diǎn)。

變形與滲流特性：對(duì)于一般的核廢料貯存庫(kù)，埋深均達(dá)到500m以上，如美國(guó)目前在建的位于新墨西哥州的核廢料隔離試驗(yàn)場(chǎng)，選址于658m深的鹽巖礦床內(nèi)。受開(kāi)挖擾動(dòng)的影響，深埋貯庫(kù)圍巖將處于較高的擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)中，從而引起圍巖發(fā)生變形、松動(dòng)，導(dǎo)致巖體滲透特性發(fā)生變化。

熱特性：同時(shí)，放射性同位素衰變產(chǎn)生大量的熱量，不僅影響巖體的應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)，而且也將對(duì)巖體及地下水的物理化學(xué)性質(zhì)、核素遷移速率以及水-巖相互作用產(chǎn)生影響。73核廢料貯庫(kù)與多場(chǎng)耦合的關(guān)系7374

這種熱力學(xué)效應(yīng)是高放核廢料地質(zhì)處置安全評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。此外，在初始地應(yīng)力場(chǎng)、擾動(dòng)圍巖應(yīng)力場(chǎng)和熱應(yīng)力的共同作用下，深埋貯庫(kù)圍巖介質(zhì)高壓滲流場(chǎng)的滲透模式將發(fā)生變化，進(jìn)而引起污染物的遷移運(yùn)動(dòng)。因此，開(kāi)展高放核廢料地質(zhì)處置安全性評(píng)價(jià)，需要圍繞貯庫(kù)圍巖介質(zhì)復(fù)雜的賦存環(huán)境，結(jié)合圍巖介質(zhì)自身的結(jié)構(gòu)特征，綜合考慮各物理場(chǎng)之間的耦合作用效應(yīng)。74這種熱力學(xué)效應(yīng)是高放核廢料地質(zhì)處置安全評(píng)價(jià)中7475

上述問(wèn)題不僅對(duì)工程設(shè)計(jì)施工提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，即如何在惡劣的地質(zhì)環(huán)境條件下合理地利用和改造巖體，并避免因不當(dāng)?shù)墓こ檀胧┮馂?zāi)害，達(dá)到“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、環(huán)境友好”的工程目標(biāo)；而且，在理論上需要進(jìn)一步闡明巖體及其賦存的地質(zhì)環(huán)境與工程作用之間的耦合機(jī)理，從而為采取合理的工程控制措施提供科學(xué)依據(jù)。75上述問(wèn)題不僅對(duì)工程設(shè)計(jì)施工提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，即7576多場(chǎng)廣義耦合的應(yīng)用前景

1、在水利水電工程方面，多場(chǎng)廣義耦合分析可更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)高壩復(fù)雜巖基、高地應(yīng)力和高外水壓力下的深埋洞室圍巖、高陡邊坡巖體的穩(wěn)定性，并為采取有效合理的滲流控制措施提供理論依據(jù)。

2、在核廢料處理方面，有助于工業(yè)核廢料的安全儲(chǔ)存設(shè)計(jì)，防止核廢料對(duì)地下水資源污染。

3、在石油和天然氣開(kāi)采中，為優(yōu)化開(kāi)采方案并預(yù)測(cè)由于開(kāi)采、回灌等所引起的地質(zhì)災(zāi)害提供理論支持?？梢?jiàn)，復(fù)雜巖體多場(chǎng)廣義耦合研究具有廣闊的應(yīng)用前景。76多場(chǎng)廣義耦合的應(yīng)用前景76772.3巖石力學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物

巖石力學(xué)研究主要是從20世紀(jì)50年代開(kāi)始的，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)成立于1962年。

50多年來(lái)，經(jīng)過(guò)各國(guó)巖石力學(xué)工作者的努力，巖石力學(xué)的試驗(yàn)、理論、方法和技術(shù)等方面都取得了快速發(fā)展，并在許多重大工程中進(jìn)行了成功的實(shí)踐，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。在大量的工程實(shí)踐中逐步形成了具有巖石力學(xué)特色的材料本構(gòu)關(guān)系、試驗(yàn)方法、數(shù)值模擬方法、工程巖體加固方法等理論和技術(shù)體系。772.3巖石力學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物7778

但必須看到，盡管巖石力學(xué)的研究?jī)?nèi)容十分豐富，其理論和應(yīng)用成果也相當(dāng)豐碩，但作為一門(mén)學(xué)科，對(duì)其獨(dú)特的理論、方法和技術(shù)尚缺乏進(jìn)一步的凝練和挖掘，以至于普遍認(rèn)為：巖石力學(xué)的理論基礎(chǔ)仍主要源于固體力學(xué)、流體力學(xué)及土力學(xué)；與土力學(xué)相比，屬于巖石力學(xué)特有的理論和方法就太少了。78但必須看到，盡管巖石力學(xué)的研究?jī)?nèi)容十分豐富，7879土力學(xué)的特點(diǎn)土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，是由固相、液相和氣相組成的三相分散體。1925年Terzaghi出版了第一本《土力學(xué)》著作，奠定了學(xué)科基礎(chǔ)。眾所周知，土力學(xué)中的“有效應(yīng)力原理”、“固結(jié)理論”、“土坡穩(wěn)定分析”是其特有的理論和方法；可以設(shè)想，如果土力學(xué)中少了這三個(gè)獨(dú)特的理論和方法，那它作為一門(mén)學(xué)科就蒼白多了。土力學(xué)中的“有效應(yīng)力原理”、“固結(jié)理論”主要源于土體是多孔力學(xué)介質(zhì)。當(dāng)土骨架的空隙為液相和氣相所填滿時(shí)，作用于骨架的有效應(yīng)力為總應(yīng)力與流體壓力之差，從而有了“有效應(yīng)力原理”；同樣地，當(dāng)液體和氣體從空隙中排出，有效應(yīng)力增大，土顆粒重新排列、骨架發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，因而空隙受到壓縮，并伴隨土體壓縮變形和強(qiáng)度的提高。79土力學(xué)的特點(diǎn)7980巖石力學(xué)的特點(diǎn)

巖體是具有結(jié)構(gòu)特征的裂隙介質(zhì)，巖體地質(zhì)特征、巖體力學(xué)特性和巖體工程性質(zhì)是巖石力學(xué)研究的重要內(nèi)容。那么，巖石力學(xué)作為一門(mén)正式的學(xué)科在50多年的發(fā)展中已經(jīng)形成了哪些獨(dú)特的理論、方法和技術(shù)呢？要回答這樣的問(wèn)題，簡(jiǎn)單地與其他學(xué)科相比是不可能找出答案的。從巖體地質(zhì)特性與賦存環(huán)境、巖體力學(xué)特性和巖體工程性質(zhì)三方面挖掘巖石力學(xué)的學(xué)科特色，并初步認(rèn)為“巖體結(jié)構(gòu)控制論、巖體多場(chǎng)耦合論、巖體工程作用論”是具有巖石力學(xué)學(xué)科特色的三個(gè)基本理論。80巖石力學(xué)的特點(diǎn)80811、巖體結(jié)構(gòu)控制論巖體結(jié)構(gòu)控制論是工程地質(zhì)學(xué)最基本的理論。谷德振倡導(dǎo)的巖體工程地質(zhì)力學(xué)，其基本指導(dǎo)思想就是“地質(zhì)體結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)定性起控制作用”的論點(diǎn)。王思敬將其具體表述為以下三點(diǎn)：

①巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定著它的工程地質(zhì)力學(xué)特性，這些特性是地質(zhì)體受工程荷載或自然應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)特性的反應(yīng)；

②巖體結(jié)構(gòu)對(duì)其變形、破壞機(jī)制起控制作用，并影響其穩(wěn)定性，工程地質(zhì)體的穩(wěn)定性本質(zhì)上是其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；

③巖體結(jié)構(gòu)和工程結(jié)構(gòu)之間有相互作用，地質(zhì)環(huán)境對(duì)工程的影響和工程改造環(huán)境之間有密切的聯(lián)系。811、巖體結(jié)構(gòu)控制論8182

孫廣忠提出了“巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)”這一命題，對(duì)巖體變形與破壞及其力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究：

1、將巖體劃分為連續(xù)介質(zhì)、碎裂介質(zhì)、塊裂介質(zhì)及板裂介質(zhì)等4種力學(xué)介質(zhì)，提出了巖體力學(xué)是由這4種介質(zhì)構(gòu)成的力學(xué)體系，并對(duì)碎裂介質(zhì)巖體力學(xué)及板裂介質(zhì)巖體力學(xué)進(jìn)行了深入研究；

2、提出了巖體變形系由巖石材料變形和巖體結(jié)構(gòu)變形共同構(gòu)成的概念，研究了巖石材料變形和巖體結(jié)構(gòu)變形的基本規(guī)律；

3、提出了巖體變形破壞系受巖體結(jié)構(gòu)控制的基本觀點(diǎn)，建立了多種破壞機(jī)制及其判據(jù)等。82孫廣忠提出了“巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)”這一命題，對(duì)巖8283小結(jié)：1、巖體結(jié)構(gòu)控制論的物質(zhì)基礎(chǔ)

不同類型、級(jí)別和自然特征的結(jié)構(gòu)面及其切割而成的不同大小和形狀的結(jié)構(gòu)體，賦予了巖體各不相同的結(jié)構(gòu)特征，這是巖體結(jié)構(gòu)控制論的物質(zhì)基礎(chǔ)。因?yàn)椴煌膸r體結(jié)構(gòu)類型具有不同的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征，對(duì)巖體變形和破壞機(jī)理、應(yīng)力傳遞規(guī)律、滲透特性及其他物理力學(xué)性質(zhì)具有控制作用。83小結(jié)：8384巖體結(jié)構(gòu)控制論的內(nèi)涵巖體結(jié)構(gòu)控制論與米勒(Muller)關(guān)于節(jié)理巖體地質(zhì)力學(xué)的觀點(diǎn)既一脈相承，又與時(shí)俱進(jìn)。應(yīng)該說(shuō)，巖體結(jié)構(gòu)控制論是對(duì)節(jié)理巖體地質(zhì)力學(xué)思想的繼承和發(fā)展，包含著深刻的巖體成因、演化及與工程相互作用的哲學(xué)思想，形成了較為完整的概念、方法、準(zhǔn)則等理論體系。84巖體結(jié)構(gòu)控制論的內(nèi)涵8485巖石力學(xué)與巖體結(jié)構(gòu)控制論的關(guān)系：巖石力學(xué)中有關(guān)巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性的研究、節(jié)理巖體本構(gòu)關(guān)系的研究、巖體力學(xué)性質(zhì)及尺寸效應(yīng)研究、基于巖體結(jié)構(gòu)特征的各種數(shù)值模擬方法研究、針對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的相關(guān)試驗(yàn)方法和技術(shù)研究等都是建立在巖體結(jié)構(gòu)控制論這一論點(diǎn)基礎(chǔ)上的。例如，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦的描述節(jié)理面粗糙度的10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)剖面以及Barton的節(jié)理面抗剪強(qiáng)度公式，就是源于結(jié)構(gòu)面性狀起控制作用的認(rèn)識(shí)。還比如，石根華的塊體理論及DDA方法也是源于巖體結(jié)構(gòu)控制論以及變形主要由結(jié)構(gòu)面控制的觀點(diǎn)。85巖石力學(xué)與巖體結(jié)構(gòu)控制論的關(guān)系：8586

很難設(shè)想，如果沒(méi)有節(jié)理巖體地質(zhì)力學(xué)及巖體結(jié)構(gòu)控制論的指導(dǎo)，現(xiàn)今的巖石力學(xué)研究會(huì)是怎樣的狀況？也許還停留在巖塊力學(xué)研究階段。有學(xué)者會(huì)指出，巖體結(jié)構(gòu)面及巖體結(jié)構(gòu)屬于工程地質(zhì)學(xué)科的內(nèi)容，不應(yīng)該歸入巖石力學(xué)學(xué)科。誠(chéng)然，有關(guān)巖體結(jié)構(gòu)面和巖體結(jié)構(gòu)的概念是工程地質(zhì)學(xué)科最早提出的，有關(guān)巖體地質(zhì)特征也是工程地質(zhì)研究的重要內(nèi)容。但是，巖體結(jié)構(gòu)控制論不僅僅是關(guān)于巖體地質(zhì)特征的理論，更重要的是關(guān)于巖體變形、破壞和穩(wěn)定性的理論。更何況，人為地將工程地質(zhì)與巖石力學(xué)割裂開(kāi)來(lái)是不科學(xué)的，工程地質(zhì)的研究成果是巖石力學(xué)的物質(zhì)基礎(chǔ)，巖石力學(xué)正是在這一物質(zhì)基礎(chǔ)上研究相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題。86很難設(shè)想，如果沒(méi)有節(jié)理巖體地質(zhì)力學(xué)及巖體結(jié)構(gòu)86872．巖體多場(chǎng)耦合論巖體的應(yīng)力、強(qiáng)度、變形、破壞及穩(wěn)定性是巖石力學(xué)研究的核心內(nèi)容。巖體賦存的物理地質(zhì)環(huán)境是巖體地質(zhì)屬性的重要特征。如果將巖體的賦存環(huán)境作為一個(gè)系統(tǒng)，那么，應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)等就是這個(gè)系統(tǒng)的子系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間必然存在相互作用與相互影響，其相互作用的機(jī)理及相互作用的強(qiáng)弱程度決定了系統(tǒng)特征與功能。一方面，巖體賦存于應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)等物理地質(zhì)環(huán)境中；另一方面，巖體作為一種介質(zhì)，它又是應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)等的載體。因此，巖體物理力學(xué)特性不僅受賦存環(huán)境中單一因素的影響，而且受多場(chǎng)耦合綜合因素的影響。872．巖體多場(chǎng)耦合論8788

巖體應(yīng)力場(chǎng)：是巖體初始應(yīng)力場(chǎng)和工程擾動(dòng)后的二次應(yīng)力場(chǎng)的統(tǒng)稱。巖體初始應(yīng)力或原巖應(yīng)力是存在于巖體中未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，它是引起巖體變形和破壞的根本作用力，是確定巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分析的基本前提條件。88巖體應(yīng)力場(chǎng)：是巖體初始應(yīng)力場(chǎng)和工程擾動(dòng)后的二8889

滲流場(chǎng)：泛指由區(qū)域水文地質(zhì)條件所決定的地下水流動(dòng)場(chǎng)，以及地表降雨入滲形成的滲流場(chǎng)。滲流場(chǎng)研究的核心問(wèn)題可歸結(jié)為三方面：一是介質(zhì)特性，主要是巖體的滲透性；二是流體，包括液體和氣體；三是流體與介質(zhì)的相互作用。滲流場(chǎng)并不獨(dú)立存在于巖體，它必然受巖體應(yīng)力狀態(tài)的影響；滲流場(chǎng)的變化導(dǎo)致滲透力的變化，同樣也影響巖體應(yīng)力場(chǎng)。巖體多場(chǎng)耦合研究，在更高的層次上揭示巖體應(yīng)力、強(qiáng)度、變形、破壞的機(jī)理以及巖體穩(wěn)定性的演化規(guī)律，并使巖石力學(xué)建立在更加堅(jiān)實(shí)的物理力學(xué)理論基礎(chǔ)上。89滲流場(chǎng)：泛指由區(qū)域水文地質(zhì)條件所決定的地8990巖體多場(chǎng)耦合論的基本要點(diǎn)

①巖體的賦存環(huán)境及工程作用組成了一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)各部分之間總是相互作用和相互影響的，其耦合作用是一種客觀存在；

②巖體所表現(xiàn)出的各種物理力學(xué)特性既受巖體地質(zhì)特征的控制，也受賦存環(huán)境及工程作用的影響，更是系統(tǒng)耦合特性的反映；

③巖體多場(chǎng)耦合是一個(gè)非線性的動(dòng)態(tài)過(guò)程，貫穿于地質(zhì)體的形成、演化以及包括工程作用在內(nèi)的整個(gè)過(guò)程；90巖體多場(chǎng)耦合論的基本要點(diǎn)9091④巖體多場(chǎng)耦合作用有強(qiáng)弱之分，對(duì)巖體變形和穩(wěn)定性分析最重要的是強(qiáng)耦合過(guò)程，應(yīng)當(dāng)抓住主要矛盾和矛盾的主要方面；

⑤巖體多場(chǎng)耦合機(jī)理、耦合模型、模型參數(shù)、耦合動(dòng)力過(guò)程、耦合數(shù)值模擬、耦合效應(yīng)的控制原理等是研究的主要科學(xué)問(wèn)題。91④巖體多場(chǎng)耦合作用有強(qiáng)弱之分，對(duì)巖體變形和穩(wěn)定91923．巖體工程作用論定義

當(dāng)巖體的工程性質(zhì)不能滿足工程要求時(shí)，就需要通過(guò)工程措施對(duì)巖體系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

巖體工程作用論：是關(guān)于工程如何利用和改造巖體的理論。它是工程建設(shè)需要、巖石工程經(jīng)驗(yàn)、工程技術(shù)以及系統(tǒng)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，也是巖體及其賦存環(huán)境與人類工程環(huán)境相協(xié)調(diào)的產(chǎn)物。為了更合理地利用和改造巖體，需要把工程地質(zhì)、力學(xué)分析、環(huán)境評(píng)價(jià)以及工程技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)。923．巖體工程作用論9293觀點(diǎn)

巖體工程作用論的觀點(diǎn)認(rèn)為，盡管巖體的地質(zhì)特征和力學(xué)特性是如此的復(fù)雜，但其工程性質(zhì)可以通過(guò)一定的工程作用加以改造。例如，采用有效的工程技術(shù)經(jīng)過(guò)反饋調(diào)節(jié)，適時(shí)地控制巖體變形，調(diào)整巖體強(qiáng)度和滲透性，改善巖體應(yīng)力狀態(tài)，維護(hù)與提高巖體穩(wěn)定性，以期使巖體的工程性能得到充分發(fā)揮，從而獲得系統(tǒng)的最佳效益，又快又好地實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)。93觀點(diǎn)9394巖體工程作用論的基本要點(diǎn)

①巖體工程目標(biāo)分析，它是巖體工程作用開(kāi)始前的初步設(shè)計(jì)與分析，反映了工程建設(shè)需求和工程控制標(biāo)準(zhǔn)；

②工程作用原理分析，不同的工程控制技術(shù)具有不同的作用機(jī)理和作用效應(yīng)，通過(guò)多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，研究工程技術(shù)控制方案的適用性，并選用最優(yōu)方案；94巖體工程作用論的基本要點(diǎn)9495③工程作用效應(yīng)監(jiān)測(cè)，采用現(xiàn)代信息技術(shù)和監(jiān)控手段監(jiān)測(cè)工程作用效應(yīng)的信息，捕捉在實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)過(guò)程中出現(xiàn)的偏差，甚至錯(cuò)誤，并分析產(chǎn)生的原因，以指導(dǎo)選擇控制時(shí)機(jī)與技術(shù)參數(shù)，并據(jù)此判斷巖體穩(wěn)定性與控制效果；

④工程作用反饋設(shè)計(jì)，將監(jiān)測(cè)與分析結(jié)果進(jìn)行及時(shí)反饋，以糾正原先不合理的設(shè)計(jì)或施工過(guò)程中產(chǎn)生的偏差，從總體上把握巖體變形、穩(wěn)定性及滲流控制的要求，只有這樣，才能保證工程既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠。95③工程作用效應(yīng)監(jiān)測(cè)，采用現(xiàn)代信息技術(shù)和監(jiān)控手段9596小結(jié)通過(guò)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行歸納和凝練，將“巖體結(jié)構(gòu)控制論”、“巖體多場(chǎng)耦合論”、“巖體工程作用論”概括為具有巖石力學(xué)特色的三個(gè)基本理論。如此看來(lái)，巖石力學(xué)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)形成了獨(dú)有的理論、方法和技術(shù)體系。當(dāng)然，僅將這“三論”作為巖石力學(xué)學(xué)科的特色理論，難免掛一漏萬(wàn)，好在作這樣的歸納不完全是為了總結(jié)巖石力學(xué)本身，而是出于以下兩點(diǎn)考慮：96小結(jié)96971、一是在理論層面上，這三個(gè)理論確實(shí)有別于其他力學(xué)學(xué)科，或者說(shuō)是其他學(xué)科所不具有的。毫無(wú)疑問(wèn)，巖體結(jié)構(gòu)控制論是巖石力學(xué)或巖體工程地質(zhì)力學(xué)所獨(dú)有的；多場(chǎng)耦合和工程作用問(wèn)題雖然在土力學(xué)中也同樣存在，但土體畢竟在淺表，其多場(chǎng)耦合和工程作用的機(jī)理、程度和范圍都不可能與巖體相提并論。971、一是在理論層面上，這三個(gè)理論確實(shí)有別于97982、二是為了論述巖體多場(chǎng)廣義耦合是巖石力學(xué)的基本理論問(wèn)題，是巖石力學(xué)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物。開(kāi)展巖體多場(chǎng)廣義耦合研究是在更高的層次上揭示巖體力學(xué)作用本質(zhì)的客觀要求，而非故弄玄虛的研究。換言之，巖體多場(chǎng)廣義耦合研究是對(duì)傳統(tǒng)巖石力學(xué)的開(kāi)拓和發(fā)展，有其深遠(yuǎn)的學(xué)科意義。982、二是為了論述巖體多場(chǎng)廣義耦合是巖石力98993研究現(xiàn)狀

在過(guò)去的幾十年里，有關(guān)結(jié)構(gòu)面及裂隙巖體滲流模型、裂隙及其網(wǎng)絡(luò)的滲透特征、多場(chǎng)耦合機(jī)理與耦合模型、多場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬方法、耦合試驗(yàn)方法和測(cè)試技術(shù)等都取得了顯著進(jìn)展。這些研究深化了對(duì)巖體地質(zhì)特征、力學(xué)特性和工程性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，從而增強(qiáng)了利用巖體和改造巖體的工程能力。993研究現(xiàn)狀在過(guò)去的幾十年里，有關(guān)結(jié)構(gòu)面及裂隙991003.1單裂隙滲流模型與耦合機(jī)理研究1、單裂隙滲流模型是巖體滲流的基本問(wèn)題和理論基礎(chǔ)。研究者們以各種材料制成的平行光滑裂縫或以天然節(jié)理裂隙進(jìn)行水力學(xué)試驗(yàn)研究，其中有代表性的有Lomize(1951)，Louis(1967)，Nonveillier(1968)，Sharp(1970)，Witherspoon(1982)，Raven&Gale(1985)，田開(kāi)銘(1986)等。1003.1單裂隙滲流模型與耦合機(jī)理研究100101Lomize的試驗(yàn)研究得出了單裂隙水流運(yùn)動(dòng)的立方定理。

Tsang(1987)認(rèn)為由于張開(kāi)度的變化及巖橋的存在，裂隙滲流出現(xiàn)溝槽流(Channeling)現(xiàn)象，立方定理不成立。

Gentir(1993)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)裂隙面僅有一小部分是導(dǎo)水的，特別是在荷載作用下，出現(xiàn)溝槽流現(xiàn)象更趨明顯。

Engelder和Scholz，Raven和Gale等的試驗(yàn)也表明，立方定理僅近似地描述兩側(cè)壁光滑平直、張開(kāi)度較大且無(wú)充填物的滲流規(guī)律。101Lomize的試驗(yàn)研究得出了單裂隙水流運(yùn)101102

為了考慮裂隙粗糙度、張開(kāi)度變化等因素對(duì)滲流的影響，一些學(xué)者引用等效水力傳導(dǎo)開(kāi)度的概念，對(duì)立方定理進(jìn)行修正。

Louis(1969)在修正時(shí)采用平均開(kāi)度、某點(diǎn)處凸起體的高度及連通率等參數(shù)。

Witherspoon(1981)建議用典型裂隙面測(cè)得的最大開(kāi)度、裂隙面開(kāi)度的概率密度函數(shù)進(jìn)行修正。

Barton和Bandis(1985)則基于節(jié)理面粗糙度系數(shù)和節(jié)理平均開(kāi)度的概念提出了修正式。

Brown、Patir等(1987、1989)采用統(tǒng)計(jì)方法引入開(kāi)度的變異系數(shù)進(jìn)行修正。102為了考慮裂隙粗糙度、張開(kāi)度變化等因素對(duì)滲流的影1021032、在單裂隙的滲流與應(yīng)力耦合機(jī)理研究方面，主要致力于建立裂隙滲透系數(shù)與法向應(yīng)力的關(guān)系。

Louis(1974)根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了滲透系數(shù)與正應(yīng)力的負(fù)指數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，該關(guān)系式與孫廣忠(1988)、周創(chuàng)兵(1996)、Min等(2003)等學(xué)者的理論模型一致。

Kranz等(1979)通過(guò)對(duì)完整及裂隙花崗巖的室內(nèi)試驗(yàn)提出了滲透系數(shù)隨壓力變化的估計(jì)式。

Jones(1975)提出碳酸鹽類巖石的滲透系數(shù)與正應(yīng)力的關(guān)系式。

Nelson(1975)提出了砂巖裂隙滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。1032、在單裂隙的滲流與應(yīng)力耦合機(jī)理研究方面，主要致力于103104

劉繼山(1999)根據(jù)巖體分類指標(biāo)和初始孔隙度導(dǎo)出了單裂隙和兩組正交裂隙受正應(yīng)力作用時(shí)的滲透系數(shù)公式。吉小明等(2003)和李玉林等(1999)分別從雙重介質(zhì)模型和有限變形的角度導(dǎo)出了類似的結(jié)果。張玉卓等(1997)對(duì)裂隙滲流與應(yīng)力耦合進(jìn)行了雙向等壓及不等壓試驗(yàn)研究，得出滲流量與應(yīng)力成四次方關(guān)系或非整數(shù)冪關(guān)系，并利用斷裂力學(xué)理論和Hertz接觸理論推導(dǎo)出了應(yīng)力變化引起的粗糙裂隙巖體滲透系數(shù)的變化。104劉繼山(1999)根據(jù)巖體分類指標(biāo)和初始孔隙104105

鄭少河等(1999)通過(guò)大量天然裂隙滲流試驗(yàn)，揭示了三維應(yīng)力作用下裂隙滲流規(guī)律，提出了裂隙閉合量與巖體三維應(yīng)力、巖體滲透系數(shù)與裂隙閉合量的關(guān)系式。劉亞晨等(2001)通過(guò)單裂隙、正交裂隙花崗巖的試驗(yàn)，研究了高溫、高壓下裂隙巖體的滲透特性，表明在軸壓、水壓差一定時(shí)，裂隙滲透率K，與法向應(yīng)力和溫度的關(guān)系可用冪函數(shù)表示。105鄭少河等(1999)通過(guò)大量天然裂隙滲流試105106

此外，不少學(xué)者研究了剪應(yīng)力對(duì)裂隙滲流的影響，并探討了滲透系數(shù)與正應(yīng)力和剪應(yīng)力的依賴關(guān)系。

Barton(1985)認(rèn)為粗糙裂隙在剪應(yīng)力作用下被剪脹，滲透性增強(qiáng)；

Matsuki(1987)通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為在低法向應(yīng)力作用下，水力張開(kāi)度與力學(xué)張開(kāi)度比值不受剪切位移影響；

Esaki等(1999)通過(guò)對(duì)人工花崗巖裂隙試樣進(jìn)行的剪切～滲流耦合試驗(yàn)，認(rèn)為裂隙的滲透性與剪脹規(guī)律一致，剪切位移增加，裂隙的滲透性增強(qiáng)；

106此外，不少學(xué)者研究了剪應(yīng)力對(duì)裂隙滲流的影響，106107

周創(chuàng)兵等(1996)將裂隙概化為厚度為bm的界面層，推導(dǎo)出了受正應(yīng)力、剪應(yīng)力作用的裂隙滲流的廣義立方定理。劉才華和陳從新(2002、2003)通過(guò)粗糙裂隙和充填裂隙實(shí)驗(yàn)，給出了低應(yīng)力、低水頭條件下裂隙巖體受剪應(yīng)力作用的滲流模型，并通過(guò)對(duì)規(guī)則、均勻、粗糙裂隙的滲流剪切實(shí)驗(yàn)，研究了巖體裂隙在剪切荷載作用下的滲流特性，認(rèn)為滲透系數(shù)與剪應(yīng)力有明顯的線性關(guān)系。107周創(chuàng)兵等(1996)將裂隙概化為厚度為b1071083.2巖體滲流模型與耦合建立研究近年來(lái)，隨著人們對(duì)高應(yīng)力區(qū)巖體開(kāi)挖導(dǎo)致的漸進(jìn)破壞特征及水利耦合行為的關(guān)注和重視，研究巖石試件在算上破壞階段滲透特性變化規(guī)律的成果日益增多。李世平（1995）、Zhu&Wong（1997）、韓寶平（2000）、張守良（2000）、彭蘇萍（2000,2003）、李樹(shù)剛（2001）、姜振泉（2001）、盧平（2002）、朱珍德（2002,2003）、楊天鴻（2003）、李小琴（2005）、李玉壽（2006）、夏筱紅（2006）分別針對(duì)砂巖、泥巖、頁(yè)巖、灰?guī)r、花崗巖、煤巖等巖石開(kāi)展了應(yīng)力-應(yīng)變-滲透率全過(guò)程試驗(yàn)研究，并探討了破壞過(guò)程中巖石的膨脹性、滲透率演化過(guò)程以及圍巖的影響；1083.2巖體滲流模型與耦合建立研究108109

在巖石水-力耦合機(jī)理研究方面，損傷力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)和微觀力學(xué)的基本原理和自洽、均勻化等數(shù)學(xué)方法被廣泛用于建立巖石水-力耦合的本構(gòu)模型，并確定相應(yīng)的宏觀等效計(jì)算參數(shù)（Cai，1992；Lee，1996；Vychytil，1998；Jachson，2000；Boutin，2000；Pozdnizkov，2004；Shao，2004）。楊天鴻、唐春安（2001,2004）則通過(guò)物理和數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究了巖石在變形破裂過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變和滲透性演化過(guò)程，建立了一種描述巖石介質(zhì)滲流-應(yīng)力-損傷耦合作用的細(xì)觀力學(xué)模型。這類研究側(cè)重于從微觀和細(xì)觀的角度探討巖石試件在破壞過(guò)程中的滲透特性演化規(guī)律，但如何將這類研究成果推廣應(yīng)用于解決包含大量尺度各異的節(jié)理、裂隙的巖體水-力耦合問(wèn)題還需要進(jìn)一步的研究。109在巖石水-力耦合機(jī)理研究方面，損傷力學(xué)、109110裂隙巖體滲流模型及耦合機(jī)理研究一是探討裂隙巖體水力耦合過(guò)程中水壓力的作用機(jī)制。根據(jù)飽和圖有效應(yīng)力原理以及Hoffman（1928），F(xiàn)illunger（1930），Biot(1942)，門(mén)福錄（1992）等描述不同多孔介質(zhì)對(duì)有效應(yīng)力方程的修正，

Kranz（1979）、Walsh（1981）、Katsub（1987）等通過(guò)大量的試驗(yàn)研究，認(rèn)為可用西征的有效應(yīng)力描述節(jié)理巖體的孔隙水壓效應(yīng)，且修正系數(shù)介于0.45-0.78之間；

Bruno（1991）等通過(guò)對(duì)含有雙缺口的巖樣進(jìn)行的孔隙水壓力試驗(yàn)，給出了等效的孔隙水壓力系數(shù)；110裂隙巖體滲流模型及耦合機(jī)理研究110111Bernade（1986），孫培德（2002）通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為巖石的孔隙水壓力并非常數(shù)，而與圍壓及孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；趙陽(yáng)升（1994）通過(guò)試驗(yàn)研究給出了不同應(yīng)力分布區(qū)的等效孔隙水壓系數(shù)；黃潤(rùn)秋（2000）和朱珍德（2000）結(jié)合有效應(yīng)力原理探討了水壓力對(duì)裂紋擴(kuò)展的力學(xué)作用機(jī)制。111Bernade（1986），孫培德（200111112

二是將單裂隙滲流及耦合模型推廣到三維裂隙巖體，建立裂隙巖體的等效滲透張量。裂隙巖體滲透張量的確定即使進(jìn)行滲流及耦合分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，又是滲流及耦合作用研究的難點(diǎn)所在。

Snow（1965,1969）、Pomm（1966）假定裂隙巖體無(wú)限延伸，根據(jù)裂隙組數(shù)、間距、隙寬及產(chǎn)狀要素，推導(dǎo)了三維裂隙巖體的滲透張量。

Oda（1986）根據(jù)裂隙的發(fā)育特征，采用同濟(jì)理論