水力耦合裂隙巖體變形破壞機制研究進展

張 英,李 鵬,郭奇峰,蔡美峰,任奮華,武 旭

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083； 2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室(北京科技大學),北京 100083; 3.北京市市政工程研究院，北京 100037)

地下巖體經過漫長的地質構造作用下產生微裂紋、孔隙、節理和裂隙等各種各樣的缺陷，地下水在孔隙和裂隙中發生運移，并且以孔隙壓力(滲透應力)的形式作用于巖體，影響巖體中應力場的分布，同時巖體應力場的改變促使裂隙產生變形、擴展、剪切滑移以及貫通，進而影響裂隙的滲透性能，這種相互作用、相互影響的現象稱為水力耦合或滲流-應力耦合，在地球科學和力學中稱為水-巖(土)耦合和流-固耦合[1-3].目前針對水力耦合研究主要體現在：一方面，假設巖體內部孔隙、裂隙結構系統不發生改變(即巖體不發生損傷破裂或發生的變形可忽略不計)，僅考慮粗糙度、隙寬等因素研究巖體內部孔隙、裂隙結構系統的滲流特性；另一方面，在實際工程中，工程擾動作用會不可避免地造成巖體內部結構的損傷和破裂，要考慮裂隙巖體變形破壞過程中損傷對巖體力學性能劣化及滲透性能產生的影響[4].大量的巖體工程實踐表明，工程擾動誘發的巖體損傷變形與破裂行為及其造成巖體中滲流場的改變是導致大規模巖體工程失穩和工程地質災害的主要原因之一[5-6].

直至20世紀60年代，對于裂隙巖體滲流-變形-破壞機制的認知尚不清楚，造成很多重大地下工程事故的發生[7-9]，如：1959年12月法國Malpasset雙曲拱壩在滲透壓的作用下使壩肩巖體沿下游斷層滑移，最終導致潰壩事故，如圖1所示.1963年9月意大利Vajont大壩由于水位的升高，庫岸邊坡坡腳處受到較大的擠壓力，引起滑坡，造成重大的生命和財產損失.1954年12月唐山林西礦在開采過程中，高水頭壓力石灰水通過斷層進入礦井，引發突水災害.1962年11月中國梅山連拱壩在滲透壓力的作用下在右壩肩上出現裂縫，致使大壩巖體發生明顯位移.

21世紀隨著巖土工程的蓬勃發展，愈來愈多的巖土工程因水力耦合的問題造成施工技術難度增加，大壩失穩垮塌、邊坡滑坡、隧道施工過程中的巖溶塌陷涌水、采礦活動中的突水、淹井等工程失穩破壞問題加劇[10].據國家統計局統計中國近十年地質災害數可知(見表1)，每年發生的地質災害中滑坡災害起數所占比例最大，在50%以上.此外，90%以上的巖體邊坡破壞和地下水滲透有關[11]，90%以上的煤礦突水事故與巖層水滲透有關[12]，30%～40%的水電工程大壩失事是由滲透作用引起的[11].因此，需要學者們對水力耦合問題進行長期深入研究.

圖1 Malpasset拱壩失事原因[9]

水力耦合研究涉及巖體力學、水力學、材料學等多學科的交叉，是應用基礎科學研究發展中的前沿性課題和亟待解決的工程技術問題.如圖2所示，裂隙巖體中飽水的孔隙或裂隙由于外部載荷的變化或內部孔隙流體壓力的變化而發生變形，其變形過程十分復雜，因此亟需弄清水力耦合機制.本文針對裂隙巖體(飽水)水力耦合問題，通過搜集并整理國內外研究成果，從水力耦合作用下完整巖體和裂隙巖體的力學特性、滲流特性、變形破壞機制以及數值模擬研究等方面進行系統的歸納和分析，指出了水力耦合研究目前存在的問題，給出了指導性意見與方法，并對未來水力耦合研究的發展趨勢進行了展望，以期能為今后重大巖體工程建設提供參考.

表1 中國近十年地質災害數據統計

圖2 由多孔介質和宏觀裂隙構成的巖體[9]

1 水力耦合裂隙巖體力學特性研究

1.1 水力耦合巖體變形和強度特性研究

目前對于巖體力學特性的研究已取得豐富的成果[13-14]，許多學者在此基礎之上進行了水力耦合作用下巖體力學特性的研究.Otto等[15]通過水力耦合試驗獲得了巖石變形的一些基本特性，如圖3(a)所示，利用應力-應變曲線上的閾值特征點把巖石變形過程分為3個階段，且從體積變化曲線中可知巖石發生擴容現象.Souley等[16]把巖石變形過程劃分為5個階段，如圖3(b)所示，這一劃分方法與無水壓作用下巖石變形規律基本一致[17].張蕊等[18]把巖石應力-應變-滲透系數曲線劃分為7個階段，如圖3(c)所示.文獻[16,18]中也都存在明顯的擴容現象.朱珍德等[19]針對花崗巖和灰巖試件選取3種不同水壓進行了水力耦合試驗，從變形曲線可知水壓力對巖石峰值強度是有一定影響且作用明顯.邢福東等[20]對比分析了大理巖和中細砂巖在高圍壓和孔隙水壓下的力學行為，如圖4所示，砂巖在有無水壓時應力-應變曲線變化趨勢基本一致，而大理巖無水壓時峰后延性較好.兩種巖石試樣的彈性模量都比無水壓時大.試驗還表明水壓力會加速巖石變形破裂速度、增加脆性、降低巖石強度，圍壓的增大會抑制水壓對強度降低的影響程度.Otto等[15]為了很好地研究巖鹽在水力耦合下的變形特性，采用超聲波(UT)和滲透率測量相結合的方法，對損傷過程進行連續監測.研究發現，隨著應力增大進而引起微破裂、孔隙裂縫變寬、滲透率增大并導致巖鹽膨脹.仵彥卿等[21]從細觀角度出發，利用CT掃描機對水力耦合試驗過程進行實時觀測，如圖5所示，圖中白色代表高密度物質，黑色代表低密度物質.通過試驗發現巖石滲透特性與變形破裂過程息息相關，水壓的存在導致試樣強度損失10%.

綜上可知，目前關于水力耦合巖石力學特性的研究尚處在發展階段，大多研究是從力學試驗獲得的應力-應變曲線展開的[22]，試驗研究和分析方面尚不全面，而隨著聲發射、CT掃描等新的輔助設備的運用可以從細觀上深入細致的研究巖石裂紋變形破壞的特征[23-25]，運用新的力學理論和試驗技術，在更深的層次上探究水力耦合下巖石變形的細觀物理機制，并從細觀角度上反映巖石宏觀力學性能，構建宏細觀之間的關系，這為不斷發展和完善水力耦合機制奠定了基礎.

圖3 水力耦合作用下巖石壓縮變形特性[15-18]

圖4 60 MPa圍壓下巖石三軸壓縮全應力-應變曲線[20]

Fig.4 Complete stress-strain curves of rock specimens under triaxial compression with 60 MPa confining pressure[20]

圖5 砂巖試樣不同應力狀態下CT影像[21]

1.2 水力耦合裂隙巖體變形和強度特性研究

通過文獻查詢發現水力耦合裂隙巖體變形和強度特性的研究相對較少，但近年來仍有一些學者開展了相關研究.陳紅江[26]通過對預制不同傾角單裂隙類巖石(圓柱標準件)在不同圍壓和不同水壓下進行水力耦合試驗，結果表明在裂隙傾角和圍壓一定時，裂隙起裂強度和彈性模量都隨著水壓力的增加逐漸減??；在裂隙傾角和水壓力一定時，裂隙起裂強度和彈性模量隨著圍壓的增加逐漸增大；在水壓力和圍壓一定時，裂隙起裂強度在傾角為30°時最大，60°時次之，45°時最小，彈性模量隨著傾角的增加變化不明顯.周志華[27]通過對預制單裂隙長方體試件(200 mm×160 mm×100 mm)進行水力耦合試驗，在單軸壓縮水力耦合加載下隨著裂隙傾角的增加峰值強度先減小后增加，傾角為45°時對應的峰值強度最小.在循環荷載下，有水壓作用下的試件變形大于無水壓時，在滲透水壓作用下試樣的抗壓強度都降低.Kou等[28]通對預制45°單裂隙類巖石進行水力耦合試驗，從圖6(a)可知，隨著水壓力的增加，試樣峰值強度不斷降低，峰后變形中偏應力下降程度隨水壓的增加而增加.從圖6(b)可知，峰值強度隨著圍壓的增加而增加，并且隨著圍壓的增加，峰后變形中的應變軟化程度也逐漸增加.文獻[26-28]表明水壓對巖石力學性能的降低具有顯著影響，并且導致峰后變形中的應變軟化程度逐漸降低.Lee等[29]建立了測量巖石裂隙流速、法向位移以及剪切位移的液壓力學測試系統，如圖7所示，研究了人工預制粗糙裂隙花崗巖和大理巖試樣在直剪過程中的水力性質，結果發生了明顯的膨脹變形，極大地影響了粗糙拉伸裂縫的水力行為.上述試驗與研究工作都充分反映出水壓的存在對巖石力學特性有重要影響.但上述研究忽略了水力耦合下預制裂隙巖石的裂縫開度、裂縫長度、裂縫表面積等因素對裂隙巖石變形和強度的影響，此外，可利用損傷力學和斷裂力學的理論，引入損傷變量分析裂隙巖石變形特性，結合聲發射設備建立應力-應變曲線與聲發射活動模式之間的對應關系，還可以借助于其他先進的觀測儀器進行新的探索，不斷豐富水力耦合裂隙巖體變形和強度特性的研究.

圖6 預制α=45°傾角類巖石試樣的軸向偏應力-應變曲線[28]

Fig.6 Axial deviatoric stress-strain curves of pre-fissured rock-like specimens withα=45°[28]

圖7 直剪試驗系統及實驗結構圖[29]

2 水力耦合裂隙巖體滲流特性研究

2.1 水力耦合巖體滲流特性研究

基于達西定律滲流力學，為使以巖(土)體為代表的多孔介質滲流研究得以不斷地發展，許多學者對水力耦合巖(土)體滲流特性進行了深入研究，發現不同巖性巖石的滲透系數均與孔隙率大小成正比，指出巖石的細觀結構變化以及非均質性對滲透性產生較大影響.從圖3的滲透系數(滲透率)曲線可知，大多巖石在壓縮變形過程中滲透系數(滲透率)隨著應力的增加先出現下降趨勢，到達最小值后開始不斷增加，達到峰值后滲透系數(滲透率)下降并趨于穩定，文獻[30-32]中也得出類似的規律.Mordecai等[33]在三軸應力條件下對砂巖破裂時滲透率的變化進行了研究，結果表明砂巖破壞后滲透率可增加20%.文獻[34-35]研究了巖石有效壓力與滲透系數的關系，如圖8(a)所示，水力耦合作用下滲透系數與有效壓力的關系經歷了3個階段.文獻[36-37]研究了巖石有效圍壓與滲透系數的關系，如圖8(b)所示，水力耦合作用下的頁巖、花崗巖和致密砂巖滲透系數隨著有效圍壓增大而減小.峰后巖石滲流研究是長期以來學者們面臨的難點，由于巖石峰后產生大量裂隙且裂隙分布錯綜復雜，研究起來較為困難.如圖9所示[38]，巖體壓縮經歷了從完整巖體-塊體巖體-較破碎巖體-極破碎巖體的變化過程，其中涉及了尺寸效應、各向異性與各向同性的相互轉化，將表現出不同的滲流特性，在今后的研究中要引起高度重視.因此，要加強對不同尺寸、不同粒徑巖石滲流特性的室內試驗研究，準確評價巖石的滲流規律對于巖體工程的安全實施具有重要的指導意義，此外，可以采用核磁共振技術測定巖石的孔隙率、滲透率等基本物理屬性，在巖石滲流試驗中核磁共振技術的應用能快速、準確、直觀地觀測到巖石內部流體的滲流過程及變化規律，為巖石微細觀孔隙結構的深入研究提供了新思路.

圖8 巖石有效壓力與滲透系數關系[34-37]

Fig.8 Relation between rock effective pressure and permeability coefficient[34-37]

圖9 巖石(體)滲流特征的尺寸效應[38]

2.2 水力耦合裂隙巖體滲流特性研究

2.2.1 單一裂隙巖體滲流特性

裂隙巖體由孔隙-裂隙構成，具有各向異性與非均質性，比孔隙巖(土)體更加復雜，因此，對裂隙巖體滲流特性的研究要比孔隙巖(土)體晚.裂隙巖體系統中復雜的巖體裂隙網絡對流體的流動行為起著重要影響，研究單一裂隙滲流規律對確定復雜裂隙網絡流體流動行為有十分重要的意義.許多學者從三方面對此進行了大量研究.

表2 單一裂隙立方定律修正公式匯總

第二方面從單一裂隙滲透(導水)系數與正應力之間的關系進行研究.Snow[46]通過試驗獲得水平裂隙滲透系數與裂隙的法向剛度之間的關系.Louis[47]根據試驗結果指出裂隙滲透系數與法向應力呈負指數關系.Jones[48]、Nelson[49]和Kranz等[50]對不同巖性巖石的滲透系數進行了試驗研究并建立了經驗公式.Gale[51]和仵彥卿[52]通過室內試驗結果指出裂隙導水系數、滲透系數與法向應力呈冪函數關系.具體經驗公式匯總見表3，其中kn為水平裂隙滲透系數，k0為初始滲透系數，p0為初始壓力，b為裂隙張開度，KN為裂隙方向剛度，s為裂隙間距，kf為巖石裂隙滲透系數，σ為法向應力，p為有效壓力，ph為kf=0時的愈合有效壓力，K為滲透率，a、k、A、B、n均為常數，S為過水面積，Pc為總壓力，Pf為內部孔隙水壓力，Q為滲流量，Tf為導水系數，D反映了裂隙分布的分維數，J為裂隙內水力梯度.此外還有大量關于裂隙滲透(導水)系數與正應力的試驗研究，不再贅述.

表3 單一裂隙經驗公式匯總

第三方面從單一裂隙滲透特性與剪應力(剪切位移)之間的關系進行研究.劉才華等[53]利用砂粒模擬粗糙裂隙，并研究在剪應力作用下剪動前粗糙裂隙的滲流特性，給出了滲透性隨剪應力的增加而減小的規律.熊祥斌等[54]通過設計多組剪切試驗研究了單裂隙在不同接觸面積以及不同接觸分布狀態下的滲流規律.蔣宇靜、夏才初、許江等[55-57]通過各自研發的試驗機進行了類巖石、大理巖以及煤的剪切-滲流耦合試驗.王剛等[58]指出類巖石在剪切試驗過程中較小的剪切位移將導致裂隙滲透性的快速增大.

綜上可知，學者們綜合考慮了裂隙開度、裂隙粗糙度、裂隙滲透水壓、裂隙面受力(正應力和剪切應力)等因素進行了單一裂隙滲流試驗研究，這些因素導致單一裂隙滲流試驗中巖體的滲流特性發生改變，呈現出不同的規律.目前室內試驗研究主要集中在人為預制裂隙上，而尺寸效應、裂隙真實分布狀態未充分考慮.從微細觀到宏觀研究單一裂隙滲流特性相對較少.今后仍需綜合考慮各類復雜因素對立方定律進行修正，并且應朝著普遍適用性的方向發展，以便更好地描述單一裂隙巖體滲流特性.此外，從應力-應變曲線方面分析裂隙巖石變形破壞過程中的滲透特性，獲得了與完整巖石滲透特性類似的規律，在此不再贅述.

2.2.2 裂隙網絡滲流特性

單一裂隙巖體滲流特性尚未形成統一認識.天然巖體裂隙網絡縱橫交錯十分復雜，研究難度更加艱巨.目前，裂隙網絡滲流試驗方面研究較少.張玉卓等[59]對含有4條不同裂隙寬度的大尺度巖體進行滲流試驗，在不同加載方式以及側壓下獲得滲流量與應力之間的關系為

Qz=a(1-bσx)4.

(1)

式中:Qz為z方向的滲流量，a、b為正常數,σx為x方向施加的邊界應力.

田開銘[60]認為水流在隙寬不等裂隙中具有偏流效應，經過進一步的水力學試驗研究，得出裂隙水流動的3個特征：偏向、偏流和阻力不等.速寶玉等[61]通過交叉裂隙水流試驗，發現寬裂隙水頭損失極小，窄裂隙反之.基于偏流效應使得優勢流和交叉裂隙溶質運移等方面的研究逐漸成為熱點.此外，三維裂隙交叉水流特性的機制及試驗研究成果較少于二維裂隙情況且處于起步階段.文獻[62-63]研究表明三維裂隙網絡滲流的主要特征，即存在局部水流環流現象.

綜上，裂隙網絡滲流試驗的研究還不成熟，滲流試驗規律尚無完全被揭露，復雜滲流現象仍需探究，目前缺乏對大尺度裂隙網絡滲流特性的研究.由于裂隙網絡自身的復雜性和不確定性，給試驗設計及試驗設備選取帶來較大困難，因此對裂隙網絡滲流試驗的研究有待進一步加強.

2.2.3 充填裂隙巖體滲流特性

天然巖體裂隙中一般都含有破碎狀巖土充填介質，在有無填充物情況下巖體裂隙的滲流特性存在顯著的差異性，充填裂隙滲流特性的研究具有重要的工程價值與現實意義.文獻[7,64-67]通過對充填裂隙進行滲流試驗，獲得一系列滲流公式(見表4).Carman在Kozeny的研究基礎上推導出了充填砂中低速流體的運動公式[64].文獻[65]根據Carman-Kozeny模型推導出了孔隙介質滲透系數公式.田開銘等[66]利用文獻[64]中的公式提出充填裂隙滲流公式.速寶玉等[67]進行了預制充填裂隙滲流試驗，利用文獻[64-65]的公式提出了充填裂隙的滲透系數公式，但在該公式中未考慮裂隙面粗糙度的影響.張有天等[7]通過對充填裂隙巖樣進行滲流試驗建立了流量公式.表4中，c1為常數，u為流速，b為充填物裂隙寬度，α為顆粒形狀系數，d為顆粒直徑，n為充填顆粒的孔隙率，ν為水的運動粘滯系數，c2為常數，K為充填裂隙的滲透系數，Kp代表充填介質的滲透系數，Kf為未充填裂隙的滲透系數，bh為靠近裂隙壁面處的等效水力隙寬.另外，劉才華、陳金剛、于冰等[68-70]也對充填裂隙水滲流特性進行了深入研究，取得了豐富的成果.

表4 充填裂隙滲流數學公式匯總

Tab.4 Summary of mathematical formulas for filling fracture seepage

來源公式形式備注Carman(1927年)[64]u=n3c1(1-n)2d2gνJ經驗公式明茲(1957年)[65]Kf=gn3d2184να2(1-n)2經驗公式田開銘(1989年)[66]u=c2n3c1(1-n)2b2g12νJ=KJ,Kp=c2n3c1(1-n)2,K=KfKp經驗公式速寶玉等(1994年)[67]K=gn3d220.4να2[1+3(1-n)db]2經驗公式張有天等(2005年)[7]q=g(bh)36νJ立方定律修正

天然巖體裂隙中充填物質多種多樣，不同性質的填充物對充填裂隙巖體的滲流特性產生不同的影響.巖體裂隙中的充填物質會對巖體結構變形和巖體結構強度產生重大影響，在滲透水壓和應力作用下裂隙充填物質會發生滑動和流失，進而引起裂隙面變形，改變隙寬、粗糙度等幾何結構，最終改變滲流路徑.現在針對裂隙充填介質性質的研究成果較少.充填裂隙滲流特性不僅與裂隙隙寬、粗糙度等幾何結構有關，而且與充填介質顆粒粒徑尺寸和孔隙率等因素密切相關.在充填裂隙研究中應盡量選用天然巖體充填介質,同時要加強充填裂隙巖體剪切應力與滲流特性關系的研究.

3 水力耦合裂隙巖體變形破壞全過程研究

3.1 水力耦合巖體變形破壞全過程研究

水力耦合巖體變形破壞問題主要研究裂隙萌生、起裂、擴展及貫通破壞過程中的滲流與力學規律.目前，大多數的研究是通過把天然巖體加工成巖石試樣并利用三軸壓縮和剪切試驗探究巖石損傷變形破壞前后的滲透率變化規律.李世平等[71-72]在國內最早開展巖石應力-應變-滲透率全過程試驗研究，獲得砂巖試樣的應力-應變(σ-ε)和滲透率-應變(k-ε)曲線并歸為3種類型，如圖10所示，Ⅰ型滲透率極值kmax出現在應力峰值之前；Ⅱ型滲透率極值kmax出現在應力峰值之后；Ⅲ型滲透率極值kmax與應力峰值重合，出現3種類型的概率由大到小依次為

圖10 不同類型的全應力-應變-滲透關系曲線[71-72]

Fig.10 Different types of complete stress-strain-permeability curves[71-72]

Ⅱ型、Ⅰ型、Ⅲ型.通過均差法擬合可知滲透率與軸向應力或應變之間符合多項函數關系.姜振泉等[73]對灰巖(硬巖)、中砂巖(硬巖)、細砂巖(硬巖)、砂質泥巖(軟巖)、鋁土巖(軟巖)、粘土巖(軟巖)進行了全應力-應變過程滲透性試驗研究，認為軟巖的滲透率在峰值前達到，破壞后滲透性隨變形擴展而降低，硬巖的滲透率在峰值后達到，峰后壓密階段滲透性仍較大.彭蘇萍等[74-75]通過對細砂巖、中砂巖的滲流-應力耦合試驗研究也得到了與文獻[73]關于硬巖研究相同的結論，即硬巖滲透率出現在峰值后.

王環玲等[76]通過試驗觀察到滲透率會出現突跳現象，并指出變形破壞峰值前后滲透壓差與時間之間符合負指數函數關系.韓寶平等[77]通過對灰巖和白云巖的試驗表明滲透率都會表現出突跳增大.Zhang等[78]的試驗結果表明，滲透率不是恒定的而是應力的函數且符合指數形式，但變形處于非彈性階段時，滲透率變化似乎是最不可預測的，峰值后滲透率產生明顯突跳現象，與體積應變的變化具有關聯性.陳振振等[79]通過選取錦屏二級水電站大理巖試樣進行全應力-應變過程滲流試驗，總結了滲透系數與體積應變之間的變化規律.李樹剛等[80]通過對煤樣全應力-應變試驗過程中的滲透率與體積應變之間的關系進行了擬合，擬合結果符合多項式關系.朱珍德、邢福東等[19-20]在高圍壓高水壓下對大理巖進行了全應力-應變三軸壓縮試驗，得出水壓力會加速巖石破裂速度、降低巖石強度，圍壓的增大會抑制水壓對強度降低的影響程度.王金安、王連國、盧平等[30-32]都采用MTS815.02電液伺服巖石力學試驗機對滲透率演化規律進行了研究.近幾十年，隨著先進的試驗設備不斷被研發，聲發射(AE)、偏光顯微鏡(PM)、掃描電子顯微鏡(SEM)以及CT掃描等先進的輔助試驗技術被應用.許多學者利用先進的試驗設備與技術對巖體漸進破壞過程中的水力耦合機制進行了研究.朱珍德等[19]研究了滲透水壓力對脆性巖石損傷劣化的影響及脆性巖石漸進過程中滲透特性的變化規律，對比分析了巖石破壞斷裂斷口微觀掃描電鏡結果.Xiao等[81]采用高壓三軸巖石自動控制系統(HPTAS)對紅砂巖在不同滲透壓力(pw)下進行了三軸壓縮試驗，分析了巖石破壞過程中強度、變形、軸向應變剛度(ξε1max)和滲透率的變化規律.試驗表明，應力閾值隨滲流壓力的增加而降低，滲流壓力不會影響應變剛度趨勢，但會影響值的大小，如圖11所示.在應力和應變變化的整個過程中，滲透率曲線先減小然后迅速增加，最終趨于穩定，并且滲透率曲線的峰值滯后于應力應變曲線的峰值.Zhou等[82]對北山花崗巖進行了常規的三軸壓縮(CTC)和滲流-應力耦合(HM)試驗，并采用聲發射(AE)空間定位系統監測巖石漸進破壞全過程，結果表明，在HM耦合下，裂紋閉合應力消失，裂紋起裂應力高于CTC試驗.當達到損傷應力時，孔壓可以促進裂紋發展.丁長棟等[83]基于偏光顯微鏡圖像從微觀角度對比分析了不同圍加卸載條件下致密紅砂巖在漸進破壞前后不可逆的變形破壞機制，如圖12所示，進而研究了滲透率的演化規律.由上面綜述可見，對水力耦合巖體變形破壞全過程的研究已取得大量成果，先進試驗設備的使用也成為了趨勢，從細觀角度出發發現了許多常規試驗研究中未能解釋的裂紋萌生與擴展的細節變化，很好地反映了宏觀破壞的本質特征，有助于闡明水力耦合巖石破壞過程的機理.

圖11 漸進破壞過程中各種滲透壓下的應力閾值和軸向應變剛度[81]

Fig.11 Stress thresholds and axial strain stiffness under various seepage pressures during progressive failure process[81]

3.2 水力耦合裂隙巖體變形破壞全過程研究

陳紅江[26]分析了預制單裂隙類巖石的應力-應變-滲透系數曲線，從曲線中可知滲透系數在壓密階段有減小趨勢，在彈性階段滲透系數出現最低點，在裂紋擴展階段滲透系數急劇增加，滲透系數峰值出現在峰后應變軟化階段，同時峰后的滲透系數值大于峰前，巖石滲透系數同樣出現突跳現象.周志華[27]通過分析預制單裂隙長方體類巖石試件獲得與陳紅江[26]同樣的結論.Lin等[84]為研究裂隙巖石在滲透壓下的強度和破壞機制，人工預制了不同裂隙傾角的砂巖試樣，并建立了單軸滲流-應力加載裝置，并與聲發射(AE)系統結合使用，在有(無)滲透壓的情況下進行單軸壓縮試驗.如圖13所示，在滲透壓下的樣品峰值強度遠低于無滲透壓的樣品，但在峰值應變下保持領先.如圖14所示，Zhao等[85]對帶有鋸齒形凹凸的人工節理進行了一系列常規的剪切試驗和剪切流固耦合試驗.對剪切全過程中的剪切變形、強度變化和滲流特性進行了綜合分析，以揭示節理粗糙度、法向應力和滲流壓力對剪切-滲流耦合行為的影響.對于水力耦合裂隙巖體變形破壞全過程的研究可充分參照完整巖體的研究思路與方法，但此研究的難點在于真實巖體人工裂隙在特定條件下的預制，且預制裂隙的精度往往難以達到試驗設計的需求，所以多采用澆筑的類巖石試樣進行試驗，今后需加強真實巖石試樣的研究.

3.3 水力耦合裂隙巖體變形破壞模式研究

周志華[27]分析了預制單裂隙長方體類巖石在無滲透水壓和滲透水壓參與下單軸壓縮裂紋的破壞模式.從圖15可知，無滲透水壓作用下預制裂隙端部較破碎且有較多微小翼裂紋，滲透水壓作用下預制裂隙端部破碎裂隙較少且產生明顯翼裂紋.通過對比可知滲透水壓可以減小裂紋面上的摩擦力，并促進裂紋起裂和擴展.Lin等[84]基于前人的研究把裂紋類型分為：張拉翼裂紋(Ⅰ)，張拉裂紋(Ⅱ)，反翼裂紋(Ⅲ)，混合裂紋(Ⅳ)，遠場裂紋(Ⅴ)和表面剝落(Ⅵ).在有無滲透壓作用下預制不同裂隙角度砂巖破裂方式如圖16(a)、16(b)所示，此外，裂隙角度較小(0°～30°)的試樣主要受拉伸破壞，中等裂隙角(30°～60°)的試樣主要受剪切破壞，裂縫角度大(60°～75°)的試樣容易發生拉伸-剪切破壞.Zhao等[85]通過水力耦合作用下的剪切試驗很好地觀察到了剪切破壞模式，如圖17所示，當滲透壓力為0.5 MPa時，剪切接處表面幾乎完好無損，而在較大的滲透水壓力下，產生明顯的滑動剪切特征，在圖17(c)中，可以在1.5 MPa的滲透壓力下清楚地觀察到一些污泥區域，這反映了軟化作用的存在.由于樣品的圓柱形狀，隨著剪切試驗的進行，接觸區域會變小，因此在每個表面的中心都會出現完整區域.Kou等[28]通過實驗研究了預制單裂隙類巖石材料在水力耦合作用下的變形破壞行為.結合CT掃描和3D重建技術分析了破壞后預制裂隙類巖石試樣的裂隙空間分布規律，如圖18所示.從破碎的樣品和表面破壞模式中觀察到共面剪切裂紋和傾斜剪切裂紋是從預制裂隙尖端開始的，遠場剪切裂紋與預制裂隙尖端產生的斜向剪切裂縫連接，從而導致類巖石試樣最終發生純剪切破壞，內部破壞模式受圍壓和內部流體壓力的影響.此外，利用掃描電子顯微鏡(SEM)的觀察發現，隨著內部流體壓力的增加，微觀尺度上裂紋萌生區域的斷裂表面粗糙度降低.付金偉[86]、曹加興等[87]采用透明樹脂材料研究了水力耦合的漸進破壞規律，對比分析了有無水壓作用下試件的破裂模式.郭孔靈等[88]通過預制三維橢圓形裂隙試樣進行水力耦合試驗，詳細分析了有無水壓下長方體裂隙試樣的破裂模式，結果可知，隨裂隙傾角增加，破裂模式從張拉為主轉變為拉剪復合再轉變為剪切為主；隨著水壓的不斷增大，逐漸增強了張拉破裂，減少了剪切破裂.此外，Liu等[89]在室內三軸滲流試驗的基礎上，分析了充填料裂隙砂巖的滲透特性，給出了其破壞模式.

圖13 裂隙角度對含缺陷砂巖試樣強度和變形參數的影響[84]

Fig.13 Effect of fissure angle on strength and deformation parameters of sandstone specimens containing flaws[84]

圖14 人工節理試樣圖(mm)[85]

圖16 含不同裂隙角度的砂巖試件最終破壞模式[84]

圖17 法向應力為2.5 MPa、節理粗糙度為15°時進行剪切-滲流耦合試驗后節理表面圖[85]

圖18 破裂的預制裂隙類巖石試樣的CT圖像三維重構[28]

綜上所述，完整巖石水力耦合試驗研究已取得豐富的成果，采用先進的試驗設備很好的了解到巖石漸進破壞與滲流特性演化過程的規律.但是，預制裂隙巖石的水力耦合試驗研究還相對少見，巖石中預制裂隙的存在使得水力耦合問題更加復雜，為了弄清其機制，耦合試驗研究仍應朝著微細觀、可視化等方向發展.

4 水力耦合裂隙巖體變形破壞數值模擬研究

近些年，隨著計算機的飛速發展，為水力耦合裂隙巖體問題的深入研究提供了新的方法.國內外許多學者在水力耦合數學模型理論和數值分析方法等方面進行了大量研究，取得了豐碩的成果.本節重點歸納總結國內外學者采用的耦合模型和數值分析方法.

4.1 理論模型

水力耦合是多場廣義耦合的一部分，水力耦合主要研究固體介質和流體間相互作用的力學規律.關于水力耦合理論模型的基本假設、控制方程、邊界和初始條件可參考文獻[13].經典的水力耦合模型分別為：等效連續介質模型(ECM)、裂隙網絡模型(FNM)、雙重介質模型(DM).通過對文獻[90-93]進行歸納，總結了各種模型的特點、數學方程表達式及優缺點.

4.1.1 等效連續介質模型(ECM)

ECM假設裂隙巖體空隙性差且相互連通，水流可分布整個巖體介質中且裂隙導水性較好.將裂隙中水流等效平均到巖體中，可以用連續介質理論表征裂隙介質及其水流的各向異性，以巖體滲透系數張量描述巖體的滲透特性.數學方程[90-93]為

(2)

(3)

式中：kf為滲透率張量，Kf為滲透系數張量，d為裂隙平均開度，λ為裂隙平均密度，a為裂隙面的法方向單位矢量.

ECM的優點：模型簡單、使用方便、應用最為廣泛，優先用于裂隙巖體表征體單元體積(REV)小于研究域的1/20～1/50的情況.ECM的缺點：該模型一般認為巖體中水流運動服從達西定律，并不適用于非線性滲流的分析.

4.1.2 裂隙網絡模型(FNM)

FNM假設巖體裂隙介質分布具有單一性、呈幾何形態、規律性等特點.充分考慮巖體結構中的裂隙產狀、間距、隙寬、大小、形狀、位置等幾何參數，能很好的描述水流動特征.數學方程[90-93]為

(4)

式中：x、y均為局部坐標軸，Kx、Ky分別為沿x軸和y軸的主滲透系數，p為水壓力，S為貯水系數，W為源匯項.

FNM表征小尺度且裂隙少的工程問題具有精度高、接近實際等優點.其缺點則不適用于大尺度裂隙多的模型，計算量龐大，難以或無法實現.

4.1.3 雙重介質模型(DM)

DM的空隙結構由巖塊裂隙和孔隙構成連續介質，孔隙、裂隙之間流量實時交換.裂隙巖體雙介質中裂隙介質具有導水好、貯水弱的特點；孔隙介質具有貯水強、導水弱的特點.數學方程[90-93]為

(5)

(6)

式中：Kp、Kf分別為孔隙巖塊和裂隙介質的滲透系數，Sp、Sf分別為孔隙巖塊和裂隙介質的貯水率，α為孔隙巖塊與裂隙介質之間的水量交換系數，Hp、Hf分別為孔隙巖塊與裂隙介質中地下水水頭.

DM綜合考慮了等效連續介質和裂隙網絡介質的優點，解決了耦合精度和可操作性之間的問題，符合實際裂隙巖體，適用大尺度裂隙介質滲流問題，有較好的發展前景；其缺點是計算量大，水量交換系數較難確定，裂隙介質非均勻性和各向異性不能很好體現.

目前經典的水力耦合模型用于真正解決實際工程問題還存在一定差距，水流在裂隙巖體中的流動行為是一個相當復雜的過程，因此必須不斷完善和發展經典耦合模型或構建新的耦合模型來研究裂隙巖體中的滲流問題.經典方法顯然不能全面模擬水力耦合下巖石變形破壞全過程，文獻[13,94-95]總結的基于斷裂力學的離散微力學模型(DMM)、連續損傷力學模型(CDM)、統計模型(SM)以及混合模型(DMM/SM、CDW/SM、DMM/CDW)都能很好地模擬巖石破裂問題.Vandamme等[96]基于DMM模型模擬了水力壓裂變形破壞全過程，獲得了滲透率變化規律.Valko等[97]和Souley等[16]使用CDM模型分別模擬了巖體水壓致裂和水力作用下的洞室開挖.Shao等[98-99]通過DMM/CDM混合模型對脆性巖石裂紋漸進破壞規律及滲透特性進行了研究.Yuan等[100]利用CDM和SM模型清楚地說明了圍壓的增加使巖石變得更具延展性，整體滲透率降低了，可見流體流動方式與損傷變形之間的關系緊密相關.總之上述模型尚不成熟，亟待完善，其耦合模型本構、參數選取都應進一步深入研究.

4.2 數值方法

巖石力學中常用的數值方法分類匯總于表5，每種方法的具體原理可參考文獻[13,101-102].近些年，許多學者應用離散元、顆粒流、非連續變形分析法等離散介質方法，擴展有限元法等連續介質方法，連續-非連續介質結合方法對裂隙巖體水力耦合問題進行數值分析，能夠較好地表征水力耦合作用下裂隙巖體的損傷、破裂、貫通、塊體滑動等過程.其中有限元法在分析工程問題中較為常用.趙延林[11]為在王莊煤礦工作面煤層進行高壓注水致裂軟化煤層的工業實驗，采用有限元方法對注水過程中煤層的潤濕損傷變形破壞進行了模擬研究.文獻[103-106]采用二、三維有限元耦合程序分析了壩體、壩基、壩肩及庫岸邊坡的穩定性.師文豪等[107]通過COMSOL軟件對層狀邊坡各向異性巖體水力耦合模型進行了數值模擬計算，模擬結果表明潛水面與實際情況基本一致.李廷春等[108]采用FLAC3D軟件中的三維流固耦合模塊對海底隧道開挖后的應力、位移、水壓力分布進行了模擬分析，以期為隧道的穩定性提供有益參考.此外，應用較廣的還有采用連續介質方法研究非連續介質問題的RFPA方法.李根等[13]基于RFPA方法模擬了三維圓柱標準件在水力耦合作用下的變形破壞全過程，很好地模擬出應力-滲透系數-應變的關系曲線如圖19所示.上述方法在實際裂隙巖體工程分析中可以獲得比較接近實際的結果，但這些方法仍然存在一定的局限.針對不同的工程領域，這些方法不具有普遍適用性.但通過綜合每種方法的優點，可以達到分析不同的工程領域問題的目的.多種數值分析方法互補聯合是今后發展的趨勢.

表5 數值方法特點匯總[13,101-102]

圖19 試樣應力、滲透系數與應變的關系及其對應的試樣破壞模式[13]

5 存在問題及解決方法

5.1 水力耦合研究存在的問題

國內外學者們圍繞水力耦合裂隙巖體問題，在變形和強度特性、滲流特性、變形破壞機制及數值模擬等方面開展了諸多積極有效的工作，取得了一系列實質性成果.然而，由于巖體內部裂隙介質形成的隨機性、幾何形狀的多樣性以及力學特性的復雜性，至今仍未完全弄清水力耦合裂隙巖體理論機制，相比巖體孔隙介質滲流理論還不夠成熟，不足以解決各種工程水力耦合問題，其中，水力耦合變形破壞機制是裂隙巖體工程領域研究的熱點和難點，需要人們長期堅持不懈的探索.目前具體存在以下幾方面問題：1)在水力耦合裂隙巖體力學特性研究方面，鮮有從微觀-細觀-宏觀多尺度分析裂隙巖體力學性質.2)在水力耦合裂隙巖體滲流特性研究方面，單一裂隙滲流特性研究中所采用的預制裂隙深度與寬度差異較小，且高度相似，但天然巖體在構造運動、風化作用等影響下形成物理特性差異較大的裂隙，所以試驗中用于切割巖石裂隙開度的技術存在局限性，獲得的結論和經驗公式與實際存在一定偏差，缺乏考慮多種物理因素共同作用下對立方定律公式進行修正；對裂隙網絡的滲流特性認識尚淺，目前側重于數值模擬研究，缺乏試驗手段進行驗證.3)在水力耦合裂隙巖體變形破壞機制研究方面，主要集中在宏細觀角度上，缺乏從微觀角度上研究宏觀裂隙巖體在耦合作用下的破壞失穩行為；目前尚未完全弄清楚水力耦合裂隙巖體變形破壞機制，對于裂隙漸進破壞過程中線性或非線性滲流特征、力學行為等規律難以給出正確合理解釋.4)在數值模擬方面，不能準確獲取真實可靠的巖體工程地質資料及滲流參數，導致無法定量化描述裂隙巖體結構.由于裂隙巖體基本參數的不準確，求解水力耦合問題時對耦合模型的選取將失去意義；現有的耦合模型均無法完全解決工程實際問題，且對理論模型、本構關系及計算方法等的選取未達成統一共識；在數值分析方法方面未能統籌多種數值方法的優勢和特點，建立一套功能完善、性能高效、結果可靠的分析方法；數值模型尺度較大時，計算速度較慢.5)此外，天然巖體裂隙中的充填物對力學和滲流特性有較大影響，但對充填水力耦合裂隙巖體試驗與機制方面的研究成果卻不常見.對于滲流-應力-溫度-化學等多場耦合的研究成果還有待深入.

5.2 水力耦合研究的意見與方法

通過總結分析了國內外水力耦合裂隙巖體研究現狀，并進一步分析了現有成果中存在的問題，從解決實際巖體工程領域問題的角度出發，對水力耦合裂隙巖體的研究給出五方面的意見：

1)深化水力耦合裂隙巖體滲流特性研究.單一裂隙滲流規律是裂隙網絡滲流特性研究的基礎，并已獲得廣泛應用，但還需深入研究.本文認為水力耦合滲流特性應從以下幾個方面著手：a)對單一裂隙滲流規律的研究切勿盲目把主要焦點放在修正立方定律上，應充分利用先進的技術確定此定律中一些難測參數，以便更好的工程應用；單一裂隙滲流試驗研究主要集中在裂隙流量與隙寬指數n之間關系、裂隙滲透(導水)系數與正應力之間關系上的數學描述，且多為特定條件下得出的經驗公式，今后研究中需進行進一步驗證其正確性與合理性.b)在裂隙滲透特性與剪應力之間關系、裂隙滲透特性與三維應力之間關系上的研究相對較少，需進一步加強.c)巖體裂隙網絡縱橫交錯十分復雜，試驗研究無法很好地揭示其滲流特征，存在一定局限性，今后研究應結合數值模擬，相互驗證，共同發展.d)從微細觀角度出發探討粗糙度、隙寬等物理因素發生微小改變對滲流特性的影響.e)設計新的單一裂隙巖石物理試驗模型，采用粒子追蹤技術或可視化錄像系統對裂隙巖體中的滲流行為(滲流流體可添加顏色)實現實時描述.f)在上述基礎上可進一步研究充填裂隙的滲流特征，加強對充填介質性質的研究，豐富充填裂隙水力耦合研究成果.

2)重點加強水力耦合裂隙巖體變形破壞全過程研究.水力耦合裂隙巖體變形破壞過程十分復雜，在滲透壓和應力的作用下巖石初始介質細觀結構發生損傷變化，進而改變巖石宏觀力學性質和滲透性質，耦合過程實現了從微細觀到宏觀的尺度跨越.近年來，考慮巖體損傷破壞對滲流的影響越來越引起學者們的重視.研究工作具體從以下幾個方面進行發展：a)采用聲發射、超聲、CT掃描等多手段相結合的輔助試驗技術分析巖石從細觀到宏觀漸進破壞的整個過程，弄清工程施工中裂隙面開裂、壓縮及剪切膨脹變形與滲流場的內在關系，以便反映水力耦合的本質特征，并逐步從宏細觀分析轉向微觀分析.b)應加強高水壓條件下的水力耦合裂隙巖石變形破壞全過程試驗研究.c)大力開展三維條件下水力耦合變形破壞方面的研究.

3)構建合理的水力耦合數學模型.應根據巖體工程實際情況選用合適的水力耦合模型，但理論模型的選取是長期以來的難點.主要原因為實際巖體裂隙難以真實表征，構建的數值模型無法匹配實際工程，現有的經典耦合模型自身又存在諸多缺陷.因此，應不斷發展現場測量技術和新的理論模型，使現場工程問題的研究建立在更符合實際的耦合模型上.具體從以下方面著手：a)大力發展真三維巖體結構面測量方法.b)在耦合模型建立時需考慮復雜應力狀態下裂隙的非線性變形與滲流特征.c)二維耦合模型的構建無法真實表征實際工程情況，往往描述的是平面問題，存在很大局限性.需大力發展三維水力耦合模型.d)為構建合理可靠的裂隙巖體滲流-應力-損傷耦合模型，需使細觀損傷演化過程定量化，這對于確定損傷演化與巖石宏觀力學和滲流行為之間的關系具有重要意義.

4)大力發展裂隙巖體水力耦合數值方法.隨著計算機不斷更新換代，模擬大尺度耦合問題得以實現.因此，亟需發展新的數值分析方法，開發普遍適用的裂隙巖體水力耦合軟件.這些分析方法及軟件應朝著以下幾個方面發展：a)總體上數值軟件應符合模擬尺寸大型化、應用簡便化以及計算速度高效化.b)計算速度方面應加強并行算法研究，同時還要不斷提高耦合模型計算精度與可操作性.c)需進一步加強室內試驗研究和現場監測數據分析以驗證模擬結果的真實性與可靠性.d)對于裂隙巖體工程而言，采用連續介質方法或離散介質方法進行考慮損傷的水力耦合模擬研究都存在一定的缺陷，一種有前途的方法是將連續介質方法和離散介質方法相結合，即有限元-離散元耦合法.與此同時，無網格法、數值流形元法因其在模擬裂隙擴展方面的優勢而逐漸興起，因此，在數值分析方法方面需結合多種數值方法的優點，以便達到快速解決實際問題的目的.

5)完善水力耦合理論體系.裂隙巖體是一個十分復雜的不確定天然地質體，當前人們對其認識仍存在一定局限性，盡管學者們對水力耦合裂隙巖體機制已進行多年研究，也取得一些階段性成果，但還有許多問題亟待解決.隨著自然科學、巖體力學、滲流力學以及巖體水力學的基礎理論不斷發展與完善，可以更加客觀、全面、綜合地揭露流體在裂隙巖體中的流動規律，形成一套完善的水力耦合裂隙巖體理論體系.因此，仍需從以下幾個方面繼續作一些研究工作：a)從總體趨勢上來看，應由飽和滲流向非飽和滲流發展、由穩定流向非穩定流發展、由達西流向非達西流發展、由單相流向多相流發展、由兩場分析向多場耦合分析發展.b)從細節方面來看，在裂隙巖體滲流研究中，往往忽略了基質的滲透性，缺乏合理區分裂隙與基質的方法，因此，在耦合理論體系構建過程中要充分考慮基質的作用.c)基于合理可靠的裂隙巖體耦合模型，并結合工程實踐，從微觀層次上研究巖石水力耦合機制.

6 結論與展望

1)從水力耦合力學特性、滲流特性、變形破壞機制及數值模擬等方面綜述了水力耦合裂隙巖體研究的現狀，系統總結了完整巖體和裂隙巖體變形、強度及滲流特性.重點分析了水力耦合變形破壞機制的最新研究進展，梳理了聲發射(AE)、超聲波(UT)、偏光顯微鏡(PM)、掃描電子顯微鏡(SEM)以及CT掃描等先進的輔助試驗技術在變形破壞分析中的應用.歸納總結了國內外學者采用的耦合模型和數值分析方法，簡略闡述了水力耦合裂隙巖體數值方法在采礦工程、水利水電工程、邊坡工程及隧道工程中應用情況.

2)指出了當前水力耦合裂隙巖體研究存在的問題，包括缺乏從微觀-細觀-宏觀多尺度分析裂隙巖體力學性質；單一裂隙滲流、裂隙網絡滲流以及充填裂隙滲流試驗方法有待深化；水力耦合裂隙巖體變形破壞機制尚未弄清、巖體工程地質資料及滲流參數有待準確獲??；水力耦合理論還不成體系，在試驗方法、機制分析、數值模擬等方面仍需開展深入研究.

3)對水力耦合裂隙巖體的研究給出了指導性意見，認為要繼續深化水力耦合裂隙巖體滲流特性研究、重點加強水力耦合裂隙巖體變形破壞全過程研究、構建合理的水力耦合數學模型、大力發展水力耦合數值分析方法、逐步完善水力耦合理論體系.

4)深埋油氣儲庫、地下核廢料處置庫、高溫地熱開發等新興巖體工程領域的研究系統將更復雜.多場-多相耦合現象普遍發生，這將成為今后長期發展的方向.依據裂隙巖體所賦存的地質環境，開展裂隙巖體多場-多相耦合體系作用機制的研究，共同推動水力學、巖體(土)力學、工程地質科學及工程熱力學等各學科之間相互交叉融合，將對理論體系構建具有十分重要的意義和對工程應用具有廣闊的前景.

5)關于水力耦合裂隙巖體的研究獲得了一定的成果，但也應認識到隨著傳統巖體工程難度的不斷增大，新興巖體工程的不斷涌現，裂隙巖體水力耦合、多場-多相耦合機制及數值仿真等方面仍然面臨著一系列關鍵科學技術難題，上述問題的研究成果將是地下能源(石油和天然氣)、工程及地質災害預防等的理論基礎和關鍵技術.水力耦合裂隙巖體研究的不斷發展必將為中國經濟發展和社會進步作出巨大貢獻.