桥梁与隧道工程博士论文06167.pdf

国内图书分类号： 密级：公开 国际图书分类号： 西西 南南 交交 通通 大大 学学 研研 究究 生生 学学 位位 论论 文文 盾构法隧道施工期流固耦合问题研究 年 级 二五级 姓 名 * * * 申请学位级别 工学博士 专 业 桥梁与隧道工程 指 导 老 师 # # 二零一一 年 八 月 二十 日 classified index: u456 u.d.c: 624.193 southwest jiaotong university doctor degree dissertation study on coupled solid-fluid problem of shield tunnel during construction period class: grade 2005 candidate: * academic degree applied for: doctor speciality: bridge & tunnel engineering supervisor: professor # aug， 2011 西南交通大学西南交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1保密，在 年解密后适用本授权书； 2不保密，使用本授权书。 （请在以上方框内打） 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 日期： 西南交通大学博士学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1、提出了按 drucker-prager 准则作为围岩屈服准则进行的围岩和结构的渗流场和 应力场计算公式，在此基础上给出了完整的盾构隧道施工期流固耦合计算的步骤。 （第 2 章） 2、采用流固耦合的数学模型，结合工程实例，对不同地质条件下的盾构隧道进行 了计算，分析了施工期盾构隧道围岩及主体结构的渗流场和应力场，获得了施工期盾 构隧道围岩及衬砌结构的渗流场和应力场分布特征，探明了地下水压对于施工期的管 片结构的影响。 （第 3 章、第 4 章） 3、提出了将有限元程序与区间解法相结合以求解隧道衬砌内力的方法，在单个随 机变量对隧道衬砌内力的敏感性研究的基础上，进行相关的参数最不利组合，以此求 解盾构隧道衬砌的内力区间值。(第 3 章) 4、采用了可模拟真实地下水加压的物理模拟装置，完成了流固耦合条件下功能验 证为主的泥水盾构全过程掘进模拟试验，探讨了掘进过程中盾构参数对地表的位移影 响；完成了砂卵石地层和粉质黏土的地层中泥膜成形的试验。 （第 5 章、第 6 章） 学位论文作者签名： 日期： 西南交通大学博士研究生学位论文 第 i 页 摘 要 盾构法修建隧道一般都与地下水密切相关，其位置大都处于江河湖海水底复杂的 工程地质和水文地质环境当中，盾构隧道穿越的地层既有砂质等软弱地层，也有较硬 的裂隙岩体，不论何种地层，都将遇到盾构隧道施工过程中的流固耦合问题。在盾构 隧道工程中，荷载的取值是设计和施工中关键参数，围岩和地下水两者耦合问题，会 带来荷载的分布特征发生很大改变，因此，在含地下水的盾构隧道研究中，施工期的 流固耦合问题是一个复杂而重要的课题。 本文以重庆主城排水盾构隧道和成都地铁 1 号线盾构区间隧道为工程背景，采用 理论分析、数值模拟计算、现场测试、室内模拟试验等多种分析方法，围绕盾构隧道 施工中的流固耦合问题和泥水盾构机的模拟试验问题，对不同地层条件下的盾构隧道 衬砌结构的施工期内力和可靠性进行了系统的研究。为弥补理论分析方法和数值计算 不能处理不可表征的因素对隧道结构物的影响问题，研制了泥水平衡式模型盾构试验 系统，作为其他研究手段的补充。主要研究成果如下： 1、针对盾构隧道施工过程中的流固耦合问题，从岩体力学、渗流力学和弹塑性理 论出发，具体推导了盾构隧道围岩和结构的渗流场和应力场计算公式。分析了围岩塑 性理论的不同屈服准则， 选择适用于工程的 drucker-prager 准则作为解析法计算的基础， 进行围岩和衬砌结构的内力分析。根据土体和岩体不同的力学特性，给出了其相应的 渗透系数和应力之间的关系式，以此为中间桥梁，得出了按流固耦合理论计算的盾构 隧道管片衬砌内力的解析解。 2、以渗流场-应力场耦合机理为基础，采用大型有限元软件，针对围岩以岩质为 主的地层结构，结合高水压条件下盾构隧道的实际工程重庆主城排水过长江盾构 隧道工程，对施工期盾构隧道围岩及主体结构的渗流场和应力场进行了二维流固耦合 分析，研究了高水压作用下盾构隧道围岩及主体结构的流固耦合问题，分别针对不同 水压情况下和隧道掘进过程中的工况进行了分析，探明了地下水压对于施工期的管片 结构的影响，并与现场试验结果进行相互验证；针对含围岩以含地下水丰富的砂卵石 地层为主的成都地铁1号线盾构区间隧道， 进行了施工期流固耦合的二维和三维计算， 研究了流固耦合条件下结构主体的内力分布和盾构掘进对周边结构的影响。 3、提出了将有限元程序与区间解法相结合以求解隧道衬砌内力的方法，分析了单 个随机变量对隧道衬砌内力的影响水平，将各随机变量进行参数的最不利组合，调用 有限元程序来求解衬砌的内力区间值。 4、以我国盾构隧道为工程背景，为了解决泥水盾构机水下掘进控制和泥水平衡机 理，研制了可模拟真实地下水加压的物理模拟装置，在此基础上完成了流固耦合条件 下功能验证为主的泥水盾构全过程掘进模拟试验，分析了掘进过程中盾构对地表的位 移影响，得出了一些规律性的试验结论；进行了泥膜对地层渗透性影响的基本试验， 在此基础上，根据成都砂卵石地层参数特点配置了相似土体，采用试验方法确定了泥 西南交通大学博士研究生学位论文 第 ii 页 浆材料，并完成了泥膜形成的模拟试验；模拟了粉质黏土的地层配置，并进行了泥膜 的成型试验，通过上述试验，明确了不同地层中泥膜的形态。 随着我国交通事业的迅速发展，盾构隧道的日益增长，上述关于盾构隧道流固耦 合问题的研究，对于保障盾构隧道施工期的安全，具有重要的意义。而泥水平衡模型 试验系统的建成，可在盾构隧道建设过程中，针对性地为各类条件的地层提供盾构掘 进模拟试验，从而为盾构隧道的施工和盾构机的设计提供重要参考价值。 关键词：盾构隧道；地下水；流固耦合；drucker-prager 准则；数值模拟；泥水盾构； 掘进试验；泥膜 西南交通大学博士研究生学位论文 第 iii 页 abstract construction of the shield tunnel generally closely related to ground water. its location is usually located in the rivers, lakes, sea bottom where is exists the complex engineering geology and hydrogeology environment. shield tunnel through the strata both soft ground such as sand, but also a hard fractured rock. shield tunnel will meet in the process of tunnel constructions coupled solid-fluid problems, no matter what kind of formation. in the shield tunnel design, the load value is the design and construction of key parameters, coupling between surrounding rock and groundwater, will bring the distribution of load changed significantly. therefore, the problem about coupled solid-fluid during construction period is a complex and important issue in the course of the research for shied tunnel with ground water. in this paper, take the drain tunnel project crossing yangtze river in the downtown of chongqing city and shield section tunnel in chendu metro line 1 as the engineering background. the use of theoretical analysis, numerical simulation, field testing, simulation analysis of laboratory tests and other methods around the shield tunnel construction in the problem about coupled solid-fluid during construction period and slurry shield machine simulation test problem, it is studied systematically that the structure internal force and reliability during construction period of the different soil layers in the underwater tunnel lining. to make up for theoretical analysis and numerical calculation of the factors that cant handle not on the impact of the tunnel structure, a slurry shield model test system developed, as a supplementary means of other studies. the main results are as follows: 1. for the problem about coupled solid-fluid during construction period, from rock mechanics, seepage mechanics and elastic-plastic theory, the calculation formulas of seepage field and stress field for surrounding rock and structure was deduced. selected for the drucker-prager criterion works as the basis of analytic method after analysis of the different rock plasticity yield criterion, surrounding rock and the lining of the internal force was calculated. according to the different soil and rock mechanical properties, gives the permeability coefficient and the corresponding relationship between the stress, take this as a bridge, analytical solution of shield tunnel lining internal forces obtained by coupled solid-fluid theory. 2. based on coupling mechanism between seepage field and stress field, using finite element software, for the surrounding rock that consists mainly of rock strata, combined with high pressure water shield tunnel of the actual project-the drain tunnel project crossing yangtze river in the downtown of chongqing city, the construction of tunnel surrounding rock and the main structure of the seepage field and stress field analysis of two-dimensional 西南交通大学博士研究生学位论文 第 iv 页 coupled solid-fluid. studied the effect of coupled solid-fluid problems about surrounding rock and the main structure of coupled solid-fluid problems under high water pressure, respectively, and under different pressure conditions in the process of tunneling conditions were analyzed, the water pressure proved construction of the segment for structure, and the result has been certificated by local test dates . for the surrounding rock contain mainly sand and gravel with rich groundwater in shield section tunnel in chengdu metro line 1, the two-dimensional and three-dimensional coupled solid-fluid was calculated, the internal force distribution of main body and the tunneling impact on the surrounding structure was studied. 3. put forward a method that combined the finite element program and interval method to solve the tunnel lining internal forces. analyze a single random variable internal force of the impact of the level of the tunnel lining. parameters of random variables will be the most dangerous combination, called finite element program to solve the interval values of lining internal force. 4. on the engineering background of shield tunnel in china, in order to solve the tunneling control of slurry shield machine and mechanism of slurry balanced, developed physics simulation device that can simulates to the real groundwater pressure. on the basis of complete functional verification-based simulation of slurry shield tunneling the whole process of testing, analysis of the tunneling process on the surface of the displacement of shield, draw some conclusions of regular testing. through the membrane formation mechanism of mud, the test was done that filter-cake for a fundamental impact on the formation permeability. on this basis, according to chengdu, sand and gravel parameters configured similar to the soil characteristics, test methods used to determine the slurry material, and completed the formation of filter-cake simulation test film. strata was configured to simulate the silty clay, and the filter-cake formation was test. through the trial, the filter-cake formation of different strata was defined. with the rapid development of transport, the growing shield tunnel, the above study on problem about coupled solid-fluid has important significance value for the protection of shield tunnel construction safety.the slurry shield micro simulation test system built in the shield tunnel construction process, targeted for all types of conditions to provide shield tunneling simulation test, so as to provide an important reference value for the construction of shield tunnel and design of machines . keywords: shield tunnel；ground water；coupled solid-fluid；drucker-prager criterion； numerical simulation；slurry shield；shield tunneling test；filter-cake 西南交通大学博士研究生学位论文 第 v 页 目 录 第 1 章 绪 论 1 1.1 盾构隧道施工期的流固耦合问题 . 1 1.2 国内外研究现状综述 5 1.2.1 渗流场研究 5 1.2.2 岩石水力学研究 6 1.2.3 岩石工程中的应力场与渗流场耦合研究 10 1.2.4 隧道工程中的流固耦合问题研究 11 1.2.5 盾构隧道模型试验的研究现状 13 1.3 选题背景、研究内容及方法 17 1.3.1 选题背景 17 1.3.2 研究内容 18 1.3.3 研究方法 20 第 2 章 流固耦合条件下盾构隧道施工期结构内力的理论计算 21 2.1 渗流场的基本微分方程和定解条件 . 22 2.1.1 渗流场的基本方程 22 2.1.2 渗流场的定解条件 26 2.2 岩土材料强度准则 . 27 2.2.1 莫尔库伦强度准则 30 2.2.2 德鲁克普拉格强度准则 . 31 2.3 施工期衬砌和围岩的渗透水压力 . 33 2.4 施工期盾构隧道衬砌和围岩的应力 . 35 2.5 盾构隧道施工期渗流应力的耦合方程 . 43 2.6 盾构隧道施工过程中流固耦合计算步骤 . 45 2.7 本章小结 . 46 第 3 章 岩质盾构隧道施工期流固耦合研究 47 3.1 数值计算渗流应力耦合理论 . 49 3.2 依托工程概况 . 52 3.3 不同水压条件下盾构隧道流固耦合数值模拟 . 54 西南交通大学博士研究生学位论文 第 vi 页 3.3.1 有限元模型 54 3.3.2 计算结果分析 56 3.3.3 水压力结果与现场试验比较 64 3.4 掘进过程中盾构隧道流固耦合数值模拟 . 65 3.4.1 有限元模型 66 3.4.2 计算结果分析 67 3.4.3 与现场试验对比 68 3.5 随机因素影响下的水下盾构隧道管片内力区间有限元分析 . 71 3.5.1 随机有限元方法 71 3.5.2 区间有限元方法及求解 73 3.5.3 随机变量下隧道衬砌内力区间有限元分析 76 3.6 本章小结 . 85 第 4 章 富水砂卵石地层盾构施工期流固耦合研究 86 4.1 隧道施工期二维流固耦合数值计算 . 86 4.1.1 盾构下穿万福桥过府河工程概况 86 4.1.2 二维流固耦合模型 87 4.1.3 计算结果分析 88 4.2 隧道施工期三维流固耦合数值计算 92 4.2.1 三维整体建模 92 4.2.2 计算结果分析 94 4.3 本章小结 . 102 第 5 章 考虑流固耦合的盾构隧道掘进模拟试验研究 103 5.1 300mm 泥水平衡式微型盾构模拟试验系统研制 103 5.1.1 盾构机及模型 103 5.1.2 泥水平衡式微型盾构模拟试验系统研制 . 106 5.2 考虑流固耦合的泥水盾构掘进试验 . 117 5.2.1 地层土体的配制 118 5.2.2 泥浆配置 118 5.2.3 量测项目 119 西南交通大学博士研究生学位论文 第 vii 页 5.2.4 考虑流固耦合的地表沉降分析 121 5.3 本章小结 . 125 第 6 章 流固耦合条件下泥膜形成机制研究和试验模拟 126 6.1 开挖面泥膜的形成过程 . 127 6.2 泥膜的特性 . 128 6.2.1 开挖面泥膜的形成机理 128 6.2.2 开挖面泥膜的成膜状态 128 6.3 泥浆的基本性能试验 . 129 6.4 泥浆对地层渗透性的影响 . 133 6.5 成都砂卵石地层泥水配料及配比确定方法 . 135 6.6 模拟成都地层试验掘进土配制 . 137 6.7 模拟成都砂卵石地层泥膜形成试验 . 139 6.8 模拟粉质黏土试验掘进土配制 . 142 6.9 本章小结 . 145 结论与展望 146 致 谢 149 参考文献 150 攻读博士期间发表论文 159 攻读博士期间参加科研情况 160 西南交通大学博士研究生学位论文 第 3 页 图 1-2 水下盾构隧道掘进引起的水头变化概念图 图 1-3 重庆长江盾构隧道衬砌结构周边水压力随开挖进程的变化实测曲线 泥水盾构掘进过程中，不仅送泥管和排泥管的泥浆密度存在差异，而且送泥管和排 泥管的流量也存在很大差异（通常是后者大于前者） 。盾构掘进过程中，泥水盾构刀盘前 方和盾构机体以及后部一定衬砌范围周边地层的水流都会向着泥水仓内流动，周边水流 水面 h1 h2 h0 c dd c b a水头h 施工期前、后水头 施工期 水头 k2 k1 e 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0100200300400500600 里程桩号（k0+）/m 水压力/mpa 测点2 测点4 测点8 测点10 测点8 测点6 测点4 测点2 测点14 测点12 测点12 测点10 测点8 测点6 测点4 测点2 测点14 第1测试那管片环第2测试那管片环 西南交通大学博士研究生学位论文 第 4 页 和地层之间存在流固耦合问题是一个丛所周知的事实。图 4 是泥水盾构施工过程中流固 耦合的概念图。 泥水仓中的泥水进入刀盘前方一定范围， 在地层裂隙或孔隙中形成泥膜， 削弱了前方地层的渗透能力，有效控制了泥膜以外水体的流失，从而实现前方土体获得 稳定的目的。因此，研究泥膜对一定范围内地层孔隙或裂隙的改变，进而导致渗透率的 非线性改变是泥水盾构施工流固耦合研究的一个关键问题。 泥 水 仓 衬砌管片千斤顶 送泥管 排泥管 刀盘 衬砌管片 静水 压力 动水 压力 河床 水面 搅拌装置 土压力 第1层 第 层 土压力 静水 压力 密封装置 注浆层 泥膜 水流 施工期水压 原状水压 第层 密封装置 串通水流 图 1-4 泥水盾构施工过程中流固耦合的概念图 从图 4 还可以看出，泥水仓中泥水压的作用是用来平衡刀盘前方土体压力和水压力 （包括以表面力体现的静水压力和以体积力体现的动水压力） ， 泥水平衡盾构是在流固耦 合中实现的泥水压对土压和水压的动态平衡。研究这一问题具有重要的意义，即在一定 掘进速度（通过排泥管流速大小近似）的情况下，可以确定泥水仓的压力，以使排泥管 处的压力不超过设计压力，避免喷涌的发生；同时，可以研究盾构顶推力作用大小对渗 流场和固体场的影响，分析地层移动情况以及水压力的变化；还可以研究壁后注浆压力 的合理范围，避免浆液轻易前渗进入泥水仓后被排出。由于泥水压力、注浆压力和顶推 力等都是盾构施工的关键控制参数，过去这些参数的确定基本是凭借施工经验，因此从 流固耦合理论的角度研究泥水压力、 注浆压力、 顶推力的合理范围， 不仅具有理论意义， 还具有很大的现实工程意义。 因此开展这方面的研究，不仅对于工程的建设及运营具有重要的现实意义，而且对 于未来大型水下隧道的设计建设也可以提供重要的参考。 西南交通大学博士研究生学位论文 第 5 页 1.2 1.2 国内外国内外研究现状综述研究现状综述 由于许多地下工程都与地下渗流密切相关，对渗流场的研究是从对土体的研究开始 的。1856 年，法国的水利工程师 darcy在一系列实验的基础上总结出了渗透能量损失与 渗流速度之间的相互关系 darcy 定律7，标志着对渗流研究的开始，土体渗流的研究随 着石油气工业的崛起而迅速发展起来， 对于稳态和非稳态渗流的数学模型在 20 年代就已 经建立，随着研究的深入，发现建立在多孔连续介质理论基础上的土体渗流理论已经不 适应现代地下工程的需要，相应的，出现了研究岩石裂隙的岩石水力学8，并最后出现 了渗流场与应力场耦合的研究。 1.2.1 1.2.1 渗流场研究渗流场研究 最早，法国工程师达西（h. darcy）在垂直圆管中装砂进行渗透试验，总结出水在 孔隙介质中流动的基本规律，称为达西定律，奠定了渗流理论的基础；1889 年，俄国数 学和力学家茹可夫斯基首先提出了稳定渗流的微分方程；1922 年，俄国学者 h.e.巴蒲洛 夫斯基采用了电模拟法来求解渗流场的方法，有效地解决了比较复杂的渗流问题，并最 后发展成电阻网模拟法。 渗流问题的解法如图 1-5 所示： 图 1-5 渗流问题的分析方法 渗 流 问 题 分 析 方 法 解析法 数值法 图解法 实验法 直接求解法 复变函数法 渐变渗流分析法 有限差分法 有限单元法 边界元法 流网法 砂槽模型法 电比拟法 热比拟法 西南交通大学博士研究生学位论文 第 6 页 在岩土体渗流场理论研究方面， buckley 和 leverett（1942） 9在假定相对渗透率只 是饱和度的单值函数的基础上提出了经典的 buckleyleverett 二相渗流理论； 60 年代初， 苏联学者巴伦布拉特和美国学者 warren 等 （1963） 10相继提出了双重介质弹性渗流模型； closmann（1975）11在研究岩块系统存在级差非均质的情况基础山，首次提出了三重介 质渗流模型；大量的实践证明，在多数情况下流体渗流不符合达西渗流规律，这种现象 被 hansbo（1960） 12称之为非达西渗流，非达西渗流分为高速非达西渗流和低速非达西 渗流，高速非达西渗流主要研究当惯性力起主导作用时流体的特殊性质，低速非达西渗 流主要研究流体在低渗透速度情况下的渗流特征曲线以及初始阶段启动压力梯度、临界 压力梯度、渗流速度的影响因素和产生机理。 由于渗流微分方程边界条件的复杂性，对其的解析解很难得到，1910 年，英国学者 理查森首先提出了有限差分法，为渗流场的求解开辟了广阔天地，随着计算机技术的快 速发展，数值法成为求解渗流问题的重要手段。 纽曼（1973） 1314最早在饱和非饱和渗流问题上采用了显式隐式混合有限单元 法来求解，提出用固定网格法求解有自由面渗流的 galerkin 方法，采用的有限元方法能 解决一维非饱和渗流问题和二维饱和非饱和渗流问题，该方法后来发展成 flump 程 序；w. c. desai（1975） 15采用了有限元方法计算稳定流问题；lam 和 fredlund（1984） 16应用饱和非饱和渗流分析程序 trasee 对一些坝体的经典渗流问题进行了求解， 对饱 和非饱和土体的渗流问题作了较完整的论述。 在国内，吴良骥等（1985）17对积分有限差分法的数值模型及其程序 trust 进行 丁修正，提出了有限差分积分法的数值模型及其相应的程序，并结合工程实例对堤坝饱 和非饱和渗流进行了数值模拟；汪自力等（1991） 18年提出了堤坝三维饱和非饱和瞬 态渗流有限元分析的一种新方法离斯点法，该方法解决了单元内存在的非饱和渗透参 数不同的问题，也解决了由于饱和区边界条件突变引起的计算不稳定问题，该法计算量 小，迭代格式简单；张家发（1994）19针对非饱和土坝的渗流，编写了有限元程序，并 对赤井浩一的砂槽模型进行了验证计算，分析了土坝饱和非饱和渗流的意义；独仲德等 （1997）20进行了黄土非饱和渗流试验研究，对黄土垂直节理、大孔隙的实地观察和用 土壤水动力学理论分析，证明黄土介质中的垂直节理、大孔隙在不同含水量下对水分入 渗所起的作用；严飞等（2004）21研究了 vg 模型代入法和试验数据法之间的差距，提 出了“双参数 vg 模型”的方法。 1.2.1.2.2 2 岩石水力学研究岩石水力学研究 岩石水力学是研究水在裂隙岩石中运动规律的科学。岩石中有许多断层、节理、裂 隙，这些结构面在岩石水力学中都可以称为裂隙。岩石不同于土体，由于岩块的渗透系 数很小，水在岩石中的运动主要是在裂隙中流动，而渗流这个概念是以连续介质为依托 西南交通大学博士研究生学位论文 第 7 页 的，因此，louis 在 1974 年提出了岩石水力学这个概念。 前苏联是最早研究裂隙渗流的国家，（1941）针对地下水在裂隙 岩石中的运动进行了裂隙水力学实验研究；（1951）发表了岩石水力学方 面的最早专著并验证了单裂隙介质中地下水运动的立方定律；barenblatt（1960）通过观 察石油开采中若使钻井附近的岩石劈裂，可大幅提高石油产量这一现象，经过研究，率 先提出了双重孔隙介质模型；（1966）发表了裂隙岩石渗透特性一书，是 岩石水力学最早的系统性专著；22（1979）发表了水在裂隙网络 中的运动一书，对裂隙网络水流进行了全面的研究，并引入了裂隙网络水力学理论； 70 年代，前苏联学者对裂隙介质的研究转入到裂隙网络的研究中，并在实际工程应用中 取得了很大的成果。 西方国家的研究稍晚一些，snow（1969） 23研究了裂隙透水介质的平板模型，基于 裂隙面为无限延伸的假定推导了单个裂隙、一组平行裂隙的渗透张量公式，并提出多组 岩/土体的渗流张量具有可叠加性；barenblat t（1960）24首先提出了水力双重介质模型 的概念；wilson25将岩体当作连续和不连续介质进行计算比较后，提出最大裂隙间距与 最小边界尺寸之比小于 1/50 时可以按连续介质考虑；louis（1974）26完成了著名的裂 隙岩石三段压水试验，并提出了“rock hydraulics”这个名词；witherspoon（1980）27 根据立方定律并给出了光滑平行板中稳定流的流量公式； wang and narasimhan （1985） 28提出将裂隙分为 2 组，以倾角 45为界，小于 45的用水平裂隙替代，大于 45的 用竖直裂隙替代，可将裂隙简化为三维正交网络；peters and klavetter（1988）29采用双 重孔隙介质理论研究了美国内华达州核废料储存现场的非饱和水流的运动特性。其后， 许多学者从岩体的物理性能出发，建立了渗流与应力场耦合的许多模型，包括等效连续 介质模型、裂隙网络模型、裂隙孔隙介质模型。 在国内， 相关的研究起步较晚， 但随着 20 世纪 80 年代末国内大型水利工程的兴建， 使岩石水力学的研究成为一门热门学科。张有天和张武功（1980）30提出了将水荷载作 为场力来进行围岩和衬砌的静力计算；毛昶熙（1984，1994）31 ，32利用水力学中水管 网原理编制程序对地下水渗流问题进行求解；田开铭等（1986）33在交叉裂隙模型中进 行了交叉流的模拟实验；张家发（1990）34给出了将岩体作为连续介质的三维非均质各 向异性渗流场有限元方法；王恩志（1991）35采用数学方法将裂隙视为若干个环绕孔隙 岩石的封闭回路，建立了裂隙水网络流的模型；万力等（1993）36将裂隙互相切割后的 多边形为基本单元，提出了一个裂隙网络模型及渗流计算方法；赵阳升（1994）37应用 分形理论研究岩体裂隙分布规律，指出小尺度岩体裂隙分布与大尺度岩体裂隙分布存在 一种自相似关系；速宝玉等（1994）38对光滑型裂隙水流进行了室内模型试验，给出了 立方定律的适用范围；谢和平等（1996）39将分形理论应用到岩体裂隙网络分析，描述 裂隙面产状和凹凸不平粗糙度；周创兵等（1998）40对岩石节理面张开度的概率模型和 西南交通大学博士研究生学位论文 第 8 页 非饱和渗透特性进行了研究；郑少河等（1999）41通过进行天然裂隙的渗透实验，给出 了三维应力作用下天然裂隙渗流规律；杨栋（2000）42提出了广义双重介质模型，将小 裂隙视为由离散介质和拟连续介质组成的广义双重介质岩；许光祥等（2003）43进行了 多种人工裂隙的试验研究，提出可以采用超立方定律和次方立定律来反映粗糙裂隙的渗 流规律。宋晓晨等（2004）44归纳了裂隙岩体中非饱和渗流的特点，并讨论了目前所存 在的模拟非饱和渗流的概念模型；于青青（2005）45利用逆方法建立岩体三维裂隙网络 模型。 1.2.2.1 单一裂隙渗流场研究 由于岩石裂隙的水力传导系数远大于岩石的渗透系数，因此对于岩石水力学的研究 首先是对单一裂隙的水力特征研究。在假定裂隙为由两块光滑平板组成的基础上，前苏 联学者（1941） 、（1951） 、（1966） 、法国学者 snow（1969）等首先进行了光滑平行板裂隙的水流实验，建立了立方定律，即缝隙中的 流量与隙宽的 3 次方成正比： = 3 12 （1-1） 式中 等宽裂隙的流量； 裂隙宽度； 水的运动粘滞系数； 沿裂隙方向的水力梯度； 由于岩石中实际裂隙面是粗糙不平的，而非光滑面，需要将立方定理进行修正。 （1951）进行了粗糙裂隙的水力试验，将粗糙度修正系数 c 引入了立方定 理： = 3 12 （1-2） 1.2.2.1 岩石水力学的数学模型研究 用数值法求解岩石水力学问题需建立合适的数学模型，仵彦卿、张倬元等46将数学 模型划分为三种：等效连续介质模型，裂隙网络模型，裂隙孔隙介质模型。 1、等效连续介质模型 该模型是将裂隙岩石视为孔隙介质，根据流量相等原则把岩块裂隙系统等效成连续 介质，将裂隙的透水性能平均到岩石中去，由于一般岩石的渗透性很小，可以在工程中 忽略不计，因此该等效是裂隙渗流量的等效。将岩石视为等效连续介质模型的优点，是 可以直接应用较成熟的孔隙介质非饱和渗流分析方法来求解裂隙岩体非饱和渗流问题， 西南交通大学博士研究生学位论文 第 9 页 但同时也存在着一些不足之处：该模型不能很好的刻画裂隙的特殊导水作用，拟真性不 好；适用范围受限制，并非所有裂隙岩体均可等效为连续介质；典型单元体(rev)和等 效的非饱和水力参数难求。 直角坐标系下三维等效连续介质渗流模型为： . / + . / + . / = (1-3) 式中 k渗透系数； h水头； h含水层中水层厚度； 给水度； 2、裂隙网络模型 该模型忽略岩石的透水性， 认为水只在裂隙网络中流动， 事先采用数理统计的手段， 用计算机生成计算裂隙网络样本，以各裂隙交叉点(结点)处的流体质量平衡原理为基础 建立控制方程式，把裂隙网络离散成许多单元，根据确定的水力参数，用伽辽金有限元 法或积分有限差分法求解控制方程。目前二维裂隙网络水力学研究相对成熟，三维裂隙 网络水力学研究有待深入。 3、裂隙孔隙介质模型 又称双重孔隙介质（dual porosity media）模型，该模型将岩石中的裂隙也视为一种 孔隙，这样就和岩石中原有意义上的孔隙一起成为了双重孔隙概念。该理论认为岩体中 同时存在着孔隙系统和裂隙系统2个独立的系统， 介质中的每一点同时属于这2个系统， 即每一点存在即代表孔隙系统的水头值，又代表裂隙系统的水头值，2 个不同水头之差 使 2 个系统产生流量交换。 孔隙介质的控制方程为： ( + ) = . ， / ， (1-4) 裂隙网络的控制方程为： 1 . 1/ + 1 . 1/ + 2 = 0 (1-5) 式中 s饱和度； 岩石孔隙率； 水的压缩系数； 介质骨架的压缩系数； 西南交通大学博士研究生学位论文 第 10 页 水的重度； 1，1裂隙局部坐标； 将式（1-4）和式（1-5）耦合求解，即可求得双重介质渗流场的解。 前苏联学者 barenblatt（1960）通过观察石油开采中若使钻井附近的岩石劈裂，可大 幅提高石油产量这一现象，经过研究，率先提出了双重孔隙介质模型；moench（1984） 将这一理论由石油行业向水位地质方面拓展。 1.2.1.2.3 3 岩石工程中的应力场与渗流场耦合岩石工程中的应力场与渗流场耦合研究研究 tsang（1990） 47归结出具有学术和工程意义的耦合作用有 4 种类型，而水力学和水 力（hydro-mechanical）耦合作用，即渗流场和应力场耦合作用在工程中是最为重要的。 国际上对裂隙岩体和孔隙土体的双场耦合研究工作开展较早，取得了许多开创性成果。 太沙基（terzarhi k）48（1943）首次科学地研究土体的固结过程，同时提出了土力学的 一个基本原理，有效应力原理，即有效应力等于上层总压力减去孔隙水压力； biot49 在研究三轴压缩力学问题基础上提出了修正后的有效应力原理，即有效应力等于上层总 压力减去等效孔隙压力，为此而奠定了孔隙介质与流体耦合作用的基础；louis（1974） 26根据钻孔压水试验提出了渗透系数和正应力之间关系的经验公式；nelson（1975）50 在试验研究的基础上，给出了砂岩裂隙渗透系数和有效应力的经验公式；ayatollahi 和 noorishad 等（1983）51曾力图借用固结理论，将多孔弹性介质的本构模型推广到裂隙 介质的非线性变形本构关系， 进行耦合分析； barton （1985） 52利用单隙面的变形规律， 间接地提出裂隙渗透性和应力的变化关系式；oda（1986）53从裂隙网络三维几何形态 考虑， 用裂隙几何量来统一表示裂隙岩体渗透张量和弹性张量， 建立了2 者之间的关系。 在国内，从 20 世纪 8