多场耦合-11解析.ppt

复杂岩体多场广义耦合理论 刘先珊 土木工程学院 1 1 主要内容： •绪 论 •1、 研究对象 ：复杂岩体 •2、 研究意义：热点-需求-产物 •3、 研究现状：单裂隙-裂隙岩体-核废料处置库 •4、 研究内容与研究方法 2 2 水对工程的重大影响：国际重大事故 1、法国 Malpasset 拱坝 1954 年末建成并蓄水，1959 年 12 月 2 日 21 点 20 分，大坝突然溃决，当时库水位为 100.12m洪 水出峡谷后流速仍达 20km/h，下游 12km处 Frejus 城 镇部分被毁，死亡 421 人，财产损失达 300 亿法郎 导致如此重要的灾害主要由忽略裂隙岩体渗流及 水力耦合问题 绪论：存在的问题 3 3 法国Malpasset 拱坝主要地质结构图 1 1、坝基为片麻岩、坝基为片麻岩 ，， 片理倾角在片理倾角在30°-30°- 50°50°之间，倾向下之间，倾向下 游游 偏右岸较大的片偏右岸较大的片 理中部充填糜棱岩理中部充填糜棱岩 2 2、坝址范围内有、坝址范围内有 两条主要断层一两条主要断层一 条为近东西向的条为近东西向的F1 F1 断层，倾角断层，倾角45°45°，， 倾向上游。

断层带倾向上游断层带 内充填含粘土的角内充填含粘土的角 砾岩，砾岩， 宽度宽度80cm80cm 另一条为近南北另一条为近南北 向的向的F2 , F2 , 倾向左岸倾向左岸 ，倾角，倾角70°-80°70°-80° 4 4 Malpasset 拱坝蓄水过程线 MalpassetMalpasset 拱坝于拱坝于1954 1954 年末建成并蓄水库水位上升缓慢，历经年末建成并蓄水库水位上升缓慢，历经5 5 年至年至1959 1959 年年1111月中旬，月中旬， 库水位才达到库水位才达到95.12m95.12m这时的坝址下游这时的坝址下游20m 20m ，， 高程高程80m 80m 处有水自岩石中流出因下了一场大雨处有水自岩石中流出因下了一场大雨, , 到到12 12 月月2 2 日晨，日晨， 库水库水 位猛增到位猛增到100m100m 5 5 荷载垂直片理与平行处理应力分布 LondeLonde (1987) (1987) 的分析：片麻岩有片理构造试验研究表明：当窄条形荷的分析：片麻岩有片理构造试验研究表明：当窄条形荷 载与片理垂直时，载与片理垂直时， 应力向岩体深部传布呈扩散状，应力向岩体深部传布呈扩散状， 而当荷载与片理平行时，而当荷载与片理平行时， 受片理影响，应力分布呈条带状传至岩体深部而不能扩散受片理影响，应力分布呈条带状传至岩体深部而不能扩散 。

MalpassetMalpasset 拱坝由于其与片麻岩片理空间相对关系拱坝由于其与片麻岩片理空间相对关系, , 左坝肩拱推力与片理平左坝肩拱推力与片理平 行，行， 右坝肩拱推力则与片理垂直左右两坝肩岩体承载后的应力分布有很大右坝肩拱推力则与片理垂直左右两坝肩岩体承载后的应力分布有很大 差异由于坝左有差异由于坝左有F1 F1 断层，在左坝肩从拱座到断层，在左坝肩从拱座到F1 F1 断层形成高应力岩体条带断层形成高应力岩体条带 BernaixBernaix 在在MalpassetMalpasset 拱坝溃坝后对地基片麻岩体进行过室内渗透性与应力拱坝溃坝后对地基片麻岩体进行过室内渗透性与应力 关系的试验，发现片麻岩的渗透性与应力关系十分明显关系的试验，发现片麻岩的渗透性与应力关系十分明显 6 6 按岩石渗透性与应力关系的试验结果，按岩石渗透性与应力关系的试验结果， 在拱坝推力作用下左坝肩拱座到在拱坝推力作用下左坝肩拱座到F1 F1 断层实际上形成了条状防渗帷幕，相当于一个地下大坝该区域的渗透系数断层实际上形成了条状防渗帷幕，相当于一个地下大坝该区域的渗透系数 仅为周围岩石的渗透系数的仅为周围岩石的渗透系数的1/ 100 1/ 100 或更小。

由于条带内与条带外渗透系数相或更小由于条带内与条带外渗透系数相 差差100 100 倍，倍， 绕坝渗流水头全消耗在防渗条带内因而绕坝渗流水头全消耗在防渗条带内因而, , 在防渗条带上游就作用在防渗条带上游就作用 有相应于全水头的压力左坝基岩体在全水头压力作用下沿有相应于全水头的压力左坝基岩体在全水头压力作用下沿F1 F1 断层滑动致使断层滑动致使 拱坝溃决拱坝溃决 Londe 对Malpasset 拱坝溃坝原因的解释 7 7 WittkeWittke 和和LeonardsLeonards 的分析：西德的分析：西德AachenAachen 大学大学WittkeWittke 教授在教授在1984 1984 年秋年秋 考察了考察了MalpassetMalpasset 拱坝遗址后，拱坝遗址后， 随即开展了对该坝失事原因的研究随即开展了对该坝失事原因的研究 WittkeWittke 从岩体渗流的增量荷载理论，用有限元方法分析坝与坝基在水压从岩体渗流的增量荷载理论，用有限元方法分析坝与坝基在水压 力、自重及渗流荷载作用下的变形和应力结果表明：拱坝坝踵处岩体力、自重及渗流荷载作用下的变形和应力结果表明：拱坝坝踵处岩体 在垂直片理方向产生拉应力，该处片理产生张裂缝。

在垂直片理方向产生拉应力，该处片理产生张裂缝 库水进入裂缝并将裂缝劈开至下部断层处，库水进入裂缝并将裂缝劈开至下部断层处， 在裂缝内形成全水头压力在裂缝内形成全水头压力 ，使左坝肩至，使左坝肩至F1 F1 断层的岩块失稳，断层的岩块失稳， 大坝溃决大坝溃决 Wittke 对Malpasset 拱坝溃坝原因的解释 两种对两种对MalpassetMalpasset 拱坝破坏分析拱坝破坏分析 形式上一致，形式上一致， 但出发点不相同但出发点不相同 岩体中有节理、裂隙、片理、层面岩体中有节理、裂隙、片理、层面 及断层等各种构造面，及断层等各种构造面， 水流主要水流主要 顺这些构造而运动对多数岩石，顺这些构造而运动对多数岩石， 岩块的渗透性常可忽略不计从这岩块的渗透性常可忽略不计从这 个观点，个观点，WittkeWittke 提出的提出的MalpassetMalpasset 拱坝溃坝原因的分析是比较最实际拱坝溃坝原因的分析是比较最实际 的 8 8 2、意大利Vajont水库滑坡 该水库大坝高267m，是当时世界上最高的双曲拱坝，于 1960年建成蓄水运行三年后，于1963年11月约(2.5-3.0) ×108m3的岩体以高达25-30m/s的速度沿层面下滑，滑体淤满水 库,并一直冲到对岸140m高处，造成高出坝顶100余米的涌浪,使 库水渲泄而下，摧毁了下游一个村镇，死亡3000多人，并使全 部工程失效。

Vajont 滑坡地质剖面 9 9 Vajont 滑坡降雨(E) 、库水 位(F) 、位移速率(G) 及测压 管水位(H) 过程线 1010 滑坡位移速率与库水位的关系： 滑坡位移速率与库水位的关系： MüllerMüller (1964) (1964)在其论文在其论文 “ “VajontVajont 河谷的岩石滑坡河谷的岩石滑坡” ”给出坡面位移与库水位的关系给出坡面位移与库水位的关系 由图明 显看出：在库水位上升时滑坡加速，库水下降时滑坡停止这一显看出：在库水位上升时滑坡加速，库水下降时滑坡停止这一 现象与许多挡水土坝滑坡所得到的经验相矛盾，土体总是在库水现象与许多挡水土坝滑坡所得到的经验相矛盾，土体总是在库水 位降落时出现滑坡位降落时出现滑坡(Jaeger (Jaeger ，，1979) 1979) 对这一现象，当时未有满意对这一现象，当时未有满意 的解释 库水位(实线) 与岩石位 移(虚线) 关系 1111 时至今日，按岩石水力学观点这一现象在特定条件下是 正常的由于水在岩体中主要沿其中的裂隙运动, 实际流速 通常比达西流速大4～6 个量级， 但土体中实际流速与达西 流速大体相当。

这就是岩石水力学与孔隙介质渗流学根本 区别之一 岩石边坡裂隙中的水位可与库水位同步升降Vajont 近坝 库左岸滑坡滑面为靠背椅形库水位上升时， 滑坡平段被 水淹没，岩石由湿重变为浮重， 阻滑力减小，位移因而加 大反之， 当库水位下降时，阻滑力加大，位移就减小或 停止 1212 绪论：理论的发展 • 法国 Malpasset 拱坝和意大利的Vajont水库滑坡都说明 了水对岩体工程的重要影响，如何解决这一问题成为众多 学者研究的热点 Ø岩体水力学及多场耦合理论发展的研究基础 • 自20世纪50年代以来，现代岩石力学的理论、方法和 技术都取得了长足发展岩石力学发展受到了若干重要的 理论和技术的推动 Ø岩体力学的发展 • 1、 首先，20世纪50年代以Muller为代表的奥地利学派 提出了结构面对岩石力学特性和岩体稳定性起控制作用的 思想，其后以谷德振为代表的中国学者提出了岩体结构新 概念及岩体结构控制岩体稳定性的观点，并逐步形成了以 “结构面和岩体结构”为核心的岩体工程地质力学理论； 1313 • 2、其次，20世纪60年代末现代计算机及数值 模拟技术的快速发展为岩石力学提供了有效的 分析手段和预测工具； • 3、再者，各类室内外实验技术以及爆破开挖 、锚固支护、固结灌浆等施工技术的发展为正 确认识岩体、合理利用和改造岩体提供了技术 支撑。

• 4、同时，岩石力学广泛吸收和融合了力学学 科、工程技术学科的最新研究成果 1414 Ø多场耦合问题的初现 • 1、在岩石力学的发展过程中，20世纪70年代 起步的岩土体介质应力(变形)、渗流、温度等多场 耦合研究，特别是20世纪90年代开始的裂隙岩体 热-水-力-化学(THMC)耦合问题的研究 • 凝练了岩土体变形和破坏的关键科学问题，使 得岩石力学研究建立在更加坚实的物理和力学基 础上，极大地丰富了岩石力学的理论、方法和技 术 1515 • 2、现代岩石力学已发展成为从连续介 质力学出发，运用连续和非连续介质力学 的基本概念、模型和方法，研究岩体的应 力、强度、变形、破坏及流体-热-化学传 输等物理力学特性，并解决工程岩体变形 和稳定性问题的应用力学学科 1616 • 3、 随着工程建设的发展，工程技术难度越 来越大，岩石力学与工程面临严峻挑战 • 无论是深部石油、天然气及固体矿产资源的 开采，还是水电工程300m级高坝、深埋引水隧 洞的建设，或是高放核废料的深地质处置，都 迫切需要岩体多场耦合理论与分析技术的支持 ，以达到改善岩体工程性质，提高资源开采效 率，节省工程建设投资，增强防灾减灾能力的 目的。

1717 Ø多场广义耦合理论的提出 u多场耦合理论的科学含义 • 1、研究对象：岩体多场耦合研究以岩体及其赋存环 境为主要研究对象； • 2、研究手段：以岩体地质特征及赋存环境研究为基 础，以室内外实验和试验、数值模拟为主要研究手段； • 3、科学问题：以岩体的应力和变形、地下水和其他 流体在岩体介质中的运动、地温及化学效应之间的相互 作用、相互影响为主要科学问题； • 4、研究目标：以揭示多场耦合条件下岩体变形破坏 、流体运动、岩体稳定性的状态和演化规律为主要研究 目标 1818 Ø多场广义耦合理论的形成 • 1、多学科的交叉：岩体多场耦合研究涉及工程地质 、固体力学、复杂岩体多场广义耦合分析导论流体力学 、化学与环境、工程技术等多个学科，明显地具有多学 科交叉研究的性质 • 2、经过近30年的发展，积累了丰硕的研究成果，已 逐步发展成为具有岩石力学学科特色的研究领域 • 3、近几年来，结合我国水电工程岩体变形与稳定性 分析，将岩体应力场、渗流场、温度场以及工程作用综 合起来考虑，研究多场耦合机理、耦合模型与数值模拟 ，初步形成了复杂岩体多场广义耦合的理论和分析方法 。

1919 1、研究对象 岩体多。