THM耦合过程中裂隙岩体渗透性演化机理及渗控优化方法

裂隙岩体THM耦合机理与过程控制是国际岩石力学领域极富挑战性的前沿研究课题。本项目以连续介质力学、损伤力学和热力学原理为基础，以THM耦合过程中裂隙岩体的损伤机理为纽带，以THM耦合及其诱发损伤过程中的渗透特性演化为核心，以考虑渗透特性演化及复杂渗控结构精细模拟的渗控效应分析方法为手段，以THM耦合过程中的渗控结构优化为目标，重点开展THM耦合过程中裂隙岩体的损伤扩容机理、渗透特性演化、渗控效应分析和渗控结构优化等内容的研究。在本项目资助下，经过3年的努力，全面完成了研究计划内容，实现了预期的研究目标，取得了一系列创新性研究成果：（1）研发了低渗岩石三轴压缩与水气渗流耦合试验技术，建立了THM耦合过程中岩石各向异性损伤的细观力学模型以及各向异性损伤诱发的岩石渗透特性与热传导特性演化模型，深刻揭示了岩石热-水-力-损伤耦合机理；（2）提出了考虑土体变形并反映滞回效应的土水特征曲线模型和非饱和渗透系数模型，建立了考虑围压和颗粒尖端破碎效应的堆石体渗透特性演化模型，发展了考虑结构面任意发育模式及滑动剪胀效应的岩体渗透张量应变敏感性模型，揭示了岩土体在开挖、加载、锚固、灌浆等工程作用过程中渗透特性的演化规律；（3）建立了岩土体固-水-气三相耦合模型与数值模拟方法，提出了堆石体非稳定渗流与非线性变形耦合模型与数值模拟方法，完善了岩土体多场多相耦合分析平台THYME3D，为岩土体多场耦合效应分析与渗控效应评价提供了有效的分析手段；（4）以岩土多场多相耦合数学模型为基础，通过分析各种工程渗控措施在多场耦合数学模型中的地位和作用，提出了渗流控制的耦合过程、初始状态、边界条件和介质特性多元优化方法，为大型水利水电工程渗控系统全局优化提供了理论模型、技术手段和新的研究视角，实现了从定性分析到定量优化的转变。上述研究成果已在锦屏一级、水布垭等一批大型水电工程中得到成功应用；发表学术论文26篇，其中SCI收录论文6篇，EI收录论文18篇；出版书籍章节1部；获批实用新型专利1项，软件著作权登记1项；获国家科技进步二等奖1项，湖北省科技进步一等奖1项；培养博士研究生9名、硕士研究生23名（含外国留学生1名）。

裂隙岩体THM耦合机理与过程控制是国际岩石力学领域极富挑战性的前沿研究课题。本项目以连续介质力学、损伤力学和热力学原理为基础，以THM耦合过程中裂隙岩体的渗透特性演化机理及渗流控制方法为研究主线，采用试验、理论建模和数值分析相结合的方法，通过开展裂隙岩体在THM耦合过程中的损伤演化机理、渗透特性演化规律、渗流控制方法及渗控结构优化方法研究，建立THM耦合条件下裂隙岩体的损伤演化模型，揭示THM耦合诱发损伤过程中裂隙岩体的渗透特性演化规律，探讨THM耦合过程中裂隙岩体的渗流控制机理与优化方法，构建基于THM耦合和复杂渗控结构精细模拟的渗控效应分析与优化平台。研究成果对于深化THM耦合过程中岩体变形破坏与渗透稳定机理的认识、增强渗流控制与防灾减灾能力具有重要理论意义，对于解决我国西部地区复杂环境下大型水利水电、高放废物地质处置以及深部岩体工程中渗流控制与优化问题具有重大应用价值。

本项目以金沙江下游向家坝坝址区的三叠系钙质胶结砂岩裂隙岩体为对象，结合实际工程需要，完成了从理论到应用的整个研究过程。在三年时间里，课题组共15人次赴向家坝进行野外调查，完成了过河平硐疏干抽水和平硐内裂隙岩体大型抽水两项试验。通过对坝址区133个钻孔2595段压水试验数据的系统整理，结合基础地质资料的分析，提出了岩体宏观渗透结构，并给出了岩体渗透性分区和评价指标。针对向家坝地区砂岩裂隙岩体渗透性的非均质性，提出了与实际情况更相符合的汇点法井流计算公式，利用两次大型抽水试验数据得到了准确的岩体渗透系数值。建立了岩体渗透性评价指标与渗透系数之间的定量关系，最终得到各分区内岩体的宏观渗透系数值。借助pmw 渗流计算软件，对水库蓄水后坝址区地下水渗流场进行了初步计算。该项工作提出了一系列理论和方法，对砂岩裂隙岩体的渗透规律有了进一步的认识，许多结果已被实际工程所采用，取得了很好的应用效果。,本项目以金沙江下游向家坝坝址区的三叠系钙质胶结砂岩裂隙岩体为对象，结合实际工程需要，完成了从理论到应用的整个研究过程。在三年时间里，课题组共15人次赴向家坝进行野外调查，完成了过河平硐疏干抽水和平硐内裂隙岩体大型抽水两项试验。通过对坝址区133个钻孔2595段压水试验数据的系统整理，结合基础地质资料的分析，提出了岩体宏观渗透结构，并给出了岩体渗透性分区和评价指标。针对向家坝地区砂岩裂隙岩体渗透性的非均质性，提出了与实际情况更相符合的汇点法井流计算公式，利用两次大型抽水试验数据得到了准确的岩体渗透系数值。建立了岩体渗透性评价指标与渗透系数之间的定量关系，最终得到各分区内岩体的宏观渗透系数值。借助pmw 渗流计算软件，对水库蓄水后坝址区地下水渗流场进行了初步计算。该项工作提出了一系列理论和方法，对砂岩裂隙岩体的渗透规律有了进一步的认识，许多结果已被实际工程所采用，取得了很好的应用效果。 2100433B