论岩体多场广义耦合及其工程应用

岩石力学与工程学报 Vol.27 No.7

2008年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2008

论岩体多场广义耦合及其工程应用

周创兵，陈益峰，姜清辉，卢文波

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

摘要：岩体多场耦合通常指岩体应力场、渗流场、温度场及化学场之间的相互影响和相互作用。岩体多场耦合存在于岩体形成及整个演化过程，具有复杂的耦合机制，并受岩体地质特征及赋存环境的影响。将爆破开挖、锚固支护、固结灌浆及库水骤降等工程作用纳入岩体多场耦合分析体系，认为工程作用在岩体多场耦合过程中对岩体地质特征、力学特性及工程性质产生强烈的改造作用，提出岩体多场广义耦合的新思想。详细论述岩体多场广义耦合所涉及的复杂岩体、多场耦合和工程作用等基本概念，介绍岩体多场广义耦合的主要研究内容和研究方法，探讨岩体多场广义耦合理论在岩石工程中的应用。研究结果表明，岩体多场广义耦合以岩体多场耦合为基础，更加注重岩体工程作用效应研究，更加突出利用和改造岩体的工程目标，对于揭示岩体变形破坏机制和稳定性演化规律具有重要的科学意义，并在各类岩石工程中具有广阔的应用前景。 关键词：岩石力学；多场广义耦合；工程作用；工程应用

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)07–1329–12

ON GENERALIZED MULTI-FIELD COUPLING FOR FRACTURED ROCK

MASSES AND ITS APPLICATIONS TO ROCK ENGINEERING

ZHOU Chuangbing，CHEN Yifeng，JIANG Qinghui，LU Wenbo

(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072，China)

Abstract：Traditionally，the multi-field couplings in rock masses designate the coupled processes among stress field，seepage field，thermal field and chemical field. These coupled THMC processes are involved in the formation and the whole evolution process of rock masses，with complex coupling mechanisms and under the impacts of their geological features and geological environments. Considering that the engineering disturbances resulted from blasting excavation，bolt reinforcement，consolidation grouting and rapid drawdown of reservoir water level，etc. have drastic influences on the geological features and the mechanical and engineering properties of rock masses，the engineering disturbances are integrated into the multi-field coupling system and the novel concept of generalized multi-field couplings is proposed. The fundamental concepts of complex rock masses，multi-field couplings and engineering disturbances involved in the generalized multi-fields coupling processes are systematically demonstrated，the main research issues and methodologies are presented，and several applications of the theory to rock engineering are briefly illustrated. It has been shown that，though based on the multi-fields coupling theory，the generalized multi-fields couplings place more emphases on the effects of engineering disturbances and the objectives of rock utilization and alteration in engineering. Research on the multi-field coupling processes in rock masses has not only important scientific significance in understanding the deformation

收稿日期：2007–12–20；修回日期：2008–04–12

基金项目：国家杰出青年基金资助项目(50725931)；高等学校博士点基金项目(20060486016)；国家自然科学基金资助项目(50709026)

作者简介：周创兵(1962–)，男，博士，1984年毕业于华东水利学院工程地质及水文地质专业，现任教授，主要从事岩体多场耦合、岩体变形与稳定性方面的教学与研究工作。E-mail：cbzhou@whu.edu.cn

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and failure mechanisms as well as the evolution of stability of rock masses，but also wide perspectives in various rock engineering applications.

Key words：rock mechanics；generalized multi-field coupling；engineering disturbance；engineering application

地质特征及赋存环境研究为基础，以室内外试验、数值模拟为主要研究手段；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、地温及化学场之间的相互作用、相互影响为主要科学问题；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。岩体多场耦合研究涉及工程地质、固体力学、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。经过近30 a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。近几年来，结合我国水电工程岩体稳定性分析，将岩体应力场、渗流场、温度场以及工程扰动作用综合起来考虑，研究多场耦合机制、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。

本文将系统总结复杂岩体多场广义耦合研究所涉及的一些基本概念、关键科学问题、研究内容与研究方法，并对其工程应用进行初步探讨。

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进展。岩石力学发展受到了若干重要的理论和技术的推动。首先，20世纪50年代以L. Müller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[1]，其后以谷德振等[2

～4]

1 引 言

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新观点，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；其次，20世纪60年代以来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；再者，各类室内外试验技术以及爆破开挖、锚固支护、岩体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。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)、渗流及温度等多场耦合研究，特别是20世纪80年代中期开始的裂隙岩体热–水–力–化学(THMC)耦合问题的研究[5

～10]

2 研究对象

岩体作为多场耦合分析的研究对象，其地质特征的描述、力学特性的分析以及工程性质的评价是多场耦合研究的基础。在多场广义耦合研究中，采用“复杂岩体”一词，以强调岩体的地质特征、力学特性及工程性质的复杂性。

在地质特征上，岩体是经过地质作用改造过的，由结构面和结构体所组成并具有一定的结构特征，赋存于物理地质环境中的地质体[3]。岩体的这一定义，至少有如下3层含义：

一是岩体在地质历史时期曾经受过复杂的内外动力地质作用，发育了各种地质构造形迹。岩体作为地质体，无一例外地打上了地质建造和地质改造的烙印，这是岩体区别于其他材料最显著的特征。

二是岩体的基本组分可以用结构面和结构体进行表征，其中结构面用于对节理、裂隙、断层、夹层及层间剪切错动带等构造形迹的抽象，结构体是由结构面切割所形成的岩块。结构面的发育程度和

，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。现代岩石力学已发展成为以连续介质力学为基础，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，并解决工程岩体稳定性问题的应用力学学科。

随着工程建设的发展，工程难度越来越大，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300 m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及分析技术的支持，以达到改善岩体工程性质、提高资源开采效率、节省工程建设投资以及增强防灾减灾能力的目的。

岩体多场耦合研究以岩体为研究对象；以岩体

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组合关系决定了岩体的结构类型。通常将岩体结构划分为：整体结构、块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构等[3]。

三是岩体总是与一定的物理地质环境相联系。岩体是地质建造和地质改造的产物，因而地应力场、地下水渗流场和地温场是岩体主要的赋存环境。岩体的物理力学性质除受岩体结构控制外，还受其赋存环境的影响。

在力学特性上，岩体是不连续、非均匀、各向异性与非弹性介质，J. P. Harrison与J. A. Hudson[11]曾将其归纳为DIANE特性。岩体的不连续性源于岩体中发育的各级各类结构面，总体上岩体属于不连续介质，只是在实际问题中常被简化为等效连续介质。非均匀、各向异性及非弹性反映了岩体特殊的物理力学性质。岩体的组成，包括岩性及工程地质岩组等决定了岩体的非均匀程度；结构面及其组合型式，特别是岩体结构类型和赋存环境决定了岩体的各向异性和变形特征。

在工程性质上，岩体是工程利用和改造的对象，并通过工程作用使岩体的变形和强度特性、渗透特性等满足人类工程需求。例如，高坝岩基工程中，一般将不满足要求的风化岩体挖除，保留微新岩体，并对局部破碎岩体进行置换或加固。为达到防渗要求，还需进行坝基灌浆形成防渗帷幕。坝基抗滑稳定，特别是深层抗滑稳定是大坝稳定性校核的重点。由此可见，对坝基工程而言，岩体的工程性质主要指岩体的承载能力、防渗能力和抗滑能力。当然，岩体工程性质随工程类型、岩体的地质特征和力学性质而变。

以上从地质特征、力学特性和工程性质这3个方面，简要地论述多场广义耦合研究中“复杂岩体”的含义。事实上，要深刻理解岩体特性还必须从这3个不同的视角加以剖析。其中，岩体的地质特征揭示了岩体的成因、组成、赋存环境和演化历史等；岩体的工程性质体现了工程的客观要求及岩体对工程的适应能力；岩体的力学特性介于岩体地质特征和工程性质之间，揭示岩体变形与破坏机制和规律。从这个意义上讲，岩体地质特征是物质基础，岩体力学特性是科学问题，而岩体工程性质是研究目标。因此，岩石力学必须在明确工程目标的前提下，深入研究岩体地质特征和岩体力学特性，忽略任何一

的。

需要指出的是，在各类参考文献中采用不同的岩体称谓也是很常见的，如节理岩体[1

，12]

、大型岩

体[13]、加锚岩体[14]、深部岩体[15]等。这些不同的岩体称谓，并不说明岩体的本质有什么不同，只是为了强调岩体某一方面的特点或特征以区别于一般岩体而已。例如，“节理岩体”强调岩体中发育了成组节理，以区别于节理、裂隙不发育或完整岩体；“大型岩体”强调的是岩体的规模，是相对于小尺度岩体而言的；“加锚岩体”强调了工程对岩体的锚固作用，是相对于一般未受工程作用的岩体而言的；再如，“深部岩体”是相对于一般浅表岩体而言的，强调的是岩体赋存的深部物理地质环境以及这一环境中岩体特殊的力学性质。

这里采用“复杂岩体”这一名词，一是指具有复杂地质特征并赋存于复杂地质环境中的岩体；二是指具有复杂力学特性(变形、强度、渗流等)的岩体；三是指具有复杂工程性质的岩体，尤其是指在复杂条件下经过工程利用和改造的岩体。由此可见，复杂岩体并不是一个新概念，而是强调岩体地质特征与赋存环境、岩体力学特性和岩体工程性质的复杂性，并试图将这几个方面作为一个整体系统地加以研究，而非孤立地研究或偏面地强调岩体某方面的特性。

3 多场耦合

多场是对岩体应力场、渗流场和温度场等的简称。耦合通常指复杂系统中子系统之间的相互作用和相互影响。因此，多场耦合是指岩体应力场、渗流场和温度场等之间的相互作用和相互影响[9

，10]

。

多场耦合首先是两个场之间的耦合，如渗流场和应力场之间的耦合，也称HM耦合；温度场与渗流场之间的耦合，也称TH耦合；温度场与应力场之间的耦合，也称TM耦合。耦合问题可分为直接耦合和间接耦合两类。以HM耦合为例，直接耦合指力学变形、流体渗透之间的相互作用；间接耦合指由于岩体变形和渗流的影响，岩体水力特性发生变化从而影响岩体的变形和渗流特性。例如，岩体受到各种荷载的作用，初始应力场受到改造，岩体发生变形或破坏，从而岩体的渗透特性发生变化。相应地，岩体渗透特性的变化又进一步改造了岩体应力

方面的研究都将是不全面的，结果也可能是不可靠

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场。这就显示出岩体渗流场与应力场之间的耦合关系。

岩体具有复杂的变形破坏机制，图1给出了裂隙岩体变形特性的总体描述[16]。图2反映了在法向应力、剪应力和三维应力下裂隙及岩体的渗透性与变形之间的变化规律。由图2可见，裂隙在法向应力作用下产生闭合变形，张开度不断减小，裂隙渗透系数随法向应力减小，最终趋于一个常数；裂隙在法向应力和剪应力作用下，一开始产生少量剪缩，渗透性降低，随后裂隙很快产生剪胀，渗透性增大，当剪胀发挥到一定程度后渗透性趋于稳定；裂隙岩体在三维压应力作用下，渗透性在初始阶段由于岩体体积压缩而有所降低，随着岩体体积膨胀渗透性迅速增大，当进入应变软化阶段后岩体渗透性变化缓慢，甚至有所降低。裂隙及岩体渗透特性变化的上述规律，包含了复杂的岩体水–力耦合机制。

在不同的研究领域，对多场耦合常有不同的提法，如“流固耦合”、“水–岩相互作用”、“热–水–力耦合”等。“流固耦合”通常侧重于研究固体介质和流体间的耦合效应及基本规律；“水–岩相互作用”主要研究高温高压条件下，岩石和水发生的化学反应规律及其地球化学特征。水利水电工程

中所研究的岩体多场耦合强调岩体水–力耦合作用及其对岩体和水工建筑物变形与破坏规律的影响。核废料地质处置中研究的多场耦合则侧重于热–水–力及化学过程的耦合效应，国际岩石力学界称之为THMC耦合[5

～10]

。尽管不同领域所研究的内容

和重点有所区别，但仍然存在许多相同或相似的科学问题，可以相互借鉴和相互促进。图3给出了岩体应力场、渗流场和温度场之间的耦合关系[7]。

4 工程作用

为满足工程对岩体变形、稳定性及防渗性能的要求，对岩体进行适度的改造是必需的，故将工程对岩体的这种作用，称为工程作用。工程作用可分为直接和间接工程作用。常见的直接工程作用有爆破开挖、加固支护和防渗排水等；间接工程作用如大坝填筑引起岩体应力水平提高、水库蓄水引起岩体渗透压力增大、库水骤降导致异常渗透压力梯度等。虽然这些作用没有直接改变岩体的物理力学性质，但通过改变岩体的应力和渗流状态而改造岩体。岩体既是工程作用的“客体”，又是地质环境的“主体”。岩体的物理力学性质既受地质环境的影响，又

图1 裂隙岩体变形的总体描述[16]

Fig.1 General description of deformation of fractured rock masses[16]

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受工程作用的改造。大规模爆破开挖、大幅度库水变化等工程作用改变岩体的边界条件、受力状态以及赋存环境，导致岩体发生变形或破坏；而锚固支护、防渗排水等工程作用可在一定程度上改善岩体的渗流及力学特性。在工程作用过程中，岩体的渗透特性、力学特性都将发生变化，而这种变化反过来又将进一步改变岩体赋存环境、岩体应力和变形

(a) 法向应力下裂隙渗透性与法向应力关系

状态。

对岩体进行大规模的爆破开挖是最常见也是最剧烈的工程作用。爆破开挖对岩体的改造作用主要体现在以下3方面：一是卸荷作用，形成二次应力场，在卸荷过程中岩体结构面发生变形、扩展或破坏，也可能萌生新的卸荷裂隙；二是爆炸应力波对岩体的损伤，改变岩体的物理、力学、渗透及热传导特性；三是开挖改变了岩体的边界条件，局部岩体应力场和渗流场都将发生变化。爆破开挖的卸

(b) 剪应力下裂隙渗透性与剪切位移关系

荷作用和损伤作用可在岩体中形成开挖扰动区(EDZ)[17]。开挖扰动区内存在强烈的多场耦合作用，并对工程岩体稳定性产生重要影响。爆破开挖形成的EDZ及多场耦合效应与爆破开挖方式、岩体结构特征、地应力水平等因素密切相关。这主要是因为在不同的爆破开挖方式、不同的岩体结构特征、不同的地应力水平条件下岩体往往具有不同的能量转移机制、裂纹扩展及变形破坏机制。

对岩体进行大范围的加固支护是提高岩体强度

和改善岩体变形性能最常用的、也是最有效的工程措施。这种工程作用对岩体的改造作用通过以下几个方面体现出来：首先，加固支护对岩体施加有利于稳定的作用力，如预应力锚索、锚杆等通过施加预应力提高岩体抗裂、抗滑能力；或者像抗滑桩、抗剪洞这类加固措施，虽然不主动提供作用力，但岩体一旦产生变形，就能提供限制变形的抗力。其次，加固支护改善岩体结构，提高岩体强度和抗变形能力，如系统锚杆或其他锚固措施中，大量锚固件的植入以及锚固施工过程中的灌浆有利于提高岩体的完整性，还可能产生结构性强度，甚至改变岩体应力传递机制及变形破坏模式。再者，对局部及关键部位的软弱及破碎岩体常采用置换措施，以提高关键部位岩体的强度和稳定性。此外，锚固支护对岩体渗流也产生制约作用，伴随在锚固支护中的

(c) 三维应力下岩体渗透性与轴向应变关系

图2 裂隙与岩体渗透性与变形的关系示意图 Fig.2 Illustration of permeability against deformation

relationship for fractures and rock masses

灌浆或喷层作用可有效地减弱岩体渗透性，从而提高岩体的渗透稳定性。

防渗排水工程措施主要通过排水孔幕、防渗帷幕等渗控结构，改变岩体的渗透性并降低渗透压力，

图3 应力场、渗流场和温度场之间的耦合关系[7] Fig.3 Illustration of thermo-hydro-mechanical couplings in

rock masses[7]

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提高岩体的防渗能力。此外，一些间接工程作用可引起岩体应力状态的变化以及岩体物理力学参数的调整。高坝大库的水库蓄水可能会引起水库诱发地震；天然强降雨或泄洪雾化强降雨入渗引起饱和区与非饱和区动态变化，渗透力增大，导致岩体变形或破坏。库水位大幅度骤变引起超渗透压力，库水位循环涨落变化则可能导致岩体潜在滑裂面力学参数弱化。

总之，工程作用对岩体的地质特征、力学特性及工程性质都将产生深刻的影响，而且其作用效应是综合性的。从多场耦合角度分析，相对于地质作用而言，工程作用在相对短暂的时间内完成，并以强制性方式改变岩体物理力学性质，改变岩体边界条件，改变岩体的应力、渗流或热流状态。因此，工程作用是多场耦合作用过程中最活跃、最强烈的因素，当然也是工程中可以控制和调节的因素。

图4给出了多场广义耦合关系示意图，由图可见，多场广义耦合系统由渗流场、应力场、温度场等物理场及工程作用之间的子耦合系统共同组成。每一个子系统的耦合作用又不是简单静态的，而是一个动态过程，构成一个循环往复的作用链。即某一场的变化必然引起另一场的变化，而另一场的变化又反过来影响前一场的变化，直到达到动态平衡为止。工程作用在多场广义耦合体系中处于十分重要的位置，通过提供工程作用力，改变边界条件，改变岩体物理力学特性全面参与岩体应力场、渗流场及温度场的耦合。工程作用参与岩体多场耦合，具有复杂的耦合过程和耦合机制。

5 多场广义耦合

正如前述，一般将岩体应力场、渗流场及温度场等之间的耦合称为多场耦合。在多场耦合基础上，考虑岩体的爆破开挖、锚固支护、防渗排水等工程作用对岩体应力、变形、渗(热)流运动特征的影响，将这种工程作用也纳入耦合体系中，称之为多场广义耦合。很显然，多场广义耦合实际上就是一般的多场耦合纳入了工程作用效应。多场耦合研究主要考虑经典物理场(化学场)之间的耦合作用，而多场广义耦合研究纳入了岩体工程作用这类非经典物理场的综合作用效应。当然，不能简单地将多场广义耦合理解为“多场耦合加上工程作用”。

在诸如水利水电、矿山工程中，以岩体稳定性为研究目标的多场广义耦合分析对于研究岩体工程作用效应对岩体变形、破坏及稳定性的影响至关重要。因此，采用“多场广义耦合”的提法，试图拓展传统多场耦合分析的范围，明确耦合分析的针对性，提高分析成果工程应用的可靠性。值得指出的是，这里因为强调工程作用效应，故将其纳入多场耦合分析体系中，随着研究领域的扩大和研究的不断深入，同样可以将现在还没有考虑的其他因素予以纳入，只要这些因素确实与岩体应力场、渗流场、温度场等存在耦合关系，这正是“广义”一词所赋予的外延。

图4 多场广义耦合关系示意图

Fig.4 Illustration of generalized multi-fields couplings in rock

masses

复杂的大系统由相对简单的子系统组合或耦合而成，这是客观世界的普遍规律。采用经典物理场进行耦合分析时，岩体应力场、渗流场和温度场之间的相互作用是双向耦合，但工程作用参与多场耦合大多是单向的。事实上，工程作用引起岩体物理场的变化可以通过现场监测得到，对监测信息进行及时的反馈分析，当确认工程作用引起的这种变化将危及岩体稳定和工程安全时，就必须对相应的工程措施进行调整和优化。在这个意义上，工程作用参与多场耦合也是双向的。因此，采用岩体多场广义耦合理论和方法进行诸如边坡工程、地下工程岩体稳定性研究时，可以更好地将岩体工程动态设计、监测反馈分析、信息化施工结合起来，以达到既安全可靠，又经济合理的目标。

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6 研究内容与研究方法

岩体多场广义耦合以岩体及其赋存环境、工程作用为主要研究对象，采用理论研究与试验研究相结合，定性分析与定量分析相结合的方法，重点研究复杂岩体成因及变形破坏机制、THM耦合机制及模型、岩体应力和变形的工程作用机制和效应、多场广义耦合系统的数值模拟、基于多场耦合的工程岩体变形与破坏机制等科学问题，建立岩体多场广义耦合分析与模拟系统，构建考虑多场耦合效应的岩体开挖、锚固、渗流控制设计与施工方案优化及岩体稳定性分析平台。 6.1 研究内容

(1) 岩体地质特征与赋存环境研究

岩体不同于一般材料，具有其鲜明的地质特征。岩体结构面和岩体结构对岩体应力传播、变形机制及破坏模式等起控制作用。岩体有别于一般材料的另一个方面就是其赋存环境，地应力场以及地下水渗流场、地温场及其耦合作用对岩体物理力学性质具有重要影响。因此，岩体地质特征和赋存环境是复杂岩体多场耦合分析与模拟的基础。在岩体地质特征与赋存环境的研究方面，需要重点讨论地质结构面特征、岩体结构特征、地应力场、地下水渗流场、地温场等基本问题。对这些问题的研究不能只停留在地质定性分析的层面上，还要对岩体结构，特别是岩体结构面的几何特征、网络特性等进行抽象、建模和模拟，从而为复杂岩体多场广义耦合分析创造条件。

(2) 岩体变形与渗流特性研究

岩体变形性质与渗流特性是岩石力学研究的基本问题。在岩体多场广义耦合分析与模拟中，有关岩体变形和渗流特性的研究侧重于岩体结构面以及岩块的变形机制、渗透模式及其基本规律。岩体变形特性的研究主要包括：结构面、岩块在不同应力状态下的压缩变形、压剪变形、剪胀剪缩、卸荷回弹等变形特性及其本构关系。完整岩块的渗透性一般很小，结构面及其网络的渗透性对岩体渗透特性起控制作用。因此，需要重点研究结构面及其网络的渗透机制、渗透模式和基本规律。单一结构面渗透特性是研究岩体渗透特性的基础，而基于平行板模型的立方定理及修正的立方定理[18

～20]

单一结构面渗透特性的主要模型。岩体的渗透介质类型主要取决于结构面的发育程度及岩体结构类型，通常将岩体渗透介质归纳为等效连续介质、不连续介质以及连续–不连续双重介质三类。对于等效连续渗透介质，需要研究介质的渗透张量及其确定方法[21

～23]

；对于不连续介质，需要研究结构面

网络的渗透系数及其空间变异特征。

(3) 岩体表征单元体与力学参数研究

岩体表征单元体是岩石力学的一个基本科学问题[24

～26]

，而岩体力学参数是贯穿于岩体工程勘测、

试验、计算、设计及施工全过程的基本岩石力学问题。上述这两个问题也是岩体多场耦合分析与模拟的热点和难点，其中，岩体表征单元体是选取岩体力学分析模型的基础。岩体力学参数与岩体结构(structure)、岩体尺寸(scale)、赋存的应力条件(stress)、所处的应变状态(strain)以及赋存的渗流特征(seepage)密切相关，表现出“5s”相关性，集中体现了岩体力学参数的地质结构效应、尺寸效应以及岩体赋存环境效应[26]。岩体多场广义耦合在本质上是裂隙岩体、赋存环境及工程作用之间的相互影响，而多场广义耦合效应主要是通过岩体力学参数的演化来实现的。从岩体表征单元体的基本概念出发，需要重点研究岩体表征单元体确定方法、岩体力学参数及参数场的分析方法等基本问题。

(4) 岩体多场耦合机制研究

岩体多场耦合首先是两个场之间的耦合，因而需要研究岩体渗流场与应力场或变形场耦合、温度场与应力场或变形场耦合、温度场与渗流场耦合、化学场与其他场耦合等。在岩体双场耦合研究的基础上，逐步深入对岩体多场耦合过程与耦合机制的研究。岩体多场耦合机制研究的重点是建立结构面、岩块及岩体3个不同层次的耦合模型，揭示复杂的多场耦合效应。在岩体多场耦合过程中，岩体渗流场与应力场或变形场耦合是水利水电工程中最常见、也是对岩体稳定性影响最主要的耦合过程。在岩体渗流与变形耦合机制研究方面，重点要揭示结构面渗透性与压缩变形、压剪变形、卸荷回弹变形的耦合机制，特别需要建立考虑峰后力学特性的结构面渗流与变形的强耦合模型，以及考虑耦合效应的岩体渗透张量模型[22

，23]

。对于深部岩体工程，需

要研究岩体变形、渗流与地温的耦合机制以及考虑耦合作用的流变模型。

又是描述

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(5) 岩体工程作用效应研究

岩体的开挖与锚固是利用和改造岩体的主要工程作用方式。工程作用效应主要表现为对岩体形状、边界条件、受力条件和岩体物理力学性质的改变和影响。岩体开挖使开挖面上的初始应力全部或部分卸除，引起岩体边界条件、荷载条件和赋存环境发生变化，并通过变形和损伤进一步导致岩体物理力学特性的变化，形成所谓的开挖松动区。锚杆、锚索、混凝土喷网和固结灌浆等是主要的岩体加固支护措施，可有效地改善岩体的完整性和受力条件，从而提高岩体的整体强度与稳定性，并在岩体变形控制方面发挥重要作用。岩体工程作用效应是复杂岩体多场广义耦合研究的重要内容，需要重点研究岩体工程作用机制、岩体工程作用对岩体结构特性、物理力学性质的影响，以及对岩体应力场、渗流场及温度场的改造作用效应。基于复杂岩体多场广义耦合的岩体工程作用效应的研究可对岩体开挖、锚固等工程措施进行优化。

(6) 岩体应力场及渗流场数值模拟研究 有限单元法、DDA法和DEM法等是目前进行岩体应力场、渗流场数值模拟的常用方法。采用有限单元法进行岩体应力场、渗流场模拟时，重点研究内容包括：复杂岩体结构特征的有限元离散模型的建立；复杂岩体力学本构关系及渗透参数的选取；岩体初始地应力场及初始渗流场的模拟；岩体开挖、加固和排水孔幕[27]等复杂工程作用的过程和效应的模拟。DDA可用于岩体静力、动力计算，包括正分析和反分析。采用正分析模型可分析岩体在外力作用下的变形与运动特征；反分析模型则根据某些测点的位移、应力或应变测量值，研究整个系统的变形特征。需要研究考虑岩体施工开挖、锚固等工程作用的DDA分析方法，以及基于DDA的岩体渗流场及其与应力场的耦合分析方法优化。

(7) 岩体多场广义耦合数值模拟研究

岩体及其赋存环境之间存在复杂的物质、能量及动量交换，涉及复杂的物理力学过程，并通过这些物理力学过程之间的相互作用和相互影响，形成一个复杂的THMC-D-G广义耦合系统[10]。其中，THMC是通常所称的热–水–力–化学耦合系统，

[28]

THMC-D-G耦合系统，一般很难完全通过试验研究掌握其复杂的耦合过程、长时间尺度的耦合效应。高效的数值模拟可以弥补常规试验研究的不足，是理解复杂岩体耦合作用过程的重要手段。因此，岩体多场耦合数学模型及数值求解方法是复杂岩体多场耦合分析与模拟的重要内容。对于复杂岩体多场耦合系统，有限单元法最为有效。需要重点研究饱和非饱和岩体温度–渗流–力学(THM)耦合过程的数学模型、有限元计算格式以及数值模拟算法等，并研制数值模拟平台。 6.2 研究方法

图5为岩体多场广义耦合研究的技术路线，由图可见，复杂岩体多场广义耦合分析以岩体地质特征及赋存环境研究为基础，以多场广义耦合机制及模型研究为核心，以多场广义耦合数值模拟为手段，以岩体变形分析与稳定性评价为工程应用目标。

图5 岩体多场广义耦合研究的技术路线

Fig.5 Technique route for generalized multi-fields coupling

research in rock masses

凡是用系统观点来认识和处理问题的方法，不管是理论的或经验的，定性的或定量的，精确的或近似的，都称为系统方法。岩体多场耦合研究采用的正是这种系统方法，强调系统的内在联系、系统各部分之间的相互作用和相互影响，注重在定性的层面上描述岩体多场耦合的地质背景，在定量的层面上揭示岩体多场耦合机制，在应用的层面上进行多场耦合效应分析和模拟，以期在整体上把握岩体变形特征、稳定性状态和演化趋势。

对于岩体多场耦合这样的复杂系统，应当采用定性描述和定量描述相结合的研究方法。任何系统特性都表现为定性和定量两方面，定性特性决定定量特性，定量特性中表现出一定的定性属性。很显

。通过上

述研究，进一步对岩体利用与改造的工程措施进行

而D-G代表工程扰动(D)–地质(G)作用过程。对于

第27卷 第7期 周创兵，等. 论岩体多场广义耦合及其工程应用 • 1337 •

然，只有定性与定量相结合，才有可能对复杂系统特性进行准确描述。定性描述是定量研究的基础，如果定性认识出现了偏差，就有可能将定量分析引向歧途。有关岩体地质特征与赋存环境研究，更多地采用定性分析和描述。对多场耦合机制和耦合效应则需要通过定量模型给予描述。

系统是由若干个子系统组成的，系统是整体，子系统是局部，整体控制局部，局部支撑整体，局部行为受整体的支配，整体特性受局部的影响。在岩体多场耦合体系中，“多场”中的各场是局部，如应力场、渗流场、温度场等，描述耦合系统包括描述整体和局部两方面，需要将两者有机结合起来。在耦合系统整体目标下建立对局部的描述，综合所有局部描述以建立关于耦合系统整体的描述，是复杂岩体多场广义耦合分析与模拟的基本方法。

岩体多场广义耦合分析与模拟所涉及的问题十分复杂，相关因素有时具有确定性，有时具有不确定性，如随机性、模糊性以及信息不完备性等。因此，需要将确定性分析与不确定性分析很好地结合起来。例如，有关地质结构面及岩体结构特征更多地采用统计学理论加以描述，而对于规模大、延展性好的大型断层，在地质概化时可以采用确定性方法描述。再如，地应力场时空分布相当复杂，在区域尺度上可用确定性描述，但在工程部位尺度上采用不确定性描述可能更合理。

岩体多场广义耦合研究涉及很多岩石力学的基本科学问题，对此需要坚持“定性描述、地质概化、理论建模、试验验证、数值模拟、工程应用”以及循环往复、逐步深化的研究路线。只有这样，才能从宏观和微观的不同层次上认识岩体多场耦合机制，揭示岩体多场耦合效应，把握岩体变形和稳定性状态，达到更加合理地利用和改造岩体的目标。

化以及包括工程作用在内的整个过程。因此，岩体多场广义耦合的工程应用与岩石力学的应用范围基本是一致的。它可应用于水利水电工程高坝岩基稳定性评价、高陡边坡开挖锚固优化设计、地下洞室围岩稳定性分析及支护方案优化；可应用于低渗油藏通过定向开裂提高油气采收率的分析；可应用于高放废物储库围岩及缓冲层渗透性评价及核素迁移规律研究；可应用于矿山露天开采边坡变形和稳定性分析、地下开采顶板变形与稳定分析及采空区处理；也可应用于因地下水过度开采所引起的地面沉降分析、水库蓄水诱发的水库地震分析以及暴雨引起的山区滑坡分析等。

岩体多场广义耦合作用有强弱之分，对岩体变形和稳定性分析最重要的是强耦合过程。岩体多场广义耦合理论应用于不同的领域往往具有不同的研究重点，应当抓住主要矛盾和矛盾的主要方面。通常，针对具体工程特点的岩体多场耦合模型、模型参数、耦合动力过程、耦合数值模拟以及耦合效应的控制技术等是具有共性的研究重点。由于工程应用的范围十分广泛，所涉及的具体情况又相当复杂，而且应用研究尚在探索阶段，因此不可能在本文中进行深入讨论。下面仅介绍3个应用例子。 7.1 三峡永久船闸高边坡稳定分析

有关三峡永久船闸高边坡变形和稳定性问题已有大量研究成果报道，故本文不拟对其地质条件、开挖锚固、排水防渗等工程措施进行介绍。图6给出了三峡永久船闸高边坡数值模拟所采用的三维有限元计算模型。耦合分析中，花岗岩的HM耦合模型采用等效连续介质的界面层模型。数值分析对分

7 工程应用

按照岩体多场广义耦合的观点，岩体的赋存环境及工程作用组成了一个有机系统，系统各部分之间总是相互作用和相互影响的，其耦合作用是一种客观存在；岩体所表现出的各种物理力学特性既受岩体地质特征的控制，也受赋存环境及工程作用的影响，更是系统耦合特性的反映；岩体多场耦合是一个非线性的动态过程，贯穿于地质体的形成、演

图6 三峡永久船闸高边坡三维有限元计算模型 Fig.6 3D FE model for the permanent shiplock slope in Three

Gorges Project

• 1338 • 岩石力学与工程学报 2008年

步开挖、锚固和排水进行了模拟，考虑了开挖锚固及排水的工程作用效应。

通过有限元计算分析，研究了三峡永久船闸高边坡变形、应力特征及边坡稳定性状态，并利用点安全度和结构面抗滑稳定系数评价边坡整体以及南北坡闸室直立墙、中隔墩等关键部位的稳定性。

在不考虑多场耦合效应条件下，边坡各典型剖面大部分区域的点安全度在2.7以上，在边坡开挖面附近、断层切割剖面及中隔墩内的点安全度较小，但都大于1.8；中隔墩顶部的点安全度在3.4左右，中隔墩中部内点安全度达到5.8以上，说明中隔墩的整体稳定是有保证的。另外，输水廊道附近是点安全度较小的区域。170 m高程基岩面大部分区域的点安全度均大于2.7，平均值在5.8以上。根据多场耦合有限元计算成果，点安全度一般也大于1.4，在被断层切割的12–12剖面具有极小值1.1。中隔墩顶部的点安全度在1.2左右，中隔墩内的点安全度一般为2.5～4.0，与不考虑耦合效应的安全度结果基本相同，因为在开挖过程中，中隔墩内的地下水逐渐得到排干。

在点安全度评价的基础上，选取最可能出现滑动的剖面进行分析。重点对穿越闸室中部的f1041断层、切割中隔墩的f5断层以及三闸首附近的f215断层影响带作为潜在滑动结构面进行抗滑稳定分析。开挖后沿f1041断层的抗滑稳定系数达到2.30，而考虑多场耦合效应时，抗滑稳定系数为1.90。对切割中隔墩的f5断层，结构面抗滑稳定系数达到2.15，而考虑耦合效应时，抗滑稳定系数降低为1.80。由此可见，尽管考虑多场耦合效应后岩体稳定性有所降低，但三峡永久船闸二闸首至三闸首段边坡能够满足整体稳定的要求，并有足够的安全裕度。 7.2 深埋隧道HM耦合分析

锦屏二级水电站穿越锦屏山引水隧洞最大埋深达2 525 m，围岩的最大孔隙水压力估计将超过10 MPa。在埋深如此之大、渗透水压如此之高的条件下进行隧道开挖必然伴随强烈的HM耦合过程。作为一个算例，作者研究了一条埋深近2 000 m的深埋洞室的HM耦合过程。计算模型如图7所示，其中隧洞的开挖半径a = 6 m，初始地应力为σx = σz = 50 MPa，左右侧边界取固定水头h = 800 m，上下边界假设为不透水边界。岩体中含2组裂隙，裂隙的产状平行于隧道轴线，倾向相反，倾角分别为45°

图7 深埋隧洞开挖简图(300 m×300 m) Fig.7 Sketch of deep-buried tunnel excavation(300 m×

300 m)

在隧洞开挖之前，围岩的渗透特性因裂隙的产状效应呈现出各向异性特征，围岩的初始渗透系数分别为：kx0 = 0.82×105 cm/s，kz0 = 0.49×105 cm/s，

－

－

kxz0= 0.44×106 cm/s。隧洞开挖引起力学及渗流边

－

界条件的变化，从而导致围岩的HM耦合过程。在塑性区范围内，由于裂隙及岩块的剪胀较为显著，围岩径向和切向渗透系数显著增大，变化量值达2～3个数量级。随着径向距离的增大，渗透系数急剧减小，部分区域因径向应力集中，其渗透系数甚至小于初始渗透系数。

7.3 堆石坝渗流与变形耦合分析

水布垭面板堆石坝坝高233 m，是已建的同类型世界第一高坝。面板堆石坝由混凝土面板、垫层、过渡层及堆石体组成。在考虑面板开裂失效的极端情况下，研究面板堆石坝的渗流及大坝工作性态对于全面考察大坝的安全性具有重要意义。为此，开展了极端情况下大坝渗流分析。同时，考虑到坝体材料的渗透特性在填筑碾压及运行过程中的变化，进行了堆石坝HM耦合分析。图8给出了堆石坝三维渗流与变形耦合分析的有限元模型。

堆石体渗透系数与应力的关系采用A. F. Gangi[30]提出的模型。采用自主开发的EPSCA3D耦合软件进行HM耦合计算。

表1对堆石坝HM耦合与不耦合分析条件下渗流场要素进行了对比。考虑耦合效应后，通过坝体的流量有所减小，这是因为坝体中下部的堆石体受到荷重后，渗透系数有所降低的缘故。同时，垫层和过渡层的最大水力坡降稍稍降低，但堆石区中的

和30°。2组裂隙采用相同的几何及力学参数[29]。

第27卷 第7期 周创兵，等. 论岩体多场广义耦合及其工程应用 • 1339 •

据问题的类型和性质，多场耦合作用有强弱之分，对岩体变形和稳定性分析最重要的是强耦合过程。

(3) 爆破开挖、锚固支护、岩体灌浆以及库水骤降等工程作用所参与的多场耦合，通常是一种强耦合过程。这种作用对岩体地质特征、力学特性及工程性质产生深刻影响。通过多场耦合机制、工程

图8 堆石坝三维渗流与变形耦合分析的有限元模型 Fig.8 3D FE model for coupled HM analysis of Shuibuya

CFRD

表1 堆石坝HM耦合分析渗流场要素的对比 Table 1 Comparison of coupled and uncoupled seepage flow

analysis results for Shuibuya CFRD

计算

流量

－13

条件 /(m·s) 垫层 不耦合 耦合

最大水力坡降

过渡层

主堆石

次堆石

下游堆石

作用效应等研究，优化工程作用方式、强度和程序，达到更合理地利用和改造岩体的目标。

(4) 岩体地质特征与赋存环境、岩体变形与渗透特性、岩体介质力学模型与参数、岩体多场耦合机制、岩体工程作用效应、岩体多场广义耦合过程数值模拟等是多场广义耦合分析与模拟的主要研究内容。立足地质研究、注重机制研究、强调工程作用、明确工程应用是岩体多场广义耦合研究的重要特色。

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最大水力坡降略有增大，但变化并不显著。

8 结 论

岩体多场耦合是岩石力学研究的一个热点。岩体多场广义耦合以一般的多场耦合研究为基础，着重强调工程作用对岩体地质特征、力学特性和工程性质的影响，更加注重岩石力学与具体工程的结合，更加突出利用和改造岩体的工程目标。本文的主要结论如下：

(1) 岩体是多场广义耦合的主要研究对象，岩体的复杂性表现为地质特征、力学特性以及工程性质的复杂性。岩体地质特征及其赋存环境是多场耦合的物质基础；岩体力学特性是多场耦合研究的主要科学问题；改善岩体工程性质是多场耦合研究的工程目标。多场广义耦合在方法论的层面上将岩体地质特征、力学特性及工程性质作为一个不可分割的整体进行研究。

(2) 岩体的赋存环境及工程作用组成了一个有机系统，该系统各部分之间的耦合作用是一种客观存在；岩体复杂的力学特性既受岩体地质特征的控制，也受赋存环境及工程作用的影响，更是系统耦合特性的反映；岩体多场耦合是一个非线性的动态过程，存在于地质体的形成以及整个演化过程；依

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