岩石力学与工程科普—岩体应力—渗流耦合

1、岩体应力与渗流介绍

岩体处于一定的地质环境之中，而该环境中自然环境作用或人为作用，都会对岩体产生一定的影响，从而导致岩体之中产生应力。例如地壳运动会使得岩体内产生构造应力，气温变化会引起温度应力，人为开挖会产生附加应力等。而岩体应力的存在则会导致岩体发生诸多形态变化，形成诸如褶皱断层等地质结构，并使得岩体内部产生裂隙等。

岩体渗流是指由于岩体内普遍存在水，而当水力坡降存在时，水就会透过岩体中的孔隙与裂隙流动，即渗流。

图1 岩体表面裂隙

2、岩体应力——渗流耦合介绍
如上文所述，岩体内普遍存在岩体应力与岩体渗流，且二者均与岩体中的裂隙存在。应力的存在，影响了岩体的孔隙结构，从而改变水体的运移通道，这就是岩体系统内应力场对渗流场的影响。另一方面，岩体系统内存在水，水通过物理的、化学的和力学的作用亦改变岩体的结构，施加给岩体以静水压力和动水压力，引起了岩体的一系列应力，这就是岩体系统内渗流场对应力场的影响。这种应力场与渗流场的相互影响，就称为应力—渗流耦合，岩体的应力——渗流耦合是岩体工程领域一项重要的特性。

3、岩体应力——渗流耦合对工程影响

在实际工程中，应力——渗流耦合的影响比比皆是。例如，煤矿中，由于采煤工作面的不断推进或其余多种原因，均可能导致附近岩体内发生应力重分布。而一旦发生应力重分布，受应力——渗流耦合影响，改变的应力场便影响了渗流场也同时发生突变，从而导致发生工作面顶板或底板突水。同样的例子，在海底隧道等一系列工程中屡见不鲜。以2020年湖南衡阳源江山煤矿“11·29”重大透水事故，由于在矿压和上部水压共同作用下发生抽冒，采空区大量积水并迅速溃入煤矿水平，导致短时内水位上升45m，井巷被淹，造成重大人员伤亡。

图2 湖南某煤矿排水抢险照片

图3 甘肃某煤矿排水抢险照片

3、岩体应力——渗流耦合应用

在了解了应力——渗流耦合在一系列工程中的实际影响后，便可借由此进行反推，通过利用应力——渗流耦合，保障煤矿等一系列工程安全。以衮州某煤矿区为例，在实地采集了一系列工程参数后，可以反演研究其渗漏性与破坏特性。通过实地参数与应力场情况反演得出：该煤矿随着开采工作面宽度增加，岩体垂直渗漏增加区，水平渗增加区范围都随之变大；且垂向增加区最大高度出现在开采边界正上方，而水平向增加区最大高度出现在开采中央最上方；同时水流趋向于流入采空区。而通过渗流场反演，可以得知：渗漏性指标可以成功地作为判断岩体是否破坏的依据，例如中国煤炭行业长期沿用的通过钻孔冲洗液漏失量来判定岩体导水裂缝带的高度。如此来看，便可通过对其渗漏量的直观观测，间接得知煤矿工作面的破坏情况，从而保障矿业安全。

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供稿：刘睿阳