在诸如二氧化碳封存、油气开采、地下水管理和隧道等地下工程中，岩体通常含有大量的天然裂隙或者具有典型的分层特性，又因人为注入流体或地下水的作用，会产生复杂的水力耦合行为。开展裂隙多孔介质水力耦合行为研究对地下工程具有重要意义。

本团队提出了一种能够求解裂隙岩体水力耦合问题的近场动力学模型。通过类弹簧近场动力学界面模型模拟岩体中不同特性的天然裂隙，并采用自适应动态松弛方法更新变形场，解决了变形场求解与渗流场求解时间步长差异大的问题，提高了计算效率，如图1所示。

图1 基于近场动力学求解水力耦合问题的流程图

本研究采用含不同类型界面的板在拉剪载荷下的力学响应，验证了近场动力学界面模型的准确性。如图2所示，在不同界面参数条件下，近场动力学所得的x方向与y方向位移结果与有限元结果吻合良好。模拟了经典的一维固结算例，如图3所示，孔隙压力与固结位移与解析解基本重合，验证了近场动力学水力耦合模型的准确性。

图2 不同界面参数条件下的y方向位移分布情况

图3 不同时刻下孔隙压力和固结位移的分布情况

本研究进一步分析了不同类型界面、长度与倾角对岩体二维水力耦合模型的影响。如图4所示，数值结果表明闭合裂隙在模型内起到不透水屏障的作用，随着断裂长度增加，这种屏障效应增强，导致下段孔隙压力上升。相比之下，张开裂隙胶结程度弱，流体渗透率相对较低，导致模型整体变形较大。但由于整体渗透率变化不大，受压后孔隙水并未能及时从模型中排出，这也使得模型内整体孔隙压力仍相对较高。

图4 含不同长度裂隙的模型孔隙压力分布情况：(a-d) 闭合裂隙2m, 4m, 6m, 8m, (e-h) 张开裂隙2m, 4m, 6m, 8m

如图5所示，对于给定角度，含张开裂隙的孔隙压力高于含闭合裂隙的模型。图5(a)–(e)的孔隙压力云图显示，闭合裂隙的角度对整体孔隙压力分布影响有限。相比之下，图5(f)–(j)表明，随着张开裂隙角度的增大，模型上部的孔隙压力消散更快，下部的超孔隙压力越高。

图5 含不同角度裂隙的模型孔隙压力分布情况：(a-d) 闭合裂隙2m, 4m, 6m, 8m, (e-h) 张开裂隙2m, 4m, 6m, 8m

本研究由河海大学计算力学与工程安全研究团队完成。通过将近场动力学与地下工程中的水力耦合问题相结合，为复杂的含裂隙岩体水力耦合问题提供了一个近场动力学求解方案。研究成果已发表于国际期刊《Computers and Geotechnics》。团队学术带头人黄丹教授为该论文通讯作者，团队博士生蔡壮为第一作者。论文其他合作作者包括团队青年核心骨干张恒老师与姚学昊老师。本研究得到了国家自然科学基金项目（No. 12572226）、江苏省“青蓝工程”项目以及江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX24_0818）的资助。

《Computers and Geotechnics》旨在广泛传播先进计算机应用在岩土工程各领域的成果。期刊特别鼓励关于数值算法进展、新本构模型的计算机实现以及概率方法方面的投稿。在中科院最新分区表中，该刊分区为工程技术类1区，最新影响因子为6.2。

撰稿：蔡  壮

审核：周广得