裂隙岩体渗流研究综述

摘 要：裂隙岩体渗流对于边坡、地下工程及基础岩土体的承载能力有显著地制约作用。该文简要综述了现有研究对岩体裂隙模型的分类、渗透参数的研究以及裂隙岩体的实验理论分析。并对裂隙岩体渗流研究进行了展望，为今后裂隙岩体渗流研究提供了有益的方向。

关键词：裂隙岩体 渗流模型 物试实验 研究展望

中图分类号：TU43文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0006-01

目前，完整岩石的研究已趋于成熟，破碎岩体渗流试验也取得了大量成果：刘卫群、刘玉庆、缪协兴、李顺才等人均作了大量的试验与理论分析工作。

经典渗流理论以连续介质假定为基础，经过长时间的研究已较为成熟和完善，但岩体渗流则有其特殊性和复杂性，岩体是由裂隙切割的岩块所构成的实体，岩块的渗透性一般很微弱，裂隙则是岩体中渗流的通道，因此，岩体渗流实质上是裂隙网络渗流问题。

开始时人们对岩体渗流处理仍仿照土体的渗流，由于对裂隙岩体中渗流规律认识不足，而导致工程失事的著名例子包括1959年法国Malpasset拱坝溃坝和1963年意大利Vajiont拱坝库水位上升引起的大型滑坡宋晓晨。这两起事件均造成大量人员伤亡，是人们开始将目光放到裂隙岩体的渗流特性上。

1 岩体裂隙模型分类

自20世纪90年代至今，已有多人对裂隙模型进行了归纳分类。陈洪凯将模型分为等效非连续介质模型、等效连续介质模型和孔隙-裂隙双重连续介质模型，由于研究时间较早故没有对模型有更全面的概括。之后王媛则将模型分为裂隙-孔隙双重介质模型（包括拟稳态流模型和非稳态流模型）、非双重介质模型（包括等效连续介质模型、离散裂隙网络模型和混合模型）。双重介质模型认为裂隙岩体是由孔隙性差而导水性强的裂隙系统和孔隙性好而导水性弱的岩块孔隙系统共同构成的统一体；拟稳态流模型认为裂隙系统与岩块孔隙系统的水交替量和两类系统中的水头差成正比。该模型的主要代表人物有Barenblatt、Warren和Rott等；非稳态流模型认为两类系统的水交替是通过岩块空隙中的水向裂隙中的流动来完成的，根据岩块孔隙中的水流动规律来建立水交替方程；非双重介质模型忽略了岩体中孔隙体统与裂隙系统的水交替过程，应用时不受岩体裂隙配置关系的限制；等效连续介质模型是将裂隙中的水流等效平均到整个岩体中，将裂隙岩体模拟为具有对称渗透张量的各向异性连续体，然后利用经典的连续介质理论进行分析。主要研究人有Snow、Long、Oda、张有天和田开铭等；离散裂隙网络模型是在搞清每条裂隙的空间方位、隙宽等几何参数的前提下，以单个裂隙内水流基本公式为基础，利用流入和流出各裂隙交叉点流量相等的原则建立方程，然后通过求解方程组获得各裂隙交叉点的水头值。离散裂隙网络模型最先由Wittke提出，后由Louis、Wilson和王恩志等作了进一步发展。程汉鼎对裂隙岩体溶质运移数学模型的特点和适用范围进行了详细的对比。王月英则提出了新型的概念模型——ECM-DFN横向耦合模型、DPM-DFN横向耦合模型、ECM-DPM-DFN横向耦合模型、ECM-DFM纵向耦合模型和SCM-DFN纵向耦合模型。

2 裂隙渗流参数研究

2.1 渗透系数

渗透系数的测定方法有现场试验、室内试验、解析法及反演分析法，其中现场试验包括单孔压水试验法、三段压水试验法和三孔交叉压水试验法。单孔压水实验法又包括单塞法和双塞法。刘新荣认为岩体中的渗透率为张量，具有很大方向性，并只考虑裂隙层面流动按Poiseuille方程计算得到渗透系数。

2.2 渗透张量

对于均质各项同性的渗流介质，渗透系数为一常数值；而在裂隙岩体中，由于渗流介质是富含成因、类型、规模等不同的结构面的天然地质体，即属于非均质各项异性介质，渗透系数要随空间位置及不同方向而变化，常用渗透张量表示。

Ferrandon1948年首先提出了渗透张量的概念而Snow和PoMM才首次提出了裂隙岩体的渗透张量。他们均假定岩体中裂隙无限延伸，而随着张有天等人的工作开展，表明这与实际情况存在悬殊。

3 试验及理论分析

张文杰对裂隙岩体渗流特性的物模实验进行了较为细致的分析，包括岩体单裂隙渗流物模试验、裂隙岩体水力耦合物模试验、裂隙岩体非饱和渗流物模试验和填充裂隙岩体渗流物模试验。付贵将裂隙岩性渗透理论作了总结，并列出几个实例：电站上水库裂隙岩体渗透张量的确定、基于裂隙量测发的新立矿区工程岩体渗透性分析和岩体渗透结构的条件模拟等。

4 结语

裂隙岩体的渗流性质研究有公式推导法、直接试验法和概念模型法。虽然数值试验法和数学推导法简单快捷，但以上两种方法的结果都需要用物模试验来进行验证。笔者认为尚需在以下几个方面做进一步研究：

物模试验中人工裂隙的切割深宽基本相似，但在实际情况中，岩石受构造运动、风化等的影响所形成的裂隙是不均匀的，涉及密度、宽度、深度以及连接程度。所以需要对岩石的开裂程度进行控制，做更深入的研究，得到更符合实际的结论或公式。

天然岩体裂隙中充填有多种介质，不同性质的填充物对渗流的效果影响很大，但对充填介质性质的研究成果却不常见。

在裂隙岩体渗流的研究中，应力应变特性、温度场的作用也许需考虑。

由以上可推测今后研究趋势会向裂隙岩体渗流——温度耦合模型以及裂隙岩体渗流——裂隙充填物耦合模型方向发展。

参考文献

[1]刘卫群，缪协兴.破碎岩石渗透性的试验测定方法[J].实验力学，2003，18（1）：57-61.

[2]刘玉庆，李玉寿，孙明贵.岩石散体渗透试验新方法[J].矿山压力与顶板管理，2002（4）：108-110.

[3]缪协兴，刘卫群，陈占清.采动岩体渗流理论[M].北京：科学出版社，2004.

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