裂隙岩体渗流概述

龚章龙 卢 博

(三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

裂隙岩体渗流概述

龚章龙 卢 博

(三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

从岩体应力场对渗流的控制作用、渗流对岩体的作用机理、应力—渗流耦合三方面，分析了裂隙岩体渗流的主要问题，阐述了裂隙岩体三个基本模型的原理和优缺点，为合理选取裂隙岩体渗流计算模型提供了参考。

裂隙岩体，渗流耦合，渗透系数，模型

0 引言

天然岩体中存在着大量裂隙和孔隙，这些裂隙和孔隙形成的应力场和渗流场相互影响，对各类岩体工程(边坡、地下洞室等)的设计施工以及工程运营时的稳定性有着极大的制约。20世纪初期，人们对裂隙岩体渗流问题的处理仍简单套用孔隙介质渗流理论，这直接导致了1959年法国马尔帕赛特拱坝溃坝，并造成了大量的人员伤亡。通过对该坝溃坝原因的分析，人们逐渐开始对裂隙岩体渗流问题进行研究。

1 裂隙岩体的三个主要问题

1.1 岩体应力场对渗流的影响

岩体应力场主要是通过改变岩体内应力状态对渗流产生影响。因为岩体内的结构面对应力状态改变特别敏感，应力的改变会引起岩体中节理裂隙开度的改变，从而影响渗流性能。

早在马尔帕赛特拱坝溃坝前，苏联学者就通过室内水力试验进行了单裂隙渗流问题的研究，得出单裂隙岩石中地下水运动的定律，即：

其中,q为裂隙内单裂隙宽度流量；g为重力加速度；b为裂隙隙宽；v为地下水的运动粘滞系数；Jf为裂隙内水力梯度。

由上式可知，岩体裂隙是平行光滑的。但实际岩体中的裂壁是粗糙不平的，故裂隙不可能是由平行光滑的缝隙构成，同时隙宽是随机分布的变量，并不是一个定量。

陈平，张有天[1]通过对裂隙岩体渗流与应力耦合实验的分析，提出了一种修正公式，即：

其中，am为裂隙最大闭合度与应力作用下裂隙压缩值之差。该修正公式考虑了裂隙产生压缩值时的新的等效水力隙宽是未知量这种情况，更加接近实际。

在我国刘继山[2]运用单裂隙闭合度的变形对导水系数影响的试验研究，得到了岩体导水系数与闭合刚度的关系，对研究地下水在岩体中的活动规律及其对岩体变形与破坏的影响提供了理论基础。

1.2 渗流对岩体的影响

渗流对岩体的影响主要表现为地下水改变了岩体的物理、化学和力学性质，反过来岩体性质的改变又对地下水的物理、力学性质和化学组分进行了改变。

Louis[3]认为渗透压力对裂隙岩体的作用表现为三种体积力：在一组平行节理中由水的粘性产生的切向力、静水压力和动水压力。其中静水压力会使岩体的有效应力减小从而导致岩体的强度降低；而切向力和动水压力则会使岩体的抗剪强度降低。

梁尧词[4](1988)和段小宁等[5](1982)通过试验得出动水压力会导致岩体裂隙开度的增加。裂隙中含有重力水的岩体突然受到动水压力的作用，导致裂隙中的水来不及排除，从而产生高孔隙水压，减小了颗粒之间的压应力，导致岩体裂隙度变大，破坏了岩石的连接性，对岩体的整体稳定性产生了不利影响。

制造任务耦合均衡性表达了各种同级别制造任务之间关联信息的程度，参考文献[21]提出的活动单元关联任务控制数目的计算方法，本文将制造任务耦合均衡度表示为

1.3 应力—渗流耦合

裂隙岩体应力场与渗流场的相互影响很大。应力场通过应力作用对渗流产生影响，会使得渗透体积重新分布，这又必将反过来对应力场产生影响。

Louis[6]通过对某坝址钻孔抽水试验资料的分析整理，得出渗透系数与正应力的经验公式为：

上式非常简单，在渗流与应力耦合中使用方便，被中外学者广泛使用。人们随后在大量裂隙应力渗流试验中发现裂隙的发育会随着深度的增加而减小，而按照该经验式的关系，在半对数坐标系中，渗透系数应为一条直线。这说明该式只适应于一些特定的情况，并且应力并不是唯一影响因素。

Long[7]通过对地下洞室开挖后围岩渗透系数变化的研究，在Louis经验公式的基础上得出应力与裂隙渗透系数的关系式为：

2 裂隙岩体渗流的基本模型

2.1 连续介质模型

该模型认为裂隙岩体是空隙性差，导水性强的裂隙系统。该系统中空隙相互连通，使得水流可以分布在整个岩体介质中。岩体裂隙度较大时，系统中的水位随空间连续分布，渗流场的求解以渗透张量为基础。

该模型本身简单，仅有少数几个参数(等效渗透系数、有效孔隙度等)是必须确定的；可以利用各向异性连续介质理论进行分析，而不用知道每条裂隙的具体位置，对于解决不易获得单个裂隙的工程问题有很大的价值。该模型假定地下水在岩体中的流动服从达西定律，因此它并不适用于非恒定流的分析。

2.2 双重介质模型

该模型认为裂隙岩体是由裂隙和孔隙组成的连续介质。其中，裂隙导水，孔隙储水，裂隙与孔隙均形成水头，利用水头交换公式将两种介质连接起来，即：

该模型适用于较大尺度的裂隙介质渗流问题，它在一定程度上描述了裂隙介质的渗流现象，并考虑了裂隙系统和孔隙系统的物质交换，比较符合实际情况；对于从深埋千米以上的高压裂隙储层中采油有一定的指导意义。但是物质交换系数难以确定，且对基岩大小形状的划分过于简单，不能充分反映裂隙介质的各向异性和不连续性等特征。

2.3 离散裂隙网络渗流模型

该模型认为岩体由单一的、按几何形态的、有规律分布的裂隙介质组成，而岩体中的岩块渗透性极弱，可忽略不计。

该模型考虑了岩体中不同类型、力学性质和规模的节理、裂隙及断面。利用裂隙水力学参数和几何参数来表征裂隙岩体内渗透空间结构的具体布局，充分考虑到了裂隙岩体的非均质性和非连续性特征，能较好的描述裂隙岩体的流动特征。离散介质模型渗流控制方程为：

其中,x,y均为局部坐标轴；Kx，Ky分别为沿x轴,y轴的主渗透系数；p为水压力；S为贮水系数；W为源汇项。

由上式可知，为了得到各点的实际状态，该模型对体系中的每条裂缝都加以模拟。通过综合整理每条裂隙的状态进而得到裂隙共同作用时岩体的实际状态，这样做精度高，仿真性好，与实际情况比较接近。但是这只适合于裂隙少的情况，而当裂隙很多时其工作量非常大。其中，二维模型相对成熟，三维问题几乎无法实现。同时裂隙的分布并没有规律，具有随机性。因此要达到与实际裂隙系统相同也是十分困难的。

3 工程应用

裂隙岩体库岸边坡的设计、水利水电工程、水库蓄排水诱发地震的预测等，都必然涉及裂隙岩体的水利力学性能的研究。尽管这个问题十分复杂，但是仍然有人通过现有的研究成果解决了一些工程实际问题。

陈平和张有天[1]，杨延毅和周维垣[8]对重力坝坝基进行了裂隙岩体渗流二维耦合分析；陶振宇等[9]通过对水库诱发地震的研究，提出了应力与渗流耦合，并对应力渗流耦合进行了分析；常晓林[10]对抽水井和压力隧洞进行了耦合计算。

4 展望

1)不同的模型都有各自的特点，对于岩体实际情况的描述都有其各自的优势，但是所有模型都不能真正意义上解决工程中遇到的实际问题，因此对模型的正确理解、计算参数的合理筛选、关键性影响因素的确定都需进一步深入研究。

2)等效连续介质模型是目前分析裂隙岩体渗流的主要模型，它能够解决工程实际中的部分问题，但是对于有些问题与实际情况有很大出入。可以考虑研究两种或多种模型的耦合，以期达到既具有真实性又具有实用性的裂隙岩体渗流耦合模型。

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Summary of seepage in cracked rock

Gong Zhanglong Lu Bo

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Starting from three aspects of control role of rock stress field upon the seepage,working mechanism of seepage upon rock,and stress-flow coupling,the paper analyzes major cracked rock flow problems,and describes three basis cracked rock models and merits and defects,which has provided some guidance for rationally selecting cracked rock flow computation model.

cracked rock,flow coupling,permeability coefficient,model

2015-10-16

龚章龙(1992- )，男，在读硕士；卢 博(1991- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)36-0055-03

P584 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A