裂隙岩体渗流模型研究现状

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的制约作用。本文简要地介绍了裂隙岩体渗流的几个特点与多种裂隙岩体渗流模型研究现状，评述了几类比较有代表性的渗流模型特点以及存在的不足，为选取合理的数学模型用于求解具体的裂隙岩体渗流问题提供了参考依据。

中图分类号：P5 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2013）06-0204-01

1、引言

渗流是流体通过多孔介质或裂隙介质的流动，是一种与人类的一些工程活动密切相关的现象。其相关理论在水电、建筑、边坡、以及基础等工程方面都有着重要的发展及应用。虽然近几世纪，基于达西定律而建立的经典渗流理论发展十分迅速，并成为流体力学的一个重要分支。但因经典的渗流理论是建立于连续介质假设，而众多的工程实例和科学研究表明，岩体渗流于本质上与土体渗流有明显的区别。

国外对裂隙岩体渗流最早开展研究的国家是前苏联，1951年，苏联学者Лмизе著作了《裂隙岩石中的渗流》一书，是本方面最早的专著。此后，1966年，Ромм发表了《裂隙岩石渗透特性》一书，夯实了裂隙岩体渗流研究理论的基础。法国的C.Louis教授在开展裂隙岩体渗流的研究后，于20世纪60、70年代首先提出岩体水力学这一崭新的学科概念。70年代后，国内也涌现出了很多学者对裂隙岩体的渗流理论的卓有成效的研究成果，比较突出的系统性著作有许彦卿的《岩体水力学导论》和张有天的《岩石水力学与工程》等。

2、裂隙岩体渗流的特点

一般的岩体拥有纵横交错的张、压、扭性结构面，其是由空隙性好且导水性能差的岩块孔隙系统与空隙性差但导水性能强的裂隙系统组成的，这是典型的孔隙—裂隙双重介质。岩块的渗透系数较裂隙而言十分微小，三峡工程永久性船闸区的花岗岩岩块渗透系数不到裂隙渗透系数的10-6倍。所以，岩体渗流从属裂隙渗流，比孔隙渗流的土体具有更独特的特点：

（1）渗透系数的非均匀性十分突出

姑且不论组成岩体的岩块与裂隙之间的渗透性相差若干数量级而造成的非均匀性，裂隙大小、长度、产状等在空间分布上的差异也会形成岩体渗透系数的非均匀性，甚至同一个地质钻孔的不同孔段处的单位吸水率可能相差若干数量级。岩体渗流不仅在竖直方向有突出的非均匀性，在平面上的非均匀性有时也十分突出。

（2）渗透系数存在明显的各向异性

岩体的渗流大多表现出裂隙渗流的特征，而裂隙以构造为主，一般成组分布，且往往存在着几组裂隙，每组裂隙都具有基本上一致的产状，使得水在裂隙中的渗流具有显著的方向性，平行于裂隙面方向的渗透系数明显大于垂直于裂隙面方向的渗透系数。

（3）岩体渗透系数的影响因素十分繁杂，影响因子很难准确确定

孔隙率或者颗粒粒径被给定后，就能基本确定土体的渗透系数。而岩体裂隙渗流没有这么简单，影响其渗流系数因素异常复杂，除裂隙开度以外，还含裂隙的粗糙度、吻合度、渗流路径起伏度、裂隙充填程度及充填物材料特性，甚至水流流态对渗透系数的影响也不可忽视。一条光滑的渗透系数可能比相同隙宽的粗糙裂隙大几倍甚至几十倍。同时上述的各种影响因子对渗透系数随机发生作用，各自的影响程度很难准确确定。

3、裂隙岩体渗流模型研究

岩体渗流分析、计算的基础是渗流模型，只有对渗流体的结构特征具有正确、客观的认识，才有可能得出符合客观实际的渗流场，进而得到岩体的水头分布、地下水压力以及渗流量等参数，为工程设计、施工提供科学依据。目前，渗流模型基本归为三大类别：双重介质模型、连续介质模型和离散介质模型。

1）双重介质模型

双重介质模型认为岩体是由空隙性能好而导水性能差的岩块孔隙系统和空隙性能差而导水性能强的裂隙系统组成，具有典型的孔隙—裂隙双重介质。在1960年 Barenblalltt等人率先提出了双重介质模型，此后 Warren等人又对此丰富与发展。

Barenblalltt等人认为裂隙把岩体分割为大小不一且形状不同的岩块，裂隙和岩块布满整个区域，组成了两个重叠的连续体。在建立计算模型时，假设：第一，每一个点存在了两类流体压力——孔隙水压力与裂隙水压力，这两类流体压力差引发了孔隙与裂隙系统间的剧烈水交换；第二，水交换流量和压力差成正比；第三，孔隙与裂隙水流运动都服从于达西定律。这两类介质的渗流方程经水交换方程串联起来，便能求解整个流场的水头值。在此基础上Warren等人考虑到均匀介质各向异性这一特点，假定岩体的发育存在均质的、正交的、相互连通的裂隙系统，且同一组裂隙的间距与隙宽不变，不同组的裂隙间距与隙宽可不一致，渗透主轴和每一方位裂隙组平行，同时可导得裂隙水流的非稳定方程。

尽管双重介质模型对于岩体的描述比较客观，但是没有考虑到岩体典型的非均质各向异性这一特点，且同一点具有两类水压力也是难以理解与确定，即使考虑各向异性也是比较粗糙，因此实用性与应用性都不强，目前较少采用。

（2）连续介质模型

连续介质模型的基础是渗透张量与达西定律，它把裂隙岩体当做非均质、各向异性的连续孔隙介质来模拟，需要说明的是此处的“连续”指的是统计意义上的等效连续。在1968、1969年Snow表示，任何一个裂隙水流的问题，都能使用达西定律，加上一个各向异性的水力传导率张量所构成的标准孔隙介质技术来解决。

虽然用等效连续介质来描述岩体结构并不十分客观，但因为其渗透系数的等效性、可靠的理论基础、丰富的应用经验，并且人们不关注单个裂隙的水头，而关注岩体总体的水头分布，只要计算出的结果与实际较为吻合即达到工程应用目的，因此目前该模型应用最为广泛，许多学者在此方面做了大量的工作。

（3）离散介质模型

离散介质模型认为，岩体中水流仅在不同走向与不同倾角组成的裂隙网络中运动，裂隙和岩块间没有水交换问题，所以也称为裂隙网络模型。因岩体中裂隙的透水程度远超岩块的渗透程度，岩体渗流实际上是裂隙渗流，所以离散介质模型介质在极大程度上表明了裂隙岩体渗流的实质。常见的离散介质模型基于裂隙网络的生成方法可以分成典型裂隙面模型、Monte-Carlo模型和管道模型。