裂隙巖體滲流研究綜述

劉權(quán)逸　紀(jì)率澤　高鑫　鄭國勝

摘 要：裂隙巖體滲流對于邊坡、地下工程及基礎(chǔ)巖土體的承載能力有顯著地制約作用。該文簡要綜述了現(xiàn)有研究對巖體裂隙模型的分類、滲透參數(shù)的研究以及裂隙巖體的實驗理論分析。并對裂隙巖體滲流研究進行了展望，為今后裂隙巖體滲流研究提供了有益的方向。

關(guān)鍵詞：裂隙巖體 滲流模型 物試實驗 研究展望

中圖分類號：TU43 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0006-01

目前，完整巖石的研究已趨于成熟，破碎巖體滲流試驗也取得了大量成果：劉衛(wèi)群、劉玉慶、繆協(xié)興、李順才等人均作了大量的試驗與理論分析工作。

經(jīng)典滲流理論以連續(xù)介質(zhì)假定為基礎(chǔ)，經(jīng)過長時間的研究已較為成熟和完善，但巖體滲流則有其特殊性和復(fù)雜性，巖體是由裂隙切割的巖塊所構(gòu)成的實體，巖塊的滲透性一般很微弱，裂隙則是巖體中滲流的通道，因此，巖體滲流實質(zhì)上是裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流問題。

開始時人們對巖體滲流處理仍仿照土體的滲流，由于對裂隙巖體中滲流規(guī)律認(rèn)識不足，而導(dǎo)致工程失事的著名例子包括1959年法國Malpasset拱壩潰壩和1963年意大利Vajiont拱壩庫水位上升引起的大型滑坡宋曉晨。這兩起事件均造成大量人員傷亡，是人們開始將目光放到裂隙巖體的滲流特性上。

1 巖體裂隙模型分類

自20世紀(jì)90年代至今，已有多人對裂隙模型進行了歸納分類。陳洪凱將模型分為等效非連續(xù)介質(zhì)模型、等效連續(xù)介質(zhì)模型和孔隙-裂隙雙重連續(xù)介質(zhì)模型，由于研究時間較早故沒有對模型有更全面的概括。之后王媛則將模型分為裂隙-孔隙雙重介質(zhì)模型（包括擬穩(wěn)態(tài)流模型和非穩(wěn)態(tài)流模型）、非雙重介質(zhì)模型（包括等效連續(xù)介質(zhì)模型、離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型和混合模型）。雙重介質(zhì)模型認(rèn)為裂隙巖體是由孔隙性差而導(dǎo)水性強的裂隙系統(tǒng)和孔隙性好而導(dǎo)水性弱的巖塊孔隙系統(tǒng)共同構(gòu)成的統(tǒng)一體；擬穩(wěn)態(tài)流模型認(rèn)為裂隙系統(tǒng)與巖塊孔隙系統(tǒng)的水交替量和兩類系統(tǒng)中的水頭差成正比。該模型的主要代表人物有Barenblatt、Warren和Rott等；非穩(wěn)態(tài)流模型認(rèn)為兩類系統(tǒng)的水交替是通過巖塊空隙中的水向裂隙中的流動來完成的，根據(jù)巖塊孔隙中的水流動規(guī)律來建立水交替方程；非雙重介質(zhì)模型忽略了巖體中孔隙體統(tǒng)與裂隙系統(tǒng)的水交替過程，應(yīng)用時不受巖體裂隙配置關(guān)系的限制；等效連續(xù)介質(zhì)模型是將裂隙中的水流等效平均到整個巖體中，將裂隙巖體模擬為具有對稱滲透張量的各向異性連續(xù)體，然后利用經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)理論進行分析。主要研究人有Snow、Long、Oda、張有天和田開銘等；離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型是在搞清每條裂隙的空間方位、隙寬等幾何參數(shù)的前提下，以單個裂隙內(nèi)水流基本公式為基礎(chǔ)，利用流入和流出各裂隙交叉點流量相等的原則建立方程，然后通過求解方程組獲得各裂隙交叉點的水頭值。離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型最先由Wittke提出，后由Louis、Wilson和王恩志等作了進一步發(fā)展。程漢鼎對裂隙巖體溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型的特點和適用范圍進行了詳細(xì)的對比。王月英則提出了新型的概念模型——ECM-DFN橫向耦合模型、DPM-DFN橫向耦合模型、ECM-DPM-DFN橫向耦合模型、ECM-DFM縱向耦合模型和SCM-DFN縱向耦合模型。

2 裂隙滲流參數(shù)研究

2.1 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)的測定方法有現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗、解析法及反演分析法，其中現(xiàn)場試驗包括單孔壓水試驗法、三段壓水試驗法和三孔交叉壓水試驗法。單孔壓水實驗法又包括單塞法和雙塞法。劉新榮認(rèn)為巖體中的滲透率為張量，具有很大方向性，并只考慮裂隙層面流動按Poiseuille方程計算得到滲透系數(shù)。

2.2 滲透張量

對于均質(zhì)各項同性的滲流介質(zhì)，滲透系數(shù)為一常數(shù)值；而在裂隙巖體中，由于滲流介質(zhì)是富含成因、類型、規(guī)模等不同的結(jié)構(gòu)面的天然地質(zhì)體，即屬于非均質(zhì)各項異性介質(zhì)，滲透系數(shù)要隨空間位置及不同方向而變化，常用滲透張量表示。

Ferrandon1948年首先提出了滲透張量的概念而Snow和PoMM才首次提出了裂隙巖體的滲透張量。他們均假定巖體中裂隙無限延伸，而隨著張有天等人的工作開展，表明這與實際情況存在懸殊。

3 試驗及理論分析

張文杰對裂隙巖體滲流特性的物模實驗進行了較為細(xì)致的分析，包括巖體單裂隙滲流物模試驗、裂隙巖體水力耦合物模試驗、裂隙巖體非飽和滲流物模試驗和填充裂隙巖體滲流物模試驗。付貴將裂隙巖性滲透理論作了總結(jié)，并列出幾個實例：電站上水庫裂隙巖體滲透張量的確定、基于裂隙量測發(fā)的新立礦區(qū)工程巖體滲透性分析和巖體滲透結(jié)構(gòu)的條件模擬等。

4 結(jié)語

裂隙巖體的滲流性質(zhì)研究有公式推導(dǎo)法、直接試驗法和概念模型法。雖然數(shù)值試驗法和數(shù)學(xué)推導(dǎo)法簡單快捷，但以上兩種方法的結(jié)果都需要用物模試驗來進行驗證。筆者認(rèn)為尚需在以下幾個方面做進一步研究：

物模試驗中人工裂隙的切割深寬基本相似，但在實際情況中，巖石受構(gòu)造運動、風(fēng)化等的影響所形成的裂隙是不均勻的，涉及密度、寬度、深度以及連接程度。所以需要對巖石的開裂程度進行控制，做更深入的研究，得到更符合實際的結(jié)論或公式。

天然巖體裂隙中充填有多種介質(zhì)，不同性質(zhì)的填充物對滲流的效果影響很大，但對充填介質(zhì)性質(zhì)的研究成果卻不常見。

在裂隙巖體滲流的研究中，應(yīng)力應(yīng)變特性、溫度場的作用也許需考慮。

由以上可推測今后研究趨勢會向裂隙巖體滲流——溫度耦合模型以及裂隙巖體滲流——裂隙充填物耦合模型方向發(fā)展。

參考文獻

[1] 劉衛(wèi)群，繆協(xié)興.破碎巖石滲透性的試驗測定方法[J].實驗力學(xué)，2003，18（1）：57-61.

[2] 劉玉慶，李玉壽，孫明貴.巖石散體滲透試驗新方法[J].礦山壓力與頂板管理，2002（4）：108-110.

[3] 繆協(xié)興，劉衛(wèi)群，陳占清.采動巖體滲流理論[M].北京：科學(xué)出版社，2004.endprint