裂隙巖體滲流研究綜述

劉權逸　紀率澤　高鑫　鄭國勝

摘 要：裂隙巖體滲流對于邊坡、地下工程及基礎巖土體的承載能力有顯著地制約作用。該文簡要綜述了現有研究對巖體裂隙模型的分類、滲透參數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：劉衛群、劉玉慶、繆協興、李順才等人均作了大量的試驗與理論分析工作。

經典滲流理論以連續介質假定為基礎，經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雜性，巖體是由裂隙切割的巖塊所構成的實體，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，巖體滲流實質上是裂隙網絡滲流問題。

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律認識不足，而導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介質模型、等效連續介質模型和孔隙-裂隙雙重連續介質模型，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-孔隙雙重介質模型（包括擬穩態流模型和非穩態流模型）、非雙重介質模型（包括等效連續介質模型、離散裂隙網絡模型和混合模型）。雙重介質模型認為裂隙巖體是由孔隙性差而導水性強的裂隙系統和孔隙性好而導水性弱的巖塊孔隙系統共同構成的統一體；擬穩態流模型認為裂隙系統與巖塊孔隙系統的水交替量和兩類系統中的水頭差成正比。該模型的主要代表人物有Barenblatt、Warren和Rott等；非穩態流模型認為兩類系統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，根據巖塊孔隙中的水流動規律來建立水交替方程；非雙重介質模型忽略了巖體中孔隙體統與裂隙系統的水交替過程，應用時不受巖體裂隙配置關系的限制；等效連續介質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體，然后利用經典的連續介質理論進行分析。主要研究人有Snow、Long、Oda、張有天和田開銘等；離散裂隙網絡模型是在搞清每條裂隙的空間方位、隙寬等幾何參數的前提下，以單個裂隙內水流基本公式為基礎，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。離散裂隙網絡模型最先由Wittke提出，后由Louis、Wilson和王恩志等作了進一步發展。程漢鼎對裂隙巖體溶質運移數學模型的特點和適用范圍進行了詳細的對比。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 裂隙滲流參數研究

2.1 滲透系數

滲透系數的測定方法有現場試驗、室內試驗、解析法及反演分析法，其中現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。

2.2 滲透張量

對于均質各項同性的滲流介質，滲透系數為一常數值；而在裂隙巖體中，由于滲流介質是富含成因、類型、規模等不同的結構面的天然地質體，即屬于非均質各項異性介質，滲透系數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，并列出幾個實例：電站上水庫裂隙巖體滲透張量的確定、基于裂隙量測發的新立礦區工程巖體滲透性分析和巖體滲透結構的條件模擬等。

4 結語

裂隙巖體的滲流性質研究有公式推導法、直接試驗法和概念模型法。雖然數值試驗法和數學推導法簡單快捷，但以上兩種方法的結果都需要用物模試驗來進行驗證。筆者認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，巖石受構造運動、風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論或公式。

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

在裂隙巖體滲流的研究中，應力應變特性、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展。

參考文獻

[1] 劉衛群，繆協興.破碎巖石滲透性的試驗測定方法[J].實驗力學，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] 繆協興，劉衛群，陳占清.采動巖體滲流理論[M].北京：科學出版社，2004.endprint