裂隙巖體滲流概述

龔章龍 盧 博

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

裂隙巖體滲流概述

龔章龍 盧 博

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

從巖體應(yīng)力場對滲流的控制作用、滲流對巖體的作用機理、應(yīng)力—滲流耦合三方面，分析了裂隙巖體滲流的主要問題，闡述了裂隙巖體三個基本模型的原理和優(yōu)缺點，為合理選取裂隙巖體滲流計算模型提供了參考。

裂隙巖體，滲流耦合，滲透系數(shù)，模型

0 引言

天然巖體中存在著大量裂隙和孔隙，這些裂隙和孔隙形成的應(yīng)力場和滲流場相互影響，對各類巖體工程(邊坡、地下洞室等)的設(shè)計施工以及工程運營時的穩(wěn)定性有著極大的制約。20世紀初期，人們對裂隙巖體滲流問題的處理仍簡單套用孔隙介質(zhì)滲流理論，這直接導(dǎo)致了1959年法國馬爾帕賽特拱壩潰壩，并造成了大量的人員傷亡。通過對該壩潰壩原因的分析，人們逐漸開始對裂隙巖體滲流問題進行研究。

1 裂隙巖體的三個主要問題

1.1 巖體應(yīng)力場對滲流的影響

巖體應(yīng)力場主要是通過改變巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)對滲流產(chǎn)生影響。因為巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面對應(yīng)力狀態(tài)改變特別敏感，應(yīng)力的改變會引起巖體中節(jié)理裂隙開度的改變，從而影響滲流性能。

早在馬爾帕賽特拱壩潰壩前，蘇聯(lián)學(xué)者就通過室內(nèi)水力試驗進行了單裂隙滲流問題的研究，得出單裂隙巖石中地下水運動的定律，即：

其中,q為裂隙內(nèi)單裂隙寬度流量；g為重力加速度；b為裂隙隙寬；v為地下水的運動粘滯系數(shù)；Jf為裂隙內(nèi)水力梯度。

由上式可知，巖體裂隙是平行光滑的。但實際巖體中的裂壁是粗糙不平的，故裂隙不可能是由平行光滑的縫隙構(gòu)成，同時隙寬是隨機分布的變量，并不是一個定量。

陳平，張有天[1]通過對裂隙巖體滲流與應(yīng)力耦合實驗的分析，提出了一種修正公式，即：

其中，am為裂隙最大閉合度與應(yīng)力作用下裂隙壓縮值之差。該修正公式考慮了裂隙產(chǎn)生壓縮值時的新的等效水力隙寬是未知量這種情況，更加接近實際。

在我國劉繼山[2]運用單裂隙閉合度的變形對導(dǎo)水系數(shù)影響的試驗研究，得到了巖體導(dǎo)水系數(shù)與閉合剛度的關(guān)系，對研究地下水在巖體中的活動規(guī)律及其對巖體變形與破壞的影響提供了理論基礎(chǔ)。

1.2 滲流對巖體的影響

滲流對巖體的影響主要表現(xiàn)為地下水改變了巖體的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，反過來巖體性質(zhì)的改變又對地下水的物理、力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組分進行了改變。

Louis[3]認為滲透壓力對裂隙巖體的作用表現(xiàn)為三種體積力：在一組平行節(jié)理中由水的粘性產(chǎn)生的切向力、靜水壓力和動水壓力。其中靜水壓力會使巖體的有效應(yīng)力減小從而導(dǎo)致巖體的強度降低；而切向力和動水壓力則會使巖體的抗剪強度降低。

梁堯詞[4](1988)和段小寧等[5](1982)通過試驗得出動水壓力會導(dǎo)致巖體裂隙開度的增加。裂隙中含有重力水的巖體突然受到動水壓力的作用，導(dǎo)致裂隙中的水來不及排除，從而產(chǎn)生高孔隙水壓，減小了顆粒之間的壓應(yīng)力，導(dǎo)致巖體裂隙度變大，破壞了巖石的連接性，對巖體的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。

制造任務(wù)耦合均衡性表達了各種同級別制造任務(wù)之間關(guān)聯(lián)信息的程度，參考文獻[21]提出的活動單元關(guān)聯(lián)任務(wù)控制數(shù)目的計算方法，本文將制造任務(wù)耦合均衡度表示為

1.3 應(yīng)力—滲流耦合

裂隙巖體應(yīng)力場與滲流場的相互影響很大。應(yīng)力場通過應(yīng)力作用對滲流產(chǎn)生影響，會使得滲透體積重新分布，這又必將反過來對應(yīng)力場產(chǎn)生影響。

Louis[6]通過對某壩址鉆孔抽水試驗資料的分析整理，得出滲透系數(shù)與正應(yīng)力的經(jīng)驗公式為：

上式非常簡單，在滲流與應(yīng)力耦合中使用方便，被中外學(xué)者廣泛使用。人們隨后在大量裂隙應(yīng)力滲流試驗中發(fā)現(xiàn)裂隙的發(fā)育會隨著深度的增加而減小，而按照該經(jīng)驗式的關(guān)系，在半對數(shù)坐標(biāo)系中，滲透系數(shù)應(yīng)為一條直線。這說明該式只適應(yīng)于一些特定的情況，并且應(yīng)力并不是唯一影響因素。

Long[7]通過對地下洞室開挖后圍巖滲透系數(shù)變化的研究，在Louis經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上得出應(yīng)力與裂隙滲透系數(shù)的關(guān)系式為：

2 裂隙巖體滲流的基本模型

2.1 連續(xù)介質(zhì)模型

該模型認為裂隙巖體是空隙性差，導(dǎo)水性強的裂隙系統(tǒng)。該系統(tǒng)中空隙相互連通，使得水流可以分布在整個巖體介質(zhì)中。巖體裂隙度較大時，系統(tǒng)中的水位隨空間連續(xù)分布，滲流場的求解以滲透張量為基礎(chǔ)。

該模型本身簡單，僅有少數(shù)幾個參數(shù)(等效滲透系數(shù)、有效孔隙度等)是必須確定的；可以利用各向異性連續(xù)介質(zhì)理論進行分析，而不用知道每條裂隙的具體位置，對于解決不易獲得單個裂隙的工程問題有很大的價值。該模型假定地下水在巖體中的流動服從達西定律，因此它并不適用于非恒定流的分析。

2.2 雙重介質(zhì)模型

該模型認為裂隙巖體是由裂隙和孔隙組成的連續(xù)介質(zhì)。其中，裂隙導(dǎo)水，孔隙儲水，裂隙與孔隙均形成水頭，利用水頭交換公式將兩種介質(zhì)連接起來，即：

該模型適用于較大尺度的裂隙介質(zhì)滲流問題，它在一定程度上描述了裂隙介質(zhì)的滲流現(xiàn)象，并考慮了裂隙系統(tǒng)和孔隙系統(tǒng)的物質(zhì)交換，比較符合實際情況；對于從深埋千米以上的高壓裂隙儲層中采油有一定的指導(dǎo)意義。但是物質(zhì)交換系數(shù)難以確定，且對基巖大小形狀的劃分過于簡單，不能充分反映裂隙介質(zhì)的各向異性和不連續(xù)性等特征。

2.3 離散裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流模型

該模型認為巖體由單一的、按幾何形態(tài)的、有規(guī)律分布的裂隙介質(zhì)組成，而巖體中的巖塊滲透性極弱，可忽略不計。

該模型考慮了巖體中不同類型、力學(xué)性質(zhì)和規(guī)模的節(jié)理、裂隙及斷面。利用裂隙水力學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)來表征裂隙巖體內(nèi)滲透空間結(jié)構(gòu)的具體布局，充分考慮到了裂隙巖體的非均質(zhì)性和非連續(xù)性特征，能較好的描述裂隙巖體的流動特征。離散介質(zhì)模型滲流控制方程為：

其中,x,y均為局部坐標(biāo)軸；Kx，Ky分別為沿x軸,y軸的主滲透系數(shù)；p為水壓力；S為貯水系數(shù)；W為源匯項。

由上式可知，為了得到各點的實際狀態(tài)，該模型對體系中的每條裂縫都加以模擬。通過綜合整理每條裂隙的狀態(tài)進而得到裂隙共同作用時巖體的實際狀態(tài)，這樣做精度高，仿真性好，與實際情況比較接近。但是這只適合于裂隙少的情況，而當(dāng)裂隙很多時其工作量非常大。其中，二維模型相對成熟，三維問題幾乎無法實現(xiàn)。同時裂隙的分布并沒有規(guī)律，具有隨機性。因此要達到與實際裂隙系統(tǒng)相同也是十分困難的。

3 工程應(yīng)用

裂隙巖體庫岸邊坡的設(shè)計、水利水電工程、水庫蓄排水誘發(fā)地震的預(yù)測等，都必然涉及裂隙巖體的水利力學(xué)性能的研究。盡管這個問題十分復(fù)雜，但是仍然有人通過現(xiàn)有的研究成果解決了一些工程實際問題。

陳平和張有天[1]，楊延毅和周維垣[8]對重力壩壩基進行了裂隙巖體滲流二維耦合分析；陶振宇等[9]通過對水庫誘發(fā)地震的研究，提出了應(yīng)力與滲流耦合，并對應(yīng)力滲流耦合進行了分析；常曉林[10]對抽水井和壓力隧洞進行了耦合計算。

4 展望

1)不同的模型都有各自的特點，對于巖體實際情況的描述都有其各自的優(yōu)勢，但是所有模型都不能真正意義上解決工程中遇到的實際問題，因此對模型的正確理解、計算參數(shù)的合理篩選、關(guān)鍵性影響因素的確定都需進一步深入研究。

2)等效連續(xù)介質(zhì)模型是目前分析裂隙巖體滲流的主要模型，它能夠解決工程實際中的部分問題，但是對于有些問題與實際情況有很大出入。可以考慮研究兩種或多種模型的耦合，以期達到既具有真實性又具有實用性的裂隙巖體滲流耦合模型。

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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

龔章龍(1992- )，男，在讀碩士；盧 博(1991- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)36-0055-03

P584 < class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼：A

A