陳紅

摘 要：闡述了裂隙巖體滲流的研究意義，分析了國內外研究現狀，概括了研究裂隙巖體滲流的3種方法，并就3種方法作出了綜述，最后對裂隙巖體滲流的一些可待深入研究的方向進行了展望。

關鍵詞：裂隙巖體；滲流；研究方法

1 研究意義

20世紀末以來，隨著重大基礎設施項目的大力建設，如隧道、水利水電項目、國家戰(zhàn)略保護項目以及新能源的開發(fā)利用，地質巖體工程快速發(fā)展。巖體工程失事的文獻統(tǒng)計資料記載顯示：30%～40%的水電工程大壩破壞與地下水滲漏有關，而60%的礦山事故是由地下水異常作用引起的，超過90%的巖質邊坡破壞與地下水滲流壓力異常有關。其中，裂隙巖體滲流的發(fā)生經常伴隨著十分龐大的財產損失以及人員傷亡。因此，研究裂隙巖體的滲流特性具有非常重要的工程意義，同時，滲流特性的研究對于各種巖體工程的建設、環(huán)境保護和水資源的開發(fā)利用等也非常重要[1]。

2 國內外研究現狀

在過去的100年中，針對裂隙巖體滲流，國內外學者進行了大量的研究工作，獲得了一些經驗公式，并開發(fā)了一些實驗儀器。同時，專家們開展了許多關于裂隙巖體的滲流理論分析和數值計算。1856年，法國工程師拉開了國外對于裂隙巖體滲流研究的序幕，他總結了基于砂土實驗的達西定律。達西定律清楚地表明，滲流速度v與水力斜率J之間成正比，此公式后經推廣 ，被應用于其他土壤（如黏土和膨脹后的細裂縫巖體）[2]。1951年其學者進行的裂隙巖體中流體流動實驗，標志著含裂隙巖體滲流研究的開始，至今已有六十余年。還有學者將毛細管模型用于分析裂隙巖體孔隙壓力梯度的實驗數據，得到了模型結構參數、雷諾數、摩擦因子的關系式。張?zhí)燔姷劝l(fā)明了一種全新的破碎巖體三維應力滲透實驗裝置。另外，張?zhí)燔姾蜕泻椴ńY合該裝置研究了不同粒徑比、不同單軸應力條件下破碎砂巖孔隙度與滲透率特征參數之間的關系。通過分析碎石滲流系統(tǒng)的動力學方程，任金虎[3]認為碎石中的滲流具有分岔、突變和混沌等非線性動力學特征，并進行了動力學和隨機方法的研究。

3 裂隙巖體滲流研究方法

巖體裂隙分為單裂隙和裂隙網絡。巖體裂隙滲流是指水以降雨、地下水、河流等形式流動，通過裂縫滲入巖體并沿著巖體內部流動的裂隙網絡現象。綜合前輩們所做的研究，裂隙巖體滲流的研究方法包括理論分析、模型實驗和數值模擬這3種方法[4]。

3.1 理論分析

部分學者基于典型的層流理論，提出了平行板流動模型。有學者從理論上推導了平行板裂縫中牛頓流體運動的公式，并得出單寬流速與裂隙開度的三次方成正比，即在巖體裂隙滲流中所說的立方定律，用來描述滲流壓力及水流速度在裂隙中的變化規(guī)律。

裂隙中水的滲流特性滿足立方定律，但是自然界中的自然裂縫表面是粗糙的，因此，裂隙的寬度會沿途變化并且不是固定值。立方定律無法準確解釋其滲流特征。因此，有學者根據相關實驗資料推導出修正公式。有學者采用數值算法計算得到了裂隙面的經驗公式，最后通過層流狀態(tài)下粗糙裂隙面立方定律得到了一個統(tǒng)一公式。有學者采用間接耦合法建立巖體模型，通過模擬高水壓下巖石裂隙的應力場和滲流場的變化，獲得巖體的滲流特征。根據管流的定義和TAYLOR的平均水力半徑，有學者研究了堆石場非達西流的相關性，并獲得了摩擦系數與雷諾數、水力梯度和總流速之間的關系。李順才等[5]利用孔隙度控制的方法測試了破碎巖石的滲透特性。

3.2 模型實驗

3.2.1 單裂隙滲流模型

單裂隙滲流模型研究的是裂隙滲流的基本問題和理論基礎。

典型單裂隙滲流模型-格子Boltzmann模型的研究結果表明：對于粗糙裂隙面，滲流特征極大程度取決于裂隙表面形貌，隨著相對粗糙度的增加，應使用不同的裂隙粗糙面方案，根據計算出的數值結果，得到基于層流狀態(tài)下的立方定律修正公式，為以后研究復雜粗糙裂隙的水力特性奠定了一定的基礎。

3.2.2 裂隙網絡滲流模型

裂隙網絡的滲流模型包括等效連續(xù)介質滲流模型、離散介質滲流模型和雙重媒介模型。

等效連續(xù)介質滲流模型是使用最廣泛的模型。該方法最初是由Boit土壤固結理論推導出的，Boit土壤固結理論認為土壤變形是由有效應力引起的，孔隙水壓力在抑制土壤變形中起到了作用。其優(yōu)點在于：研究人員不需要知道巖體中裂隙網絡的具體分布，只需要了解巖體水力滲透系數的統(tǒng)計值，便可以獲得相應的解析解。面對一些風化嚴重、節(jié)理發(fā)育充分的巖體滲流問題，等效連續(xù)滲流模型仍然是一個不錯的選擇。但是，在模擬巖石工程中的滲流問題時，連續(xù)介質滲流模型并不適宜。

離散介質滲流模型認為，地下水僅流過裂縫表面，裂縫表面形成的網絡是唯一的水流通道。假設巖石塊不透水，滲流僅發(fā)生在巖體的裂縫內，而地下水則通過相互連接的裂縫網絡傳導。該方法已在學術界得到了廣泛的研究，因為其清楚地解釋了裂隙巖體中滲流的結構特征。離散介質滲流模型考慮了真實巖體中各個裂隙的滲流，因此，更接近于實際情況，但是在實際工程中，因為巨大的計算工作量，工作人員很難準確地建立真實的離散裂隙網絡系統(tǒng)，因此，該模型仍然難以在實際工程中推廣開來[6]。

雙重媒介模型被提出后又得到了補充和改進，比等效的連續(xù)介質模型更貼合實際。但是，其發(fā)展仍不成熟，目前，仍然存在以下問題：兩個裂縫的滲流方程不同，流量交換的確定以及大量中大型裂縫的模擬仍然需要改進。雙重媒介模型也不適用于裂隙巖體在多個尺度上顯示出很強的非均質性的情況。

3.2.3 隨機滲流模型

將實驗獲得的研究巖體的幾何分布參數和水力特性參數作為變量，根據各參數之間的相關性來考慮滲流場的隨機分布，最后獲得滲流場的分布規(guī)律。隨機滲流模型可分為等效連續(xù)介質隨機滲流模型和裂隙網格隨機滲流模型。目前，國外已經進行了很多研究，但是中國在這方面的研究很少。

3.2.4 耦合模型

由于工程開挖和施工活動，巖體中的位移場、滲流場、應力場會在發(fā)生變化的同時互相作用。在這種情況下，使用多場耦合模型進行計算是很明智的選擇?；诠探Y理論的耦合分析，有學者提出了一種四自由度全親和力法，用于滲流與應力的耦合，可以一次解決滲流場與應力場的耦合問題。美國科學家提出研究水合離散的多介質耦合模型。

在裂隙巖體滲流實驗方面，在國外，有學者率先使用單個斷裂測試樣本進行單向水流測試。結合裂縫表面的粗糙度和起伏特征，提出了層流和紊流狀態(tài)下的單一裂縫導流系數方程。有學者推導了單裂隙和平行裂隙的滲透率張量公式，并提出可以疊加多組裂隙巖體的滲透率張量。有學者發(fā)展了SNOW的理論，并研究了裂隙大小的影響。在中國，田開銘使用多裂縫管道實驗發(fā)現了交叉裂縫偏斜現象。劉繼山通過一次斷裂實驗分析了裂縫張開變形對水力傳導率的影響，提出了巖石水力傳導率和節(jié)理剛度的影響。目前，確定裂隙巖體滲透系數的實驗可大致分為3種：現場水力實驗法、裂縫測量法和組合法。

3.3 數值模擬

巖體內部滲流問題十分復雜，一般來說，基于理論分析方法通常很難獲得所需的分析解決方案。在實際的巖石工程中，周圍的環(huán)境條件通常很苛刻，并且很少有合適的測試方法和設備來完成現場巖體滲透實驗。隨著計算方法的日新月異和計算設備性能的不斷優(yōu)化，數值模擬也成為目前研究滲流問題中應用最廣泛的方法。

張辛等[7]認為，與原位實驗相比，利用數值模擬方法研究裂隙巖體滲流問題，具有高效、經濟、可重復性強等特點。根據不同的計算原理，可將目前的數值模擬法分為兩類：連續(xù)性分析法和不連續(xù)性分析法。其中，連續(xù)性分析方法常用的有有限差分法和有限單元法。不連續(xù)性分析方法主要有離散單元法（Discrete Element Method，DEM）以及非連續(xù)變形分析方法（Discontinuous Deformation Analysis，DDA）。

有限差分法是一種直接將微分問題變?yōu)榇鷶祮栴}的近似數值解法，數學概念直觀，表達簡單，是發(fā)展較早且比較成熟的數值方法。有限單元法建立模型適合處理復雜區(qū)域，模型精度可選，但是內存和計算量巨大，模型不易收斂，并且計算不如有限差分法直觀。1971年，有學者提出離散單元法，是一種顯示求解的數值方法。除了有限單元方法，該方法是用于分析材料系統(tǒng)動力學問題的另一種強大的數值計算方法。非連續(xù)變形分析方法是一種對巖體等不連續(xù)介質的數值分析方法。自引入以來，非連續(xù)變形分析方法已在巖體領域中得到了廣泛的應用，該方法也可成為水力耦合變形分析的一種有效方法[8]。

4 裂隙巖體滲流研究展望

裂隙巖體滲流問題的研究已開展多年，許多學者為此作出了大量貢獻，在方法與技術上也已經取得了大量的研究成果，且部分已用于工程實踐，奠定了堅實的基礎。但是，應用廣泛的模型實驗和數值模擬雖然簡單快捷，兩種方法的結果卻都需要用物理模型實驗來進行驗證。由于實際環(huán)境的復雜多變，測量數據的不完備以及數值模型概化難以完全匹配等問題都有可能發(fā)生，為裂隙巖體滲流問題的研究設置了難點，在此基礎上，本研究認為可以在以下幾個方面進行進一步的研究。

4.1 理論方面

一維、二維、三維計算已有不少成果，但應結合實際需要，加強三維計算的研究。

4.2 實驗方面

在實際應用中經常需要對實驗參數進行修正，以克服實驗結果離散性帶來的影響，制定一套修改這些參數的標準將是一項非常有意義的工作。

4.3 數值模擬

模型推廣與數值模擬應用中的實際問題之間的差距尚待解決，制定一套能夠滿足實際施工步驟要求并確?？焖儆嬎銛抵的M的模型建立規(guī)則十分有必要。

[參考文獻]

[1] 武娜.高陡邊坡巖體滲流演化機制初探[D].大連：大連理工大學，2014.

[2] 周海濤.裂隙巖體承壓滲流演化特征及其水力學機制研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2017.

[3] 任金虎.破裂破碎巖樣流固耦合滲透實驗研究[D].西安：西安科技大學，2015.

[4] 梁德賢.高壓滲流作用下裂隙巖體損傷演化機制研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2016.

[5] 李順才，陳占清，繆協(xié)興.破碎巖體滲流的實驗及理論研究綜述[J].山東科技大學學報（自然科學版），2008（3）：37-43.

[6] 王海龍.基巖裂隙水滲流數值模擬研究綜述[J].世界核地質科學，2012，29（2）：85-91.

[7] 張辛，于青春.二維裂隙巖體滲流數值模擬技術研究[J].江蘇建筑職業(yè)技術學院學報，2013，13（1）：25-28.

[8] 張玨.基于DDA方法的巖體裂隙滲流模擬研究[D].成都：西南交通大學，2017.