巖石力學(xué)PAGEPAGE5裂隙巖體的滲流特性試驗及理論研究方法摘要：簡要敘述巖體裂隙的幾何特性，巖石裂隙滲流特性研究的方法。綜述了國內(nèi)外裂隙巖體單裂隙、水力耦合、非飽和情況下的滲流特性物模試驗研究成果，并做了相應(yīng)的分析和討論。分析表明：物模試驗在研究裂隙巖體滲流特性方面具有不可替代的作用；需要進行更多的模擬實際巖體裂隙的試驗；真正意義上的非飽和滲流試驗還很少；分析結(jié)果為今后的裂隙巖體滲流特性物模試驗研究提供了有益的方向。關(guān)鍵詞：裂隙巖體；滲流；單一裂隙；水力耦合；非飽和一前言新中國成立以后，交通、能源、水利水電與采礦工程各個領(lǐng)域遇到了許多與工程地質(zhì)及巖土力學(xué)密切相關(guān)的技術(shù)難題，在許多巖土工程、礦山工程及地球物理勘探過程中，巖體的滲透率起到十分重要的作用，但在理論上尚未引起足夠的重視，通常將巖體滲流處理為砂土一樣的多孔介質(zhì)，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法求解。與孔隙滲流的多孔介質(zhì)相比，裂隙巖體滲流的特點有：滲透系數(shù)的非均勻性十分突出；滲透系數(shù)各向異性非常明顯；應(yīng)力環(huán)境對巖體滲流場的影響顯著；巖體滲透系數(shù)的影響因素復(fù)雜，影響因子難以確定。巖石裂隙滲流特性研究的方法通常有直接試驗法、公式推導(dǎo)法和概念模型法，而試驗研究是其中一個最重要最直接的途徑。本文介紹了當(dāng)前裂隙巖體滲流試驗研究。二巖體裂隙的幾何特性巖體的節(jié)理裂隙及空隙是地下水賦存場所和運移通道。巖體節(jié)理裂隙的分布形狀、連通性以及空隙的類型，影響巖體的力學(xué)性質(zhì)和巖體的滲透特性。巖體中節(jié)理的空間分布取決于產(chǎn)狀、形態(tài)、規(guī)模、密度、張開度和連通性等幾何參數(shù)。天然節(jié)理裂隙的表面起伏形態(tài)非常復(fù)雜，但是從地質(zhì)力學(xué)成因分析，巖體總是受到張拉、壓扭、剪切等應(yīng)力作用形成裂隙，這種作用不論經(jīng)歷多少次的改造，其結(jié)構(gòu)特征仍以一定的形貌保留下來，具有一定的規(guī)律性。裂隙面形態(tài)特征的研究越來越受到重視，在確定裂隙面的導(dǎo)水性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)方面，其作用越來越大。裂隙面的產(chǎn)狀是描述裂隙面在三維空間中方向性的幾何要素，它是地質(zhì)構(gòu)造運動的果，因而具有一定的規(guī)律性，即成組定向，有序分布。裂隙面的間距和密度是表示巖體中裂隙發(fā)育密集程度的指標。在表征巖體完整性、強度、變形以及在滲透張量計算中都需要用到裂隙面的間距和密度。裂隙面間距是指同一組裂隙在法線上兩相鄰面間的距離，常用S表示。對同一組裂隙一般認為裂隙間距相等。在實際野外測量中，布置一條測線，應(yīng)盡量使測線與裂隙組走向垂直。分組逐條測量裂隙與裂隙之間的距離，即可求出裂隙組的平均間距。裂隙面的密度按物理意義魄不同可分為三種：線密度、面密度和體密度。三裂隙巖體滲流試驗研究20世紀60年代以來，裂隙巖體滲流的研究逐步發(fā)展，已有不少結(jié)果。1856年法國工程師達西（Darcy）通過實驗所建立的達西線性滲流定律直今仍是研究滲流的基礎(chǔ)。表達式：其中，是滲流速度；j是水力梯度。它表示滲流速度和水力梯度呈直線關(guān)系，負號表示滲流速度方向與水力梯度方向相反。巖體單裂隙滲流物模試驗研究單一裂隙是構(gòu)成裂隙網(wǎng)絡(luò)的基本元素，所以研究其滲流基本規(guī)律是巖體水力學(xué)的基本任務(wù)。對該問題的研究主要是以平行板間的定常層流為基礎(chǔ),由裂隙流體為不可壓縮、粘性及水流為層流的假定，模擬巖體裂隙為兩片光滑、平直、無限長的平行板構(gòu)成，可以推導(dǎo)出巖體裂隙巖體滲流研究的基本理論——立方定理。其表達式為(1)式中——q為裂隙內(nèi)的單寬流量（）；e為裂寬（L）；J為裂隙內(nèi)水力梯度的大??；v水的動力黏度（）。Lomize、Louis等進行了單一裂隙水流實驗，證明層流時立方定理的有效性。Romm通過對微裂隙和極微裂隙的研究，提出了只要裂隙寬大于0．2μm，立方定理是成立的。天然巖體裂隙均為粗糙裂隙，很難滿足平行板裂隙的假定。許多學(xué)者進行了仿天然裂隙的試驗研究，對立方定理提出了各種各樣的修正。對仿天然裂隙的試驗研究，對立方定理建立如下修正公式：（2）式中——為平均隙寬；為立方定理的修正系數(shù)。與裂隙面的粗糙度及隙寬情況有關(guān)。Barton通過大量試驗，提出JRC(節(jié)理粗糙度系數(shù))修正法，將等效水力隙寬e與力學(xué)隙寬e聯(lián)系起來。在立方定理中裂隙寬度采用等效水力隙寬：（3）式中——JRC表示節(jié)理粗糙度系數(shù)耿克勤根據(jù)人工、天然光滑和粗糙裂隙的試驗結(jié)果提出經(jīng)驗公式為（4）對于小開度裂隙層流，1．7≤≤3．0；對于中開度，0．8≤，z≤1．4；對于大開度，0．3≤，z≤0．48。Nolte經(jīng)驗公式為（5）式中n隨隙寬的變化范圍為7．6～9．8。目前，天然粗糙裂隙滲流的基本規(guī)律還沒有得到完全統(tǒng)一的認識，滲流量與隙寬之間明顯存在3種不同的關(guān)系?？蓺w納為立方定律、超立方定律和次立方定律。針對不同修正方法之間存在的較大差異，甚至截然相反的兩種關(guān)系，通過多種裂隙試件的滲流試驗，表明其中可能存在一個臨界問題，吻合裂隙試件符合次立方定理，非吻合試件遵循超立方定理。裂隙巖體水力耦合物模試驗研究由于通過裂隙的流量與其裂隙開度的立方關(guān)系成正比，而開度又受裂隙應(yīng)力環(huán)境的影響，因此，實際裂隙的水力傳導(dǎo)系數(shù)試驗必須引入應(yīng)力環(huán)境因素，即裂隙法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力與開度的函數(shù)關(guān)系，從而確立應(yīng)力與裂隙水力傳導(dǎo)系數(shù)的關(guān)系。通過耦合節(jié)理裂隙力學(xué)開度的變化和水力學(xué)開度的變化，可實現(xiàn)節(jié)理裂隙的水力學(xué)耦合。學(xué)者們沿著不同的思路對比進行研究。C.Louis首先對單裂隙面滲流與應(yīng)力的關(guān)系進行了探索性的試驗研究，提出了指數(shù)型的經(jīng)驗公式：（6）式中：為裂隙水力傳導(dǎo)系數(shù)，為初始水力傳導(dǎo)系數(shù)，a為常數(shù)，為法向應(yīng)力。F.O.Jones針對碳酸鹽類建議了對數(shù)型的巖石裂隙水力傳導(dǎo)系數(shù)經(jīng)驗公式：（7）式中：p為法向有效壓力，為使fK=0時的閉合法向有效壓力，為試驗常數(shù)。R.Nelson提出Navajo砂巖裂隙滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式：（8）式中：A，B，n均為常數(shù)。R.L.Kranz等得出Barre花崗巖的裂隙滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式：(9)式中：A為過水面積，為總壓力，為內(nèi)部孔隙水壓力，n為常數(shù)。J.E.Gale對花崗巖、大理巖、玄武巖3種巖體裂隙的室內(nèi)試驗，得出經(jīng)驗公式為(10)式中：b為常數(shù)。顯然，上述的經(jīng)驗公式都揭示出裂隙的透水性隨著法向應(yīng)力的增加而減小，是符合實際的，但它們所反映的減小程度不一樣，式(8)～(10)反映出滲透性隨著應(yīng)力的增加而衰減很快，最后趨近于0，而實際上滲透性不可能達到0，這一點已被Iwai所證實。Iwai通過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力達到20MPa時，裂隙巖體的力學(xué)特性已接近于完整巖塊，但其滲透性遠遠大于完整巖塊。R.Nelson提出的公式反應(yīng)這一點，因此，式(8)更為合理。為了更好地解釋應(yīng)力作用對裂隙面滲透性的影響機制，學(xué)者們還試圖提出某種理論模型。A.F.Gangi首先提出釘床模型，將裂隙面上的凸起比擬成具有一定概率分布形式的釘狀物，并以釘狀物的壓縮來反映應(yīng)力對滲流的影響；J.B.Walsh則將為描述裂隙力學(xué)變形性質(zhì)提出的洞穴模型進行了推廣，用來描述應(yīng)力對裂隙面的滲流特性的影響。但這兩種模型具有一定的局限性，不能兼顧解釋高應(yīng)力下裂隙面的滲流、力學(xué)性質(zhì)。于是Y.W.Tsang和P.A.Witherspoon在上述兩種模型的基礎(chǔ)上進一步提出了洞穴–凸起結(jié)合模型，這一模型將裂隙面看作是由兩壁面凸起的接觸面與接觸面之間的洞穴構(gòu)成的集合體，以洞穴模型反應(yīng)裂隙面的變形性質(zhì)，以凸起模型反應(yīng)裂隙面的滲流性質(zhì)，認為隨著應(yīng)力的增加，不僅引起洞穴直接減小，而且引起凸起接觸面積的增加；在高應(yīng)力下，裂隙上的洞穴平均直徑已經(jīng)減小到一定程度，使得洞穴的形狀由長形變成球形，接近于巖塊中的孔隙形狀，因此其力學(xué)性質(zhì)也接近于巖塊，但其滲透性卻與裂隙面上凸起的接觸面積有關(guān)，在高應(yīng)力下裂隙面并不能完全閉合，還存在著滲流通道，因此其滲透性大于完整巖塊。3、裂隙巖體非飽和滲流物模試驗研究由于非飽和水力參數(shù)難以測量和確定，國內(nèi)在9O年代也開始了這方面的研究。所做的工作主要集中在單裂隙非飽和滲流機理的研究和非飽和水力參數(shù)的確定方面。目前大多通過水．油擬穩(wěn)態(tài)驅(qū)替試驗和二相流試驗來研究單裂隙非飽和滲流的機理和測定單裂隙非飽和水力參數(shù)。Persof和Pruess通過天然凝灰?guī)r裂隙的水氣二相流試驗和多孔介質(zhì)的擬合模型得出了相對滲透系數(shù)．飽和度的經(jīng)驗關(guān)系式：（11）式中K為水相的相對滲透系數(shù)；為束縛水飽和度；為殘余氣飽和度。孫役等進行了不同隙寬、不同飽和水位、不同降雨強度下的一系列非飽和滲流模擬試驗，建立了裂隙隙寬與毛細壓力、飽和度與毛細壓力、裂隙隙寬與飽和度以及毛細壓力與非飽和滲透系數(shù)之間的試驗關(guān)系。飽和度與毛細壓力的關(guān)系為：（12）式中S為飽和度；h為毛細壓力；a，b均為擬合參數(shù)。毛細壓力與非飽和滲透系數(shù)的關(guān)系為：（13）式中K為非飽和滲透系數(shù)；為飽和滲透系數(shù)；a為毛細作用引起的滲透性衰減系數(shù)；a，b均為擬合參數(shù)。由于物模試驗中水相的飽和度很難確定，很多學(xué)者致力于數(shù)值模擬法和數(shù)學(xué)推導(dǎo)法，但物模試驗法在研究裂隙非飽和滲流特性和機理方面具有不可替代的地位。另外，數(shù)值試驗法和數(shù)學(xué)推導(dǎo)法中所作的假定需由物模試驗來檢驗。只要測量準確，用物模試驗法所建立的毛細壓力一飽和度和相對滲透系數(shù)一飽和度(或毛細壓力)關(guān)系應(yīng)比另外兩種方法更符合實際。四裂隙巖體滲流理論展望巖石裂隙滲流特性研究的方法通常有直接試驗法、公式推導(dǎo)法和概念模型法，而試驗研究是其中一個最重要最直接的途徑。通過對已有的研究成果的綜述分析，得出如下結(jié)論：(1)單裂隙滲流特性研究是裂隙巖體滲流研究的基礎(chǔ)，其在實際工程中應(yīng)用方法還需要進一步的深入研究。(2)法向變形的增加在多數(shù)情況下引起滲透系數(shù)的減小，但是剪切變形對滲透性的影響有著較復(fù)雜的變化關(guān)系。剪切應(yīng)力對斷裂節(jié)理滲透性的影響依靠剪切位移大小、節(jié)理表面形狀和粗糙面剪切破壞。由于重力的作用，事實上，巖石節(jié)理面上都有法向荷載的作用。因此，在給定的外部荷載和邊界條件下，常常難以孤立地考查剪切應(yīng)力對滲透性的影響。通常的試驗研究都是在法向荷載和剪切荷載聯(lián)合作用下進行的。(3)研究巖體裂隙中的溶質(zhì)運移和滲流問題，為污染物運移預(yù)測和控制提供科學(xué)依據(jù)。這是一個新興的方向，在國內(nèi)外已成為熱點問題，這方面的物模試驗也是鮮見。（4）由于滲流問題的復(fù)雜性，用純粹的解析方法很難求解，應(yīng)大力發(fā)展具有巖石滲流特色及流固耦合的數(shù)值分析方法。雖然巖石力學(xué)中的非線性有限元分析技術(shù)十分完善，流體力學(xué)中的CFD方法的成果十分驚人，盡管ALE技術(shù)提供一個將固體中常用的拉氏系和流體中常用的歐拉系相聯(lián)系，但真正將兩種方法結(jié)合求解非線性耦合問題，其任務(wù)十分艱巨。參考文獻[1]蔣宇靜,李博,王剛,李術(shù)才巖石裂隙滲流特性試驗研究的新進展巖石力學(xué)與工程學(xué)報200827（12）：2377-2385[2]趙延林裂隙巖體滲流—損傷—斷裂耦合理論及應(yīng)用研究中南大學(xué)2009[3]孫玉杰，徐棟棟，樊棟，武濤裂隙巖體滲透性影響因素的研究探礦工程201138(3):76-80[4]周維垣楊強編著楊若瓊劉耀儒林鵬巖石力學(xué)數(shù)值計算方法2005：448-484[5]張文杰，周創(chuàng)兵，李俊平，李向陽裂隙巖體滲流特性物模試驗研究進展巖土力學(xué)200526(9):1517-1524[6]蔣中明，馮樹榮，陳勝宏，張新敏裂隙巖體高壓壓水試驗水-巖耦合過程數(shù)值模擬巖土力學(xué)201132(8):2500-