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(chǎng)對(duì)滲流的控制作用、滲流對(duì)巖體的作用機(jī)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(gè)基本模型的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，為合理選取裂隙巖體滲流計(jì)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(chǎng)和滲流場(chǎng)相互影響，對(duì)各類巖體工程(邊坡、地下洞室等)的設(shè)計(jì)施工以及工程運(yùn)營(yíng)時(shí)的穩(wěn)定性有著極大的制約。20世紀(jì)初期，人們對(duì)裂隙巖體滲流問題的處理仍簡(jiǎn)單套用孔隙介質(zhì)滲流理論，這直接導(dǎo)致了1959年法國(guó)馬爾帕賽特拱壩潰壩，并造成了大量的人員傷亡。通過對(duì)該壩潰壩原因的分析，人們逐漸開始對(duì)裂隙巖體滲流問題進(jìn)行研究。

1 裂隙巖體的三個(gè)主要問題

1.1 巖體應(yīng)力場(chǎng)對(duì)滲流的影響

巖體應(yīng)力場(chǎng)主要是通過改變巖體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)對(duì)滲流產(chǎn)生影響。因?yàn)閹r體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面對(duì)應(yīng)力狀態(tài)改變特別敏感，應(yīng)力的改變會(huì)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(yàn)進(jìn)行了單裂隙滲流問題的研究，得出單裂隙巖石中地下水運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)隙寬是隨機(jī)分布的變量，并不是一個(gè)定量。

陳平，張有天[1]通過對(duì)裂隙巖體滲流與應(yīng)力耦合實(shí)驗(yàn)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(shí)的新的等效水力隙寬是未知量這種情況，更加接近實(shí)際。

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

1.2 滲流對(duì)巖體的影響

滲流對(duì)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(duì)地下水的物理、力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)組分進(jìn)行了改變。

Louis[3]認(rèn)為滲透壓力對(duì)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(dòng)水壓力。其中靜水壓力會(huì)使巖體的有效應(yīng)力減小從而導(dǎo)致巖體的強(qiáng)度降低；而切向力和動(dòng)水壓力則會(huì)使巖體的抗剪強(qiáng)度降低。

梁堯詞[4](1988)和段小寧等[5](1982)通過試驗(yàn)得出動(dòng)水壓力會(huì)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(dòng)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(duì)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(dá)了各種同級(jí)別制造任務(wù)之間關(guān)聯(lián)信息的程度，參考文獻(xiàn)[21]提出的活動(dòng)單元關(guān)聯(lián)任務(wù)控制數(shù)目的計(jì)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(chǎng)與滲流場(chǎng)的相互影響很大。應(yīng)力場(chǎng)通過應(yīng)力作用對(duì)滲流產(chǎn)生影響，會(huì)使得滲透體積重新分布，這又必將反過來對(duì)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響。

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

上式非常簡(jiǎn)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)裂隙的發(fā)育會(huì)隨著深度的增加而減小，而按照該經(jīng)驗(yàn)式的關(guān)系，在半對(duì)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(duì)地下洞室開挖后圍巖滲透系數(shù)變化的研究，在Louis經(jīng)驗(yàn)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(rèn)為裂隙巖體是空隙性差，導(dǎo)水性強(qiáng)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(gè)巖體介質(zhì)中。巖體裂隙度較大時(shí)，系統(tǒng)中的水位隨空間連續(xù)分布，滲流場(chǎng)的求解以滲透張量為基礎(chǔ)。

該模型本身簡(jiǎn)單，僅有少數(shù)幾個(gè)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(jìn)行分析，而不用知道每條裂隙的具體位置，對(duì)于解決不易獲得單個(gè)裂隙的工程問題有很大的價(jià)值。該模型假定地下水在巖體中的流動(dòng)服從達(dá)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(rèn)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(chǔ)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(shí)際情況；對(duì)于從深埋千米以上的高壓裂隙儲(chǔ)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(duì)基巖大小形狀的劃分過于簡(jiǎn)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(rèn)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(jì)。

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(dòng)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(xiàng)。

由上式可知，為了得到各點(diǎn)的實(shí)際狀態(tài)，該模型對(duì)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(jìn)而得到裂隙共同作用時(shí)巖體的實(shí)際狀態(tài)，這樣做精度高，仿真性好，與實(shí)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(shí)其工作量非常大。其中，二維模型相對(duì)成熟，三維問題幾乎無法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)裂隙的分布并沒有規(guī)律，具有隨機(jī)性。因此要達(dá)到與實(shí)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(kù)岸邊坡的設(shè)計(jì)、水利水電工程、水庫(kù)蓄排水誘發(fā)地震的預(yù)測(cè)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(gè)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(shí)際問題。

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

4 展望

1)不同的模型都有各自的特點(diǎn)，對(duì)于巖體實(shí)際情況的描述都有其各自的優(yōu)勢(shì)，但是所有模型都不能真正意義上解決工程中遇到的實(shí)際問題，因此對(duì)模型的正確理解、計(jì)算參數(shù)的合理篩選、關(guān)鍵性影響因素的確定都需進(jìn)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(shí)際中的部分問題，但是對(duì)于有些問題與實(shí)際情況有很大出入?？梢钥紤]研究?jī)煞N或多種模型的耦合，以期達(dá)到既具有真實(shí)性又具有實(shí)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A