水力学论文：裂隙岩体渗流的研究方法与展望

　　摘    要：　阐述了裂隙岩体渗流的研究意义,分析了国内外研究现状,概括了研究裂隙岩体渗流的3种方法,并就3种方法作出了综述,最后对裂隙岩体渗流的一些可待深入研究的方向进行了展望。

　　关键词：　裂隙岩体; 渗流; 研究方法;

　　1、 研究意义

　　20世纪末以来,随着重大基础设施项目的大力建设,如隧道、水利水电项目、国家战略保护项目以及新能源的开发利用,地质岩体工程快速发展。岩体工程失事的文献统计资料记载显示:30%～40%的水电工程大坝破坏与地下水渗漏有关,而60%的矿山事故是由地下水异常作用引起的,超过90%的岩质边坡破坏与地下水渗流压力异常有关。其中,裂隙岩体渗流的发生经常伴随着十分庞大的财产损失以及人员伤亡。因此,研究裂隙岩体的渗流特性具有非常重要的工程意义,同时,渗流特性的研究对于各种岩体工程的建设、环境保护和水资源的开发利用等也非常重要[1]。

　　2 、国内外研究现状

　　在过去的100年中,针对裂隙岩体渗流,国内外学者进行了大量的研究工作,获得了一些经验公式,并开发了一些实验仪器。同时,专家们开展了许多关于裂隙岩体的渗流理论分析和数值计算。1856年,法国工程师拉开了国外对于裂隙岩体渗流研究的序幕,他总结了基于砂土实验的达西定律。达西定律清楚地表明,渗流速度v与水力斜率J之间成正比,此公式后经推广,被应用于其他土壤(如黏土和膨胀后的细裂缝岩体)[2]。1951年其学者进行的裂隙岩体中流体流动实验,标志着含裂隙岩体渗流研究的开始,至今已有六十余年。还有学者将毛细管模型用于分析裂隙岩体孔隙压力梯度的实验数据,得到了模型结构参数、雷诺数、摩擦因子的关系式。张天军等发明了一种全新的破碎岩体三维应力渗透实验装置。另外,张天军和尚洪波结合该装置研究了不同粒径比、不同单轴应力条件下破碎砂岩孔隙度与渗透率特征参数之间的关系。通过分析碎石渗流系统的动力学方程,任金虎[3]认为碎石中的渗流具有分岔、突变和混沌等非线性动力学特征,并进行了动力学和随机方法的研究。

　　3 、裂隙岩体渗流研究方法

　　岩体裂隙分为单裂隙和裂隙网络。岩体裂隙渗流是指水以降雨、地下水、河流等形式流动,通过裂缝渗入岩体并沿着岩体内部流动的裂隙网络现象。综合前辈们所做的研究,裂隙岩体渗流的研究方法包括理论分析、模型实验和数值模拟这3种方法[4]。

　　3.1、理论分析

　　部分学者基于典型的层流理论,提出了平行板流动模型。有学者从理论上推导了平行板裂缝中牛顿流体运动的公式,并得出单宽流速与裂隙开度的三次方成正比,即在岩体裂隙渗流中所说的立方定律,用来描述渗流压力及水流速度在裂隙中的变化规律。

　　裂隙中水的渗流特性满足立方定律,但是自然界中的自然裂缝表面是粗糙的,因此,裂隙的宽度会沿途变化并且不是固定值。立方定律无法准确解释其渗流特征。因此,有学者根据相关实验资料推导出修正公式。有学者采用数值算法计算得到了裂隙面的经验公式,最后通过层流状态下粗糙裂隙面立方定律得到了一个统一公式。有学者采用间接耦合法建立岩体模型,通过模拟高水压下岩石裂隙的应力场和渗流场的变化,获得岩体的渗流特征。根据管流的定义和TAYLOR的平均水力半径,有学者研究了堆石场非达西流的相关性,并获得了摩擦系数与雷诺数、水力梯度和总流速之间的关系。李顺才等[5]利用孔隙度控制的方法测试了破碎岩石的渗透特性。

　　3.2、模型实验

　　3.2.1、单裂隙渗流模型

　　单裂隙渗流模型研究的是裂隙渗流的基本问题和理论基础。

　　典型单裂隙渗流模型-格子Boltzmann模型的研究结果表明:对于粗糙裂隙面,渗流特征极大程度取决于裂隙表面形貌,随着相对粗糙度的增加,应使用不同的裂隙粗糙面方案,根据计算出的数值结果,得到基于层流状态下的立方定律修正公式,为以后研究复杂粗糙裂隙的水力特性奠定了一定的基础。

　　3.2.2、裂隙网络渗流模型

　　裂隙网络的渗流模型包括等效连续介质渗流模型、离散介质渗流模型和双重媒介模型。

　　等效连续介质渗流模型是使用最广泛的模型。该方法最初是由Boit土壤固结理论推导出的,Boit土壤固结理论认为土壤变形是由有效应力引起的,孔隙水压力在抑制土壤变形中起到了作用。其优点在于:研究人员不需要知道岩体中裂隙网络的具体分布,只需要了解岩体水力渗透系数的统计值,便可以获得相应的解析解。面对一些风化严重、节理发育充分的岩体渗流问题,等效连续渗流模型仍然是一个不错的选择。但是,在模拟岩石工程中的渗流问题时,连续介质渗流模型并不适宜。

　　离散介质渗流模型认为,地下水仅流过裂缝表面,裂缝表面形成的网络是唯一的水流通道。假设岩石块不透水,渗流仅发生在岩体的裂缝内,而地下水则通过相互连接的裂缝网络传导。该方法已在学术界得到了广泛的研究,因为其清楚地解释了裂隙岩体中渗流的结构特征。离散介质渗流模型考虑了真实岩体中各个裂隙的渗流,因此,更接近于实际情况,但是在实际工程中,因为巨大的计算工作量,工作人员很难准确地建立真实的离散裂隙网络系统,因此,该模型仍然难以在实际工程中推广开来[6]。

　　双重媒介模型被提出后又得到了补充和改进,比等效的连续介质模型更贴合实际。但是,其发展仍不成熟,目前,仍然存在以下问题:两个裂缝的渗流方程不同,流量交换的确定以及大量中大型裂缝的模拟仍然需要改进。双重媒介模型也不适用于裂隙岩体在多个尺度上显示出很强的非均质性的情况。

　　3.2.3、随机渗流模型

　　将实验获得的研究岩体的几何分布参数和水力特性参数作为变量,根据各参数之间的相关性来考虑渗流场的随机分布,最后获得渗流场的分布规律。随机渗流模型可分为等效连续介质随机渗流模型和裂隙网格随机渗流模型。目前,国外已经进行了很多研究,但是中国在这方面的研究很少。

　　3.2.4、耦合模型

　　由于工程开挖和施工活动,岩体中的位移场、渗流场、应力场会在发生变化的同时互相作用。在这种情况下,使用多场耦合模型进行计算是很明智的选择。基于固结理论的耦合分析,有学者提出了一种四自由度全亲和力法,用于渗流与应力的耦合,可以一次解决渗流场与应力场的耦合问题。美国科学家提出研究水合离散的多介质耦合模型。

　　在裂隙岩体渗流实验方面,在国外,有学者率先使用单个断裂测试样本进行单向水流测试。结合裂缝表面的粗糙度和起伏特征,提出了层流和紊流状态下的单一裂缝导流系数方程。有学者推导了单裂隙和平行裂隙的渗透率张量公式,并提出可以叠加多组裂隙岩体的渗透率张量。有学者发展了SNOW的理论,并研究了裂隙大小的影响。在中国,田开铭使用多裂缝管道实验发现了交叉裂缝偏斜现象。刘继山通过一次断裂实验分析了裂缝张开变形对水力传导率的影响,提出了岩石水力传导率和节理刚度的影响。目前,确定裂隙岩体渗透系数的实验可大致分为3种:现场水力实验法、裂缝测量法和组合法。

　　3.3、数值模拟

　　岩体内部渗流问题十分复杂,一般来说,基于理论分析方法通常很难获得所需的分析解决方案。在实际的岩石工程中,周围的环境条件通常很苛刻,并且很少有合适的测试方法和设备来完成现场岩体渗透实验。随着计算方法的日新月异和计算设备性能的不断优化,数值模拟也成为目前研究渗流问题中应用最广泛的方法。

　　张辛等[7]认为,与原位实验相比,利用数值模拟方法研究裂隙岩体渗流问题,具有高效、经济、可重复性强等特点。根据不同的计算原理,可将目前的数值模拟法分为两类:连续性分析法和不连续性分析法。其中,连续性分析方法常用的有有限差分法和有限单元法。不连续性分析方法主要有离散单元法(Discrete Element Method,DEM)以及非连续变形分析方法(Discontinuous Deformation Analysis,DDA)。

　　有限差分法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法,数学概念直观,表达简单,是发展较早且比较成熟的数值方法。有限单元法建立模型适合处理复杂区域,模型精度可选,但是内存和计算量巨大,模型不易收敛,并且计算不如有限差分法直观。1971年,有学者提出离散单元法,是一种显示求解的数值方法。除了有限单元方法,该方法是用于分析材料系统动力学问题的另一种强大的数值计算方法。非连续变形分析方法是一种对岩体等不连续介质的数值分析方法。自引入以来,非连续变形分析方法已在岩体领域中得到了广泛的应用,该方法也可成为水力耦合变形分析的一种有效方法[8]。

　　4 、裂隙岩体渗流研究展望

　　裂隙岩体渗流问题的研究已开展多年,许多学者为此作出了大量贡献,在方法与技术上也已经取得了大量的研究成果,且部分已用于工程实践,奠定了坚实的基础。但是,应用广泛的模型实验和数值模拟虽然简单快捷,两种方法的结果却都需要用物理模型实验来进行验证。由于实际环境的复杂多变,测量数据的不完备以及数值模型概化难以完全匹配等问题都有可能发生,为裂隙岩体渗流问题的研究设置了难点,在此基础上,本研究认为可以在以下几个方面进行进一步的研究。

　　4.1、理论方面

　　一维、二维、三维计算已有不少成果,但应结合实际需要,加强三维计算的研究。

　　4.2、实验方面

　　在实际应用中经常需要对实验参数进行修正,以克服实验结果离散性带来的影响,制定一套修改这些参数的标准将是一项非常有意义的工作。

　　4.3、数值模拟

　　模型推广与数值模拟应用中的实际问题之间的差距尚待解决,制定一套能够满足实际施工步骤要求并确保快速计算数值模拟的模型建立规则十分有必要。

　　参考文献

　　[1]武娜.高陡边坡岩体渗流演化机制初探[D].大连:大连理工大学,2014.
　　[2]周海涛.裂隙岩体承压渗流演化特征及其水力学机制研究[D].徐州:中国矿业大学,2017.
　　[3] 任金虎.破裂破碎岩样流固耦合渗透实验研究[D].西安:西安科技大学,2015.
　　[4]梁德贤.高压渗流作用下裂隙岩体损伤演化机制研究[D].徐州:中国矿业大学,2016.
　　[5]李顺才,陈占清,缪协兴.破碎岩体渗流的实验及理论研究综述[J].山东科技大学学报(自然科学版),2008(3):37-43.
　　[6]王海龙.基岩裂隙水渗流数值模拟研究综述[J].世界核地质科学,2012,29(2):85-91.
　　[7]张辛,于青春.二维裂隙岩体渗流数值模拟技术研究[J].江苏建筑职业技术学院学报,2013,13(1):25-28.
　　[8]张珏.基于DDA方法的岩体裂隙渗流模拟研究[D].成都:西南交通大学,2017.