裂隙岩体渗流模型综述

系统综述了裂隙岩体渗流分析的各类模型,从各类模型所反映的渗透机理出发,阐明了它们的优缺点和适用条件及其工程应用情况。集等效连续介质模型和离散裂隙网络模型优点的等效-离散耦合模型是有实用前景的裂隙渗流模型。     

岩体裂隙结构模型及其渗流规律研究

通过对岩体裂隙结构特征的分析,应用随机原理模拟生成岩体裂隙的结构及形态。最后结合渗流过程分析,得出工程岩体中裂隙赋存状态对渗流过程的影响。     

粗糙岩石裂隙低速非线性渗流模型及试验验证

岩体粗糙裂隙非线性渗透特性是岩体渗流研究的重要课题。针对Javadi所提T模型中亚裂隙中速度恒定这一假设的不足,将其修正为速度与开度成正比的经验关系,考虑黏性压降和局部压降,提出了新的低速下粗糙裂隙非线性渗流模型（MT模型）。为了验证MT模型的正确性,对5种不同粗糙裂隙进行了低流量的饱和渗流试验,将现有模型及MT模型的预测值与试验结果进行对比,分析表明MT模型与试验结果更为吻合,且模型适用于粗糙性系数JRC≤10的低粗糙度裂隙,雷诺数小于1 000的低流速情况。对MT模型进行分析,初步揭露了粗糙裂隙的非线性渗流机制,即小雷诺数下的Darcy流和大雷诺数下的Forchheimer流,并用临界雷诺数区分两种流动行为。分析了裂隙的粗糙度和开度对非线性渗流特性的影响,表明裂隙越粗糙或开度越小,则临界雷诺数越小,非线性作用将越强。提出了临界雷诺数与水力开度和绝对粗糙度的经验关系式,同时指出该关系式适用于JRC≤10的低粗糙度裂隙。     

岩体多重裂隙网络渗流模型研究

将岩体中的各种裂隙和孔隙按规模和渗透性分为4级处理,即一级真实裂隙网络、二级随机裂隙网络、三级等效连续介质体系和四级连续介质体系。各级裂隙(孔隙)都形成各自的裂隙网络,并以水量平衡原理为基础建立各级裂隙网络之间的联系,组合形成岩体多重裂隙网络渗流模型,从而较全面地反映了地下水在岩体中的运动规律,并进行了工程实例分析。      

裂隙岩体非线性渗流特性分析

开展了不同围压下的裂隙岩体渗流试验,提出了一种简单的裂隙隙宽测量方法,并研究了渗流过程裂隙的变形特征;基于Forchheimer非线性渗流方程,计算了非线性系数及渗透率,分析了围压与非线性系数及渗透率的关系。研究结果表明,随着围压增大,岩样的渗透率减小,非线性渗流系数增大;裂隙粗糙度越大,越容易引起非线性渗流;裂隙水力开度与力学开度随围压变化趋势一致,水力开度约为力学开度的5%。     

裂隙岩体渗流-应力耦合等效渗流阻模型

针对含区域主干裂隙岩体在应力作用下的渗透特性进行了研究。运用单裂隙平行板渗流理论、弹性力学方法,结合模拟电路知识,提出等效渗流阻的概念。在分析裂隙岩体区域中主干裂隙系统几何构造的基础上,建立了基于等效渗流阻的- 渗流-应力耦合模型,得到了裂隙岩体等效渗流阻、渗透率与应力之间的关系,从而为研究含区域主干裂隙岩体的应力-渗流耦合规律提供了方便。结合一个基于等效渗流阻模型的算例,考察了含“人”字形组合裂隙试样的渗透特性。经进一步细化后,该模型可用于分析地应力作用下的含区域主干裂隙岩体渗流演化规律。     

岩体裂隙网络非线性渗流特性研究

基于人工交叉裂隙模型,通过室内透水试验,利用电荷耦合元件（CCD）照相机可视化技术,对流体在裂隙交叉点内的非线性流动特性进行研究。建立两种离散裂隙网络（DFN）模型,考虑两种边界条件,改变模型进口和出口之间的压力,直接求解Navier-Stokes（简称N-S）方程,对DFN的非线性渗流特性进行研究。结果表明,室内试验可以观测到与出口3相连的裂隙单元内发生了明显的非线性流动,且通过模型的流量Q和模型两端的压力P具有非线性关系。数值计算结果也表明,在水力梯度J较大时（比如J > 0.1）,通过DFN的Q和P具有非线性关系,而当J较小时（比如J < 10-4）,Q与P线性相关;根据文中的算例,建议利用局部立方定律求解DFN内每条裂隙的渗流特性的临界条件为J ≤10-4;裂隙表面粗糙会造成通过DFN渗流量的降低,但对相对流量误差的影响可忽略不计。     

裂隙岩体非饱和渗流的分形模型

基于毛细吸持理论和Sierpinski空间的假定,建立了用分维数表示的毛细压力-有效饱和度及毛细压力-相对渗透系数关系的裂隙岩体非饱和渗流分形模型。根据Monte-Carlo模拟技术由平硐资料生成三维裂隙网络,利用盒维数方法计算裂隙岩体体积分维数。探讨了分维数与裂隙渗透率的关系。结合糯扎渡水利工程实例,将模型计算结果与Brook-Corey模型对比,结果表明相对渗透率主要受最大裂隙开度的影响,当裂隙开度范围不大时,分形模型可较好描述岩体裂隙的毛细压力与有效饱和度的关系。当裂隙开度范围较大时, ,忽略最大裂隙开度,模型可以等价于Brook-Corey模型。     

岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型

岩体系统具有复杂的结构。一般认为，岩体系统是非均质各向异性不连续的多相介质体系。当岩体以裂隙为主，且其分布较密集时，可将岩体系统看作等效连续多相介质体系。本文运用等效连续介质理论，提出了两种岩体裂隙系统渗流场与应力场耦合模型：一是以渗透水压力与隙变形关系、应力与渗透系统数关系为基础，建立渗透系数张量计算公式，进而建立等效效连续介质渗流为数学模型。以裂隙岩体应变张量分析为基础，建立裂隙岩体效应力张量     

裂隙岩体渗流模型研究现状与展望

裂隙岩体渗流对于边坡、地下工程及基础岩土体的承载能力有显著的制约作用。本文简要地介绍了多种裂隙岩体渗流模型研究现状,评述了几类比较有代表性的渗流模型特点以及存在的不足,为选取合理的数学模型用于求解具体的裂隙岩体渗流问题提供了参考依据,并在上述基础上提出了一些需要进一步研究的问题。指出就目前应用最为广泛的等效连续介质模型而言,裂隙岩体几何参数、有效孔隙度以及等效渗透张量的确定仍有待于更深入的研究,而从细观力学结构入手研究渗流耦合模型将具有重大的理论意义和实用价值。     

三维裂隙岩体渗流耦合模型及其有限元模拟

本文简述了裂隙岩体渗流两类基本模型──等效连续介质模型和离散介质模型的基本理论及其有限元模拟，讨论了两类模型的优缺点，并研究了等效连续介质模型的适用性．本文基于水头连续、结点流量平衡的原则，提出了结合上述两种基本模型优点的耦合模型，给出了相应的有限元计算格式．计算实例表明，该模型是合理、可行的，具有很强的实用价值。     

基于离散裂隙网络模型的裂隙水渗流计算

离散裂隙网络模型(Discrete Fracture Network（DFN）)是研究裂隙水渗流最为有效的手段之一。文章根据裂隙几何参数和水力参数的统计分布,利用Monte Carlo随机模拟技术生成二维裂隙网络,基于图论无向图的邻接矩阵判断裂隙网络的连通,利用递归算法提取出裂隙网络的主干网或优势流路径。基于立方定律和渗流连续性方程,利用数值解析法建立了二维裂隙网络渗流模型,分析不同边界条件下裂隙网络中的流体流动。结果表明,该方法可以模拟区域宏观水力梯度和边界条件下,裂隙网络水力梯度方向总的流量,以及节点的水位、节点间的流量和流动方向的变化特征,为区域岩溶裂隙水渗流计算提供了一种实用、可行的方法。      

三维裂隙岩体渗流耦合模型及其有限元模拟

本文简述了裂隙岩体渗流两类基本模型──等效连续介质模型和离散介质模型的基本理论及其有限元模拟,讨论了两类模型的优缺点,并研究了等效连续介质模型的适用性．本文基于水头连续、结点流量平衡的原则,提出了结合上述两种基本模型优点的耦合模型,给出了相应的有限元计算格式．计算实例表明,该模型是合理、可行的,具有很强的实用价值。     

应用化学动力学求解裂隙-岩溶介质渗流参数

裂隙-岩溶介质渗流参数的确定问题是制约渗流计算精确度的重要因素,目前求解裂隙-岩溶介质渗透参数的方法如几何形态法、现场测试法和反馈分析法等都各有局限。笔者试图将化学动力学理论引入裂隙-岩溶介质渗流参数分析计算中,研究一种有效的适合岩溶地区裂隙岩体渗流运动特点的间接参数求解方法。工程实践证明：用水化学动力学方法求解碳酸盐岩裂隙渗流参数是可行的,它具有一定的实用价值。     

岩体裂隙网络非线性非立方渗流研究与应用

裂隙岩体渗流与岩体其他分析密切相关。岩体裂隙网络渗流理论最初主要是建立在线性立方定律的基础基上的,当裂隙水头较大或者流速较大时,裂隙水流不再满足线性立方定律,此时如仍用线性立方水流分析,无疑将会给渗流分析带来较大的误差,甚至引起工程事故。当裂隙水流不满足线性立方定律时,研究这种渗流自身的规律则是非常重要的,也是必要的。通过研究裂隙网络稳定和非稳定情况下的非线性渗流、非立方渗流规律,得出以下结论：①当渗流规律偏离线性渗流较远时,按非线性渗流计算出的水头分布和流量与线性渗流相差较大;当偏离不远时,计算出的水头分布和流量与线性渗流相差较小,可近似简化为线性渗流分析;②当渗流偏离立方渗流较远时,按非立方渗流计算出的水头分布和流量与立方渗流相差较大;当偏离不远时,计算出的水头分布和流量与立方渗流相差较小,可近似简化为立方渗流分析;③对于非线性非立方渗流,应综合考虑非线性与非立方两种因素对渗流的影响。     

岩溶地区岩体裂隙网络渗流分析

岩溶区由于其特殊的岩性,造成岩体裂隙非常发育,这些发育的裂隙很容易形成连通网络,在具有化学侵蚀性水流的作用下,裂隙通道被加宽,从而导致渗漏量增加。在岩溶区岩体裂隙发育特点的基础上对岩体裂隙网络进行了划分,用Monte-Carlo三维模拟技术模拟岩体裂隙的发育程度,同时也模拟出裂隙网络连通图,该图再现了优势裂隙的发育方向。在岩体节理网络的基础上,将各种裂隙和孔隙按规模和渗透性分为四级处理, 即一级真实裂隙网络、二级随机裂隙网络、三级等效连续介质体系、四级连续介质体系,各级裂隙之间以水量平衡原理建立联系。然后采用多重裂隙网络渗流模型对岩溶区岩体裂隙的渗流进行分析。研究表明,将多重裂隙网络渗流模型应用于岩溶区坝基岩体渗流分析中,能够比较确切而直观的反映出岩溶区岩体裂隙系统渗流分布规律,对岩溶区水库的防渗和防腐蚀措施具有重要的指导意义     

裂隙概化模型的非饱和渗流试验研究

借鉴多孔介质非饱和渗流试验的研究成果,研制出一套可同时测定单裂隙毛细压力-饱和度以及非饱和渗透系数-毛细压力关系的试验装置.为检验试验装置的可信度和试验原理的正确性,并初步探讨单裂隙非饱和渗流的机理,特制作了一阶梯开度的裂隙概化模型(本文称之为“S-H”裂隙模型),并在上述试验装置上进行了“S-H”裂隙模型的非饱和渗流试验,初步阐明了单裂隙非饱和渗流的一些基本水力特性,同时试验结果也表明本文试验装置和试验原理合理可靠.     

裂隙岩体应力与渗流关系研究

本文讨论了裂隙岩体中应力与渗流之间的关系，提出了考虑岩体中应力作用的方向性的应力与渗流关系式、透压力与裂隙变形的关系式以及裂岩体尖力场与渗流场耦合模型。     

非饱和裂隙岩体渗流的统计模型研究方法

常规方法研究非饱和裂隙介质往往采用宏观连续体的概念,然而现场试验证明,非饱和裂隙岩体中的渗流具有相当的非均质性。天然裂隙岩体的非饱和渗流是发生在三维裂隙网络中的多场非等温流,要在不完整的信息基础上刻画和表现介质的不均匀性,通常借助随机模拟的手段。将三维裂隙系统近似为概化的二维非均匀多孔介质的二维平面裂隙。采用模拟退火法将取自各种来源的信息资料通过建立适当的目标函数汇集至模型之中,以此模拟裂隙的空间特征。     

裂隙岩体渗流概念模型研究

裂隙岩体中的渗流和传统的多孔介质渗流在机理上存在本质的差别,这种差别主要表现为裂隙岩体在各种尺度上存在的非均质性。模拟裂隙岩体渗流的主要困难在于描述这种非均质性。目前的概念模型,包括等效连续体模型、离散裂隙网络模型和混合模型使用了不同的技术来预测裂隙岩体中的渗流。这些模型基于不同的假设和概念框架,有着各自不同的优缺点。在实际应用时,应当根据研究域的具体特点和所要解决的问题的要求对其选择,此外,还讨论了单裂隙的概念模型。