裂隙岩体非饱和渗流研究综述_胡云进
裂隙非饱和渗流试验研究及有地表入渗的裂隙岩体渗流数值分析
裂隙非饱和渗流试验研究及地表入渗裂隙岩体渗流数值分析1.本文概述本文旨在探索裂隙中非饱和渗流现象的实验研究方法和理论，通过数值分析方法全面分析具有地表入渗效应的裂隙岩体的渗流特性。
裂隙非饱和渗流是地下工程、环境地质、能源开采等领域广泛关注的重要问题。
其复杂性源于裂缝介质的非均质性和各向异性，以及与饱和和非饱和转换过程的密切耦合。
有鉴于此，本研究的目的是为理解这种复杂的渗流行为提供坚实的经验基础和精确的模拟工具。
阐述了裂缝非饱和渗流试验的设计与实施过程。
我们使用先进的实验室设备模拟真实的裂缝结构，精确控制水条件，实现非饱和状态下的渗流实验。
在实验中，重点考察了裂缝几何特征（如宽度、间距、连通性）、孔隙介质特征（如粒度分布、孔隙度、渗透率）和边界条件（如压力梯度、入渗速率）等因素对非饱和渗流规律的影响。
通过精心设计的一系列对比实验，该系统收集并分析了非饱和渗流流速、压力分布、水分特征曲线等关键数据，旨在揭示裂缝中非饱和渗流的内在机理及其对各种影响因素的敏感性。
本文建立了地表入渗条件下裂隙岩体渗流问题的详细三维数值模型。
该模型充分考虑了裂隙网络的复杂性、非饱和土壤水动力方程以及地表入渗水流的动态注入过程。
采用有效的数值计算方法，如有限元法或有限差分法，求解模型，模拟不同降雨模式、地表覆盖条件和裂隙网络参数变化下裂隙岩体内部的水传输、饱和度分布和压力场。
通过与实验数据的比较和验证，保证了数值模型的准确性和可靠性。
在理论分析层面，本文还探讨了非饱和渗流理论在裂隙介质中的适用性和修正性，包括BrooksCorey、van Genuchten等模型在描述裂隙介质水特征曲线方面的适应性，以及考虑裂隙粗糙度和毛细管力效应等因素进行非达西流修正的必要性。
这些理论探索有助于更深入地理解裂缝中非饱和渗流的基本规律，并为改进模型参数的选择和标定提供理论指导。
本文将严格的实验研究与先进的数值分析相结合，系统地探讨了裂隙中的非饱和渗流现象及其在地表入渗条件下的表现。
裂隙岩体渗流研究方法综述
裂隙岩体渗流研究方法综述作者：陈红来源：《现代盐化工》2020年第04期摘要：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。
裂隙岩体的渗流特性试验及理论研究方法
裂隙岩体的渗流特性试验及理论研究方法摘要：简要叙述岩体裂隙的几何特性，岩石裂隙渗流特性研究的方法。
综述了国内外裂隙岩体单裂隙、水力耦合、非饱和情况下的渗流特性物模试验研究成果，并做了相应的分析和讨论。
分析表明：物模试验在研究裂隙岩体渗流特性方面具有不可替代的作用；需要进行更多的模拟实际岩体裂隙的试验；真正意义上的非饱和渗流试验还很少；分析结果为今后的裂隙岩体渗流特性物模试验研究提供了有益的方向。
关键词：裂隙岩体；渗流 ；单一裂隙；水力耦合；非饱和一 前言新中国成立以后，交通、能源、水利水电与采矿工程各个领域遇到了许多与工程地质及岩土力学密切相关的技术难题，在许多岩土工程、矿山工程及地球物理勘探过程中，岩体的渗透率起到十分重要的作用，但在理论上尚未引起足够的重视，通常将岩体渗流处理为砂土一样的多孔介质，用连续介质力学方法求解。
与孔隙渗流的多孔介质相比，裂隙岩体渗流的特点有：渗透系数的非均匀性十分突出；渗透系数各向异性非常明显；应力环境对岩体渗流场的影响显著；岩体渗透系数的影响因素复杂，影响因子难以确定。
岩石裂隙渗流特性研究的方法通常有直接试验法、公式推导法和概念模型法，而试验研究是其中一个最重要最直接的途径。
本文介绍了当前裂隙岩体渗流试验研究。
二 岩体裂隙的几何特性岩体的节理裂隙及空隙是地下水赋存场所和运移通道。
岩体节理裂隙的分布形状、连通性以及空隙的类型，影响岩体的力学性质和岩体的渗透特性。
岩体中节理的空间分布取决于产状、形态、规模、密度、张开度和连通性等几何参数。
天然节理裂隙的表面起伏形态非常复杂，但是从地质力学成因分析，岩体总是受到张拉、压扭、剪切等应力作用形成裂隙，这种作用不论经历多少次的改造，其结构特征仍以一定的形貌保留下来，具有一定的规律性。
裂隙面形态特征的研究越来越受到重视，在确定裂隙面的导水性质及力学性质方面，其作用越来越大。
裂隙面的产状是描述裂隙面在三维空间中方向性的几何要素，它是地质构造运动的果，因而具有一定的规律性，即成组定向，有序分布。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述裂隙岩体是一种常见的地质介质，在水文地质和环境工程领域有着重要的应用价值。
对裂隙岩体渗流特性及溶质运移进行研究，可以为地下水资源开发利用、污染物迁移预测和环境风险评估提供科学依据。
本文综述了裂隙岩体渗流特性与溶质运移的研究现状和方法，旨在为相关研究提供参考。
裂隙岩体的渗流特性与溶质运移过程受到裂隙参数、含水层建模、渗流场、物理化学过程等多个因素的影响。
在裂隙岩体的渗流特性研究中，一般采用实验、数值模拟和现场观测相结合的方法。
实验研究可以通过控制条件，模拟裂隙岩体的渗流过程，获得渗流参数和物理化学参数等基本数据。
数值模拟方法可以通过建立裂隙网格模型，模拟裂隙岩体的渗流场，分析渗流过程及溶质迁移情况。
现场观测则可以通过对地下水位、溶质浓度和水质变化等参数的监测，了解裂隙岩体的实际渗流特性和溶质运移过程。
裂隙参数是研究裂隙岩体渗流特性与溶质运移的重要基础。
裂隙参数包括裂隙长度、宽度、连通程度、导流能力等指标。
裂隙参数的测定方法有直接法、间接法和统计分析法等。
直接法通过对野外或实验室取得的岩芯样品进行测量，直接获得裂隙参数的数值数据。
间接法则通过裂隙发育程度与物理力学参数或地层学参数的关系，间接推算裂隙参数。
统计分析法通过对大量的野外或实验室样本进行统计分析，得到裂隙参数的概率分布。
在裂隙岩体渗流特性研究中，渗流场分析是重要的研究内容之一。
渗流场分析可以通过建立裂隙网络模型，模拟裂隙岩体的渗流场。
常用的模型有二维和三维模型，其中二维模型适用于具有平面对称性的问题，三维模型适用于一般性问题。
渗流场分析需要确定边界条件和初始条件，并通过数值方法求解渗流方程。
常用的数值方法有有限差分法、有限元法和边界元法等，这些方法在裂隙岩体渗流特性研究中有着广泛的应用。
裂隙岩体渗流特性研究的另一重要内容是溶质运移模拟。
溶质运移是指溶质在裂隙岩体中的输送和迁移过程。
溶质的运移过程受到多种因素的影响，包括扩散、吸附、解吸、降解等物理化学作用。
《2024年裂隙岩体渗流—损伤—断裂耦合理论及应用研究》范文
《裂隙岩体渗流—损伤—断裂耦合理论及应用研究》篇一一、引言随着工程建设的不断深入，岩体工程中的渗流、损伤和断裂问题日益突出，特别是在裂隙岩体中，这些问题更是成为了研究的热点。
裂隙岩体因其特有的地质构造和物理特性，使得其渗流、损伤和断裂行为具有显著的复杂性和特殊性。
因此，研究裂隙岩体渗流—损伤—断裂的耦合理论，不仅有助于理解岩体的力学行为，也有助于指导实际工程的设计和施工。
二、裂隙岩体渗流理论渗流是岩体中流体运动的一种基本现象，尤其在裂隙岩体中，流体的运动规律直接影响到岩体的稳定性和力学行为。
裂隙岩体渗流理论主要研究的是流体在裂隙中的流动规律，包括流体的物理性质、裂隙的几何特征以及流体的运动方程等。
目前，常见的裂隙岩体渗流理论有达西定律、非达西定律等。
三、损伤理论在裂隙岩体中的应用损伤是指材料或结构在受力或环境作用下，其内部产生微观或宏观的缺陷，导致材料或结构的性能降低。
在裂隙岩体中，损伤主要表现为岩体的强度降低、变形增大等。
损伤理论在裂隙岩体中的应用主要表现在以下几个方面：一是通过研究损伤的演化规律，预测岩体的长期强度和稳定性；二是通过建立损伤本构模型，描述岩体的力学行为；三是通过分析损伤与渗流、断裂的耦合关系，揭示岩体的破坏机制。
四、断裂理论及在裂隙岩体中的应用断裂是岩体的一种基本破坏形式，也是工程中需要重点关注的问题。
在裂隙岩体中，断裂不仅与岩体的强度和稳定性有关，还与流体的运动和渗流有关。
断裂理论主要研究的是材料或结构的断裂过程和断裂机制，包括裂纹的扩展、能量释放等。
在裂隙岩体中，断裂理论的应用主要包括以下几个方面：一是通过分析裂纹的扩展规律，预测岩体的破坏模式；二是通过建立断裂力学模型，描述裂纹的扩展过程；三是通过研究断裂与渗流、损伤的耦合关系，揭示岩体的破坏机理。
五、裂隙岩体渗流—损伤—断裂耦合理论及应用裂隙岩体渗流—损伤—断裂耦合理论是指综合考虑渗流、损伤和断裂对岩体稳定性和力学行为的影响的理论。
《2024年裂隙岩体渗流—损伤—断裂耦合理论及应用研究》范文
《裂隙岩体渗流—损伤—断裂耦合理论及应用研究》篇一一、引言岩体裂隙中的渗流现象与岩体的损伤、断裂现象在自然地质现象以及工程实践中都具有极其重要的研究意义。
为了进一步深化对这些过程的理解与掌控，本篇文章将对裂隙岩体中的渗流—损伤—断裂的耦合理论进行探讨，并分析其在工程实践中的应用。
二、裂隙岩体渗流理论岩体中的裂隙是地下水流动的主要通道，其渗流特性直接影响着岩体的稳定性和力学性能。
渗流理论主要研究的是流体在多孔介质中的流动规律，特别是在裂隙岩体中，其流动规律受裂隙的几何形态、大小、分布以及流体物理性质等多重因素影响。
渗流理论的核心在于通过数学模型来描述流体在岩体裂隙中的流动过程，包括流速、流量以及压力分布等。
三、损伤理论在岩体中的应用损伤理论是研究材料或结构在受力过程中内部微结构变化和劣化过程的理论。
在岩体中，损伤主要表现为岩体内部裂纹的扩展和连通，这会导致岩体强度和刚度的降低。
通过引入损伤变量，可以定量描述岩体的损伤程度，并建立与应力、应变等物理量之间的关系。
损伤理论的应用主要包括对岩体稳定性分析、岩石力学性能预测等。
四、断裂理论与岩体破坏断裂理论是研究材料或结构在达到一定条件下发生断裂的规律和机制的理论。
在岩体中，断裂往往与损伤密切相关，当损伤累积到一定程度时，岩体便可能发生断裂破坏。
断裂理论不仅包括对断裂过程的描述，还包括对断裂后岩体稳定性的分析。
通过对断裂过程的研究，可以更好地理解岩体的破坏机制和预测其破坏模式。
五、渗流—损伤—断裂的耦合理论渗流—损伤—断裂的耦合理论是将上述三个理论相互结合，综合考虑流体在岩体裂隙中的渗流过程、岩体的损伤过程以及由此引起的断裂过程。
这种耦合关系在理论上更加全面地描述了岩体的力学行为和渗流特性，有助于更准确地预测和评估岩体的稳定性和安全性。
六、应用研究裂隙岩体渗流—损伤—断裂的耦合理论在工程实践中有着广泛的应用。
例如，在地下工程建设中，通过对该理论的深入研究，可以更好地预测和评估地下工程的稳定性和安全性；在石油、天然气等能源开采中，该理论有助于优化开采方案和提高开采效率；在地质灾害防治中，该理论有助于预测和评估地质灾害的发生概率和影响范围，为灾害防治提供科学依据。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述裂隙岩体是一种具有裂隙结构的岩石，裂隙通常是岩体中一些断裂、节理、收缩或膨胀形成的。
裂隙岩体的渗流特性及溶质运移是地下水资源、地下水污染防治等问题中的重要研究内容。
本文将首先介绍裂隙岩体渗流特性的研究进展，接着对溶质运移的研究进行综述。
裂隙岩体的渗流特性是指岩体中水或其他流体在裂隙中运移的性质与规律。
过去的研究发现，裂隙岩体的渗透系数与渗透性、裂隙长度和裂隙宽度等因素有关。
一般而言，裂隙岩体的渗透系数较高，水的渗流速度也较快。
裂隙岩体中的渗流通道通常呈现为非均匀性分布，即通道的宽窄和连通性等参数差异较大。
裂隙岩体的渗流过程还受到张力水、压力水和升华水等多种水文过程的影响。
裂隙岩体的渗流特性研究对于地下水资源的开发、管理和污染防治具有重要意义。
溶质运移是指地下水中溶解物质（溶质）在裂隙岩体中迁移的过程。
裂隙岩体中的溶质运移可以通过多种方式进行，如对流、扩散和吸附等。
裂隙岩体中的溶质运移与裂隙的物理化学性质、水流的速度和溶质的性质等因素密切相关。
研究表明，裂隙岩体中的溶质运移通常呈现非均质性和非线性性。
这些非线性特征使得溶质在岩体中的迁移过程具有一定的难以预测性。
溶质运移的研究可以帮助理解地下水中污染物的迁移规律，以及通过合理的预测和控制手段来保护地下水的质量。
近年来，随着各种地球物理、地质和化学技术的发展，裂隙岩体渗流特性及溶质运移的研究得到了较大的进展。
高分辨率扫描电子显微镜技术可以更加精确地观察和测量裂隙岩体中的裂隙形态和渗透性。
数值模拟方法可以模拟裂隙岩体中的渗流和溶质运移过程，为进一步研究提供了理论基础。
实地观测和实验室试验可以验证和验证模型的有效性。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移是地下水资源和地下水污染防治等领域的重要研究内容。
未来的研究可以从深入理解裂隙岩体的渗流机制和溶质迁移规律出发，提出相应的模型和方法。
与其他学科的交叉研究也可以为裂隙岩体渗流特性及溶质运移的研究提供新的思路和方法。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体是地下水和溶质运移的重要通道，对地下水资源的保护和管理具有重要意义。
随着裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究的不断深入，人们对裂隙岩体地下水和溶质运移的
认识逐渐提高。
本文将对裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究的现状和发展进行综述，以期
为相关领域的研究和应用提供一定的参考和借鉴。
一、裂隙岩体渗流特性研究
裂隙岩体渗流特性是研究裂隙岩体地下水和溶质运移的基础。
裂隙岩体的渗流特性受
裂隙结构、渗透性、压力、温度等因素的影响。
研究发现，裂隙岩体的渗透性与裂隙结构
密切相关，裂隙间距越大、连通性越好，渗透性就越强。
裂隙岩体的渗透性还受压力和温
度的影响，压力越大、温度越高，渗透性就越强。
裂隙岩体的渗流特性研究有助于揭示裂
隙岩体地下水和溶质运移的规律，为地下水资源的保护和利用提供科学依据。
二、裂隙岩体地下水运移研究
裂隙岩体是地下水的重要储集层之一，地下水在裂隙岩体中的运移规律对地下水资源
的保护和管理具有重要意义。
目前，裂隙岩体地下水运移的研究主要集中在地下水补给来源、运移速度和规律等方面。
研究发现，裂隙岩体地下水的补给来源主要包括降雨、地表
水和地下水的补给，裂隙岩体地下水的运移速度与裂隙结构、渗透性等因素密切相关，裂
隙结构复杂、渗透性好的裂隙岩体地下水运移速度较快。
裂隙岩体地下水的运移规律还受
地下水位、孔隙水压力、地下水流方向等因素的影响。
裂隙岩体地下水运移研究有助于揭
示裂隙岩体地下水资源的补给、运移和演化规律，为地下水资源的可持续利用提供科学依据。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述1. 引言1.1 研究背景裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究一直是水文地质领域的重要研究课题。
裂隙岩体是地球表层普遍分布的一种岩石类型，其裂隙系统对地下水运移具有显著的影响。
裂隙岩体中存在各种不同规模的裂隙，这些裂隙对水流的渗透性和溶质的迁移起着重要作用。
裂隙岩体渗流特性与溶质运移规律的研究，有助于更好地理解地下水系统的运行机制，指导地下水资源的开发与利用，保护地下水环境的安全。
裂隙岩体中的渗流与溶质运移过程也与地下水对地表水体的补给及地下水与地表水之间的相互作用有密切关系。
对裂隙岩体渗流特性及溶质运移规律的深入研究，对于维护水文地质系统的平衡、促进地下水资源的合理开发利用以及保护地下水环境具有重要的理论和现实意义。
【研究背景】的阐述将对裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究提供理论基础和研究动力。
1.2 研究意义裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究在地质学和水文地质领域具有重要的研究意义。
裂隙岩体是地下水资源重要的储集和传递介质，研究其渗流特性可以为地下水资源的合理开发和利用提供科学依据。
裂隙岩体中溶质的运移过程是地下水与岩石相互作用的重要环节，影响岩体中物质的迁移和转化，对水质的保护和治理具有重要意义。
裂隙岩体水文地质特征分析可以帮助我们深入了解这种复杂介质的结构与性质，为地下水运动规律和演化过程提供理论依据。
深入研究裂隙岩体渗流特性及溶质运移规律，有助于揭示地下水系统的动态变化规律，为水资源管理和地下水环境保护提供科学支撑。
2. 正文2.1 裂隙岩体渗流特性研究裂隙岩体渗流特性研究是岩体水文地质研究中的重要内容之一。
裂隙岩体的渗透性及孔隙结构特征对地下水的运移和储存有着重要影响。
裂隙岩体渗流特性研究是为了更好地理解地下水在岩石中的运移规律，为水资源的合理利用和地下水环境保护提供科学依据。
裂隙岩体渗流特性的研究方法主要包括野外水文地质调查、室内岩心渗透实验和数值模拟计算。
通过对不同类型裂隙岩体的渗透性参数进行测试和分析，可以揭示裂隙结构对水流动的影响规律。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述裂隙岩体是一种具有高渗透性和高孔隙度的地质体，广泛存在于地壳中。
其渗流特性和溶质运移过程对地下水资源的开发利用和地下环境的污染防控起着重要的作用。
本文将对裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究进行综述。
裂隙岩体渗流特性主要包括渗透性、孔隙度和渗透率等方面。
裂隙岩体的渗透性受裂隙结构、孔隙形态和连通性等因素的影响。
研究表明，渗透性随裂隙宽度的增加而增加，随孔隙度的增加而增加。
渗透率是评价岩体渗流能力的重要指标，其大小与裂隙孔隙度、连通性和地下水流速等因素密切相关。
裂隙岩体渗流过程可分为稳定渗流和非稳定渗流两种。
稳定渗流是指岩体渗流过程中流速、水头和渗量等参数都保持不变的状态。
非稳定渗流是指这些参数在时间和空间上的变化均较大的状态。
稳定渗流是裂隙岩体地下水资源开发和利用的基础，研究稳定渗流过程有助于合理规划地下水开采方案。
裂隙岩体溶质运移研究主要包括溶质迁移速率、扩散系数和吸附反应等方面。
溶质迁移速率是指溶质在裂隙岩体中运移的速度，受岩体渗透性、岩石孔隙度和岩石破碎度等因素的影响。
扩散系数是描述岩体中溶质扩散能力的参数，受温度、化学物质浓度和孔隙度等因素的影响。
吸附反应是指溶质在岩体孔隙和裂隙表面吸附和解吸的过程，影响溶质在岩体中的迁移和保持。
裂隙岩体渗流特性和溶质运移过程的研究在地下水资源开发、地下水污染治理和环境地质评价等方面有重要应用价值。
合理评估和预测裂隙岩体的渗透性和渗透率，可以指导地下水开发和利用的工程设计。
研究溶质迁移速率和扩散系数，有助于预测地下水中污染物的迁移路径和扩散范围，制定地下水污染治理策略。
研究吸附反应可以揭示溶质与岩体表面的相互作用机制，对溶质的迁移和保持具有重要影响。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究对地下水资源开发利用和地下环境的污染防控具有重要意义。
未来的研究方向可以是深入理解裂隙岩体渗流机制和溶质运移过程的物理和化学机制，开展多尺度、多方法的实验和数值模拟研究，为实际问题的解决提供科学依据。
《2024年裂隙岩体渗流—损伤—断裂耦合理论及应用研究》范文
《裂隙岩体渗流—损伤—断裂耦合理论及应用研究》篇一一、引言岩体是自然界中最基本、最重要的物质组成部分，特别是在地球物理学、土木工程学、环境科学等多个领域中，裂隙岩体的研究具有重要意义。
在地下工程建设、资源开发及环境治理等方面，裂隙岩体的渗流、损伤和断裂问题常常成为关键性研究内容。
因此，本篇论文将探讨裂隙岩体中的渗流—损伤—断裂耦合理论及其应用研究。
二、裂隙岩体渗流理论1. 渗流基本概念裂隙岩体的渗流是指流体在岩体裂隙中的流动过程。
由于岩体裂隙的复杂性和不规则性，渗流过程涉及到多种物理和化学作用。
2. 渗流模型及研究方法当前，对于裂隙岩体渗流的研究主要基于多孔介质理论及达西定律等理论模型，结合数值模拟和实验方法进行研究。
三、损伤力学在裂隙岩体中的应用1. 损伤力学基本概念损伤力学是研究材料在损伤过程中的力学行为及破坏机制的学科。
在裂隙岩体中，损伤表现为岩体结构或性质的劣化。
2. 损伤模型的建立及发展针对裂隙岩体的损伤问题，研究者们建立了多种损伤模型，如连续介质损伤模型、离散元损伤模型等，用以描述岩体的损伤过程和破坏机制。
四、裂隙岩体断裂理论1. 断裂力学基本原理断裂力学是研究材料断裂机理及断裂过程的一门学科。
在裂隙岩体中，断裂主要表现为裂隙的扩展和贯通。
2. 断裂判据及分析方法根据断裂力学的理论，结合裂隙岩体的特点，研究者们提出了多种断裂判据和分析方法，如应力强度因子法、能量法等。
五、渗流—损伤—断裂耦合理论1. 耦合机制分析在裂隙岩体中，渗流、损伤和断裂是相互影响、相互作用的。
渗流会导致岩体的损伤和断裂，而损伤和断裂又会影响渗流的路径和速度。
2. 耦合模型建立及求解方法基于上述分析，研究者们建立了渗流—损伤—断裂的耦合模型，并发展了相应的求解方法，如有限元法、边界元法等。
六、应用研究实例分析以某地下工程为例，通过实际观测和模拟分析，探讨该工程中裂隙岩体的渗流、损伤和断裂过程及相互作用关系。
分析结果为工程设计和施工提供了重要依据。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述裂隙岩体是地球壳中常见的岩石类型之一，其具有丰富的裂隙结构，裂隙在岩体中起着重要的作用。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究一直是地下水科学和岩石水文地质学领域的一个重要研究方向。
裂隙岩体中的渗流及溶质运移具有一定的复杂性和独特性，因此对其进行深入的研究，对于地下水资源的利用和地下水污染治理具有重要的理论与实践意义。
一、裂隙岩体的渗流特性裂隙岩体的渗流特性是指水在裂隙岩体中的渗透和传递规律，主要涉及水的渗透速率、渗透性以及流动模式等。
裂隙对流体流动的影响主要包括两个方面：一方面是裂隙的形态、分布和连通性对流体的渗透性和渗流速率的影响，另一方面是裂隙岩体中流体的运移模式及其对渗流性质的影响。
裂隙岩体的渗透性主要受裂隙形态、连通性和孔隙度等因素的影响。
裂隙岩体的裂隙连通性越好，岩体的渗透性越强，渗流速率越大。
裂隙型岩体中流体的运移主要存在两种模式：一种是快速渗流，主要发生在裂隙连通性好、渗透性高的裂隙型岩体中；另一种是缓慢渗流，主要发生在裂隙连通性差、渗透性低的裂隙型岩体中。
二、裂隙岩体的溶质运移规律溶质在裂隙岩体中的运移规律是指在裂隙岩体中发生的溶质迁移的过程和规律。
裂隙岩体中的溶质运移规律主要受裂隙结构、岩石性质、渗流速率等因素的影响。
裂隙岩体中的溶质运移规律一般表现为对流、扩散和反应相互作用的复杂过程。
溶质在裂隙岩体中的运移规律受到渗流速率的显著影响，快速渗流时，对流起主导作用，而缓慢渗流则以扩散为主导作用。
溶质的化学特性、岩石孔隙结构、孔隙水化学环境等因素也对溶质的迁移过程起着重要的影响。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究方法主要包括野外地质调查、实验室模拟实验、数值模拟与计算机模拟等多种手段。
野外地质调查可通过水文地质勘探、地球物理勘探、地球化学勘探等手段获取有关岩石裂隙结构、连通性、渗透性、渗流速率等方面的基本信息。
实验室模拟实验主要通过岩芯注水实验、溶质运移实验、渗透性实验等手段对裂隙岩体的渗流特性及溶质运移规律进行研究。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究是研究地下水运移和水资源利用的重要内容。
裂隙岩体是由裂缝、瑕疵和节理等结构构成的多孔介质，具有较高的渗透性和漏水性。
渗流特性和溶质运移是指裂隙岩体中水分子和溶质物质在孔隙和裂隙中的运动和传输过程。
本文将对裂隙岩体渗流特性和溶质运移的研究进展进行综述，以期提高人们对地下水运移和水资源利用的认识。
首先，裂隙岩体渗流特性研究取得了重要进展。
一方面，裂隙岩体渗透性与孔隙度、裂隙密度、裂隙连通度等相关。
一些研究表明，孔隙度对裂隙岩体渗透性影响较大，而裂隙密度和连通度则在一定范围内只对渗透性产生较小影响。
另一方面，研究表明，流态状态对渗透性、渗流速度、渗透率等参数的影响很大。
流态状态的不同会导致渗透性和渗流速度存在较大差异。
因此，裂隙岩体模型的建立和实验模拟对于渗流特性的研究成为研究热点。
同样，地下水位、地表水位、降雨等因素也会对渗流特性产生重要的影响。
其次，裂隙岩体溶质运移研究也取得了进展。
新的研究发现，渗透性和流态状态对溶质扩散、溶质吸附等都有重要的影响。
溶质扩散常常采用扩散方程模型来描述，但该模型仅适用于简单孔隙介质，不适用于复杂的裂隙岩体中。
目前，多数研究采用数值模拟方法和样品实验获取数据，通过统计学和计算机模拟对渗透性、孔径分布、溶质迁移速度等进行分析，提高了溶质运移的效率和准确性。
最后，未来裂隙岩体渗流特性和溶质运移研究还需深入开展。
一方面，未来的研究需要针对不同地质构造和水文地质条件，加强流态状态下渗流特性和溶质运移的研究。
另一方面，未来的研究还需要应用新兴技术如纳米技术和分子模拟等手段，加强裂隙岩体渗流特性和溶质运移研究。
意义在于提高对地下水运移和水资源利用的认识，为裂隙岩体和地下水资源的开发和保护提供理论基础。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体是一种具有高渗透性的岩体，其中的裂隙网络是岩体渗流和溶质运移的重要
通道。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究对于地下水资源管理和环境地质评价具有重要意义。
本文综述了裂隙岩体渗流特性及溶质运移的相关研究。
裂隙岩体渗流特性的研究主要包括渗透率、渗流规律和渗透压力等方面。
渗透率是描
述岩体渗流能力的重要指标，通过实验和数值模拟等方法可以获得不同条件下的渗透率值。
渗流规律是指岩体中流体运动的基本规律，包括达西定律、非达西定律和非线性渗流等。
渗透压力是指由于水力梯度而引起的压力，可以通过实验和分析方法计算得到。
裂隙岩体溶质运移研究主要包括扩散、吸附和淋溶等过程。
扩散是指溶质通过裂隙岩
体孔隙介质的作用传播的过程，可以通过实验和数学模型计算得到扩散系数。
吸附是指溶
质在岩体孔隙介质中吸附和解吸的过程，可以通过实验和模拟方法研究吸附等渗质量和吸
附等额外吸附。
淋溶是指由于流体作用溶解裂隙岩体中溶质的过程，可以通过实验和模拟
方法研究溶质的淋溶程度。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述裂隙岩体是地质构造中常见的一种岩体类型，具有复杂的裂隙结构和非均匀的渗流特性。
裂隙岩体中的渗流过程受到多种因素的影响，包括裂隙尺度、裂隙连通性、地下水压力、裂隙表面性质等。
裂隙岩体中的溶质运移也是一个重要的研究方向。
本文综述了裂隙岩体渗流特性及溶质运移的研究进展，并对未来研究方向进行了展望。
裂隙岩体渗流特性主要取决于裂隙的尺度和连通性。
研究发现，随着裂隙尺度的增大，岩体的渗透性也会增强。
裂隙连通性对渗流特性的影响也非常显著，连通性越好，渗流路径越直接，渗流速度和渗透率也会增加。
裂隙岩体中地下水的压力差异也会影响渗流特性，当地下水压力差异较大时，渗透性增加，渗流速度加快。
裂隙岩体中溶质运移过程复杂且难以预测。
研究发现，溶质运移主要受到扩散和对流两种机制的影响。
当裂隙较小时，溶质主要通过弥散作用进行运移；当裂隙连通性较好时，对流作用成为主导机制。
裂隙岩体的溶解性也会影响溶质的运移，溶解度较高的溶质更容易被运移。
为了更好地研究裂隙岩体中的渗流特性和溶质运移，研究者们开展了大量的实验室和数值模拟研究。
实验室实验主要通过建立模拟裂隙岩体的模型，采用水流追踪和示踪剂等方法来研究渗流和溶质运移过程。
数值模拟通过建立裂隙网络模型，采用Navier-Stokes方程和质量守恒方程等物理方程来模拟渗流和溶质运移。
这些研究方法为我们深入了解裂隙岩体中的渗流特性和溶质运移机制提供了重要的工具。
未来研究中，有几个方向值得关注。
研究者可以进一步探索不同尺度范围内的裂隙岩体渗流特性和溶质运移规律，特别是微观和介观尺度范围。
应该考虑不同地质环境下的裂隙岩体渗流特性和溶质运移机制差异，比如在不同岩石类型、地应力、水文地质条件下的差异。
可以采用多尺度模拟方法，结合实验室实验和数值模拟，来深入研究裂隙岩体渗流和溶质运移的复杂过程。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移是一个复杂而重要的研究问题，对于地下水资源管理、地质灾害评估和环境保护等方面具有重要意义。
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收稿日期:19990614基金项目:国家自然科学基金资助项目(59879004);高等学校博士点学科专项基金资助项目(98029408);水利部水利技术开发基金资助项目(97472603).作者简介:胡云进(1974—),男,浙江东阳人,博士研究生,水力学及河流动力学专业,主要从事裂隙岩体非饱和渗流研究.裂隙岩体非饱和渗流研究综述胡云进,速宝玉,詹美礼(河海大学水利水电工程学院,江苏南京210098)摘要:综述了国内外裂隙岩体(主要是细、微裂隙岩体)非饱和渗流的研究情况.首先,评述了现有的测定和确定单裂隙非饱和水力参数的几种方法的优缺点,为单裂隙非饱和水力参数的确定提供了理论依据.其次,分析了目前用于求解裂隙岩体非饱和渗流的四种数学模型的优缺点,为选取合理的数学模型用于求解具体的裂隙岩体非饱和渗流问题提供了参考依据.最后,在上述基础上提出了一些需要进一步研究的问题.关键词:裂隙岩体;非饱和渗流;非饱和水力参数;数学模型中图分类号:TV139.1 文献标识码:A 文章编号:10001980(2000)01004007由于构造、风化、卸荷等作用,天然岩体中存在着大量的裂隙.裂隙岩体中地下水位以上部分是未被水充满的非饱和带,降雨入渗和地面水体的下渗都是通过该带到达稳定地下水面的非饱和渗流过程.可以说,在自然界中裂隙岩体非饱和渗流是普遍、客观存在的.以往,由于裂隙岩体非饱和渗流的复杂性,在许多工程问题中都作了简化处理[1].近十多年来,随着西方工业发达国家核电等核工业的不断发展,大量核废料亟待深埋处理(一般埋在裂隙岩体深厚的非饱和带中),故评价核废料深埋对地下水环境的污染以及处理核废料的选址等都要求对裂隙岩体非饱和渗流作深入细致的研究[2,3,4].另外,研究降雨入渗对地面污染物的淋滤[5],石油二次开采[6]和地热能开发[7]等也涉及裂隙岩体非饱和渗流或两(多)相流问题.在国内,近年来随着孔隙介质非饱和渗流和裂隙岩体饱和渗流理论的发展,已越来越清楚地认识到雨季的岩坡滑坡、地下洞室巷道的塌方以及泄洪雾化雨导致岩质边坡的失稳等均与裂隙岩体非饱和渗流密切相关[1](即降雨入渗等会导致地下水位以上非饱和区孔隙水压力的升高,产生暂态的附加水荷载,同时降低岩体的力学强度指标).由于上述工程应用领域的需要,国外已有不少学者相继从80年代中期开始对裂隙岩体非饱和渗流进行试验和理论研究.近年来,国内也有学者开始了这方面的研究工作.目前的工作主要有:(a )对单裂隙非饱和渗流进行试验和理论研究,主要集中在单裂隙非饱和水力参数(即毛细压力饱和度和相对渗透率(非饱和渗透率与饱和渗透率的比值)饱和度(或毛细压力)的函数关系)的测定和确定方面;(b )提出各种求解裂隙岩体非饱和渗流的数学模型并进行相应的数值分析.1 单一裂隙非饱和渗流研究在裂隙岩体非饱和渗流研究中,最关键的是单裂隙毛细压力饱和度和相对渗透率饱和度(或毛细压力)关系的建立.目前,建立上述关系主要有以下三种方法:(a )物模试验法,即直接通过单裂隙拟稳态驱替试验和非饱和渗流试验(准确地说是二相流试验),借用孔隙介质拟合模型拟合出经验关系式;(b )数值试验法,即通过建立单裂隙概化模型,利用数值模拟法和孔隙介质拟合模型拟合出经验关系式;(c )数学推导法,即在某些假设简化的前提下,根据裂隙开度分布推导出上述关系式.1.1 物模试验法天然裂隙壁面是凹凸不平的,两粗糙裂隙面间的空隙空间的开度是逐点变化的[8,9].天然裂隙可概化为第28卷第1期2000年1月河海大学学报JOUR NAL OF HOHAI UNIVERSITY Vol .28No .1Jan .2000二维非均质的孔隙介质[10],而且两粗糙裂隙面的间隙形成的开度分布与孔隙介质固体颗粒间形成的喉颈孔隙分布的持水机制有一定的相似性[6,11].基于上述发现,不少学者认为,通过拟稳态驱替试验并借用孔隙介质的拟合模型来拟合单裂隙毛细压力饱和度的试验观测数据,可得出经验关系式.Reitsma 和Kueper [6]用人工生成的石灰岩裂隙做了水油互不溶混拟稳态驱替试验.拟合试验数据采用下述孔隙介质水分特征曲线的拟合模型.Br ooks -Corey 模型[12]:P c =P d (S e )-1λ(1)式中:P c ———毛细压力;P d ———进气值,即油相的起始驱替压力;λ———反映裂隙开度分布特征的指数;S e ———水相的有效饱和度,可表示为S e =S w -S r 1-S r (2)式中:S w ———相应于毛细压力P c 的水相饱和度;S r ———束缚水饱和度.模型中P c ,λ和S r 为拟合参数.van Genuchten 模型[13]:P c =P o S e -1m -11n (3)式中P c ,S e 意义同式(1);m ,n 间关系采用n =(1-m )-1;m 与裂隙开度分布有关;P o 与进气值有关,但其值稍高于进气值.其中P o ,m ,S e 为拟合参数.Reitsma 和Kueper 先根据驱替出的总水量估计出裂隙总体积,以求出每个毛细压力下的水相饱和度,再借用拟合模型(1)和(3),用非线性最小二乘法拟合出单裂隙毛细压力饱和度关系式.叶自桐等[11]做了天然花岗岩裂隙的水油互不溶混拟稳态驱替试验.拟合方法和拟合采用的模型同Reitsma 和Kueper 的.所不同的是,他们把裂隙总体积也作为拟合参数,而不是估计一个值.这样处理较妥当,特别是拟合出的束缚水饱和度更准确.由于油、气物理特性的差异通过以上两个水油驱替试验所得出的单裂隙毛细压力饱和度关系式尚不能直接应用于非饱和渗流.此外,通过上述拟稳态驱替试验所得的关系式应用于非恒定渗流计算时,也会有一定的误差[14].为建立相对渗透率饱和度关系,Romm [15]用表面混合湿润的平行平板缝隙做了水和煤油的二相流试验.结果表明,两者的相对渗透率均等于其饱和度.由于天然裂隙是变开度的,把裂隙概化为平行平板缝隙是不能反映实际情况的.另外,Persoff 和Pruess [16]通过天然凝灰岩裂隙的水气二相流试验和孔隙介质的拟合模型得出了相对渗透率饱和度的经验关系式.他们所采用的拟合模型为Corey 模型[17],其表达式如下:K rw =(S e )4(4)式中:K rw ———水相的相对渗透率;S e ———水相的有效饱和度,可表示为S e =S w -S wr1-S wr -S gr (5)式中:S w ———相应于K rw 的水相饱和度;S wr ———束缚水饱和度;S gr ———残余气饱和度.由于非饱和渗流假设空气不流动,即气相压力维持恒定,故不同于上述水气二相流.因此通过二相流试验所建立的单裂隙相对渗透率饱和度关系不适用于非饱和渗流,但可借鉴上述方法建立单裂隙非饱和渗流的相对渗透率饱和度(或毛细压力)的关系.1.2 数值试验法由于控制和测量裂隙中水相的饱和度均较困难,而且做物模试验既费时又费钱,故有些学者致力于通过建立单裂隙概化模型,利用数值模拟法和孔隙介质拟合模型得出单裂隙毛细压力饱和度和相对渗透率饱和度(或毛细压力)的经验关系式.Pruess 和Tsang [10]根据裂隙开度分布和假设的开度空间相关长度用COVAR 法[18]生成裂隙随机样本,再概化为许多等面积(在平面上划分成等面积小矩形网格)不等开度的小平行板组合体;或者直接把实际的天然裂隙离散成许多等面积不等开度的小平行板组合体.基于毛细吸持理论的Laplace 方程(见式(6))和毛细41第28卷第1期胡云进等 裂隙岩体非饱和渗流研究综述压力P c 下开度小于b s 的小平行板内均充满水的假设,给定多个毛细压力值,通过计算可求得多个类似于物模试验的毛细压力饱和度关系数据点.b s =2σcos θP c (6)式中:P c ———毛细压力;b s ———对应于P c 的临界开度,即开始排水的最小开度;σ———水气表面张力;θ———弯液面与裂隙壁的接触角.另外,他们在裂隙一对边上给定适当的毛细压力值,另一对边视为不透水边界,并假设充水的小平行板内立方定理成立,用MULKOM 数值模拟法[19]和达西定律求得裂隙在该毛细压力(取入口、出口毛细压力的平均值)下的相对渗透率.给定多个不同的入口、出口毛细压力值,可求得一系列相对渗透率和毛细压力的关系数据点.然而,他们没有拟合出单裂隙毛细压力饱和度和相对渗透率毛细压力的关系式.Kwicklis 和Healy [20]对上述Pr uess 和Tsang 的概化模型作了改进(离散方法相同,附加了一条驱替准则),即某小平行板驱替与否除依据毛细吸持理论外,还应考虑与周围的小平行板间有无水力联系.显然,这更贴合实际天然裂隙的持水机制,确实是Pruess 和Tsang 概化模型的改进.他们据此求得一系列毛细压力饱和度的关系数据点,并用van Genuchten 模型(即式(3))拟合出了单裂隙毛细压力饱和度的经验关系式.另外,同Pruess 和Tsang ,他们用VSFRAC 数值模拟法[21]和达西定律求得一系列相对渗透率毛细压力的关系数据点,根据上述毛细压力饱和度的关系式换算为相对渗透率饱和度的关系数据点后,拟合出了相对渗透率饱和度关系式.拟合表达式如下:K r =S e 0.51-(1-S e 1/m )m 2(7)式中:K r ———相对渗透率;S e ,m 的意义同式(3).上述两个数值试验法中均假设小平行板内立方定理成立,这有待于试验证实,因为立方定理是针对无限大平行光滑平板推导出来的.此外,把天然裂隙概化成等面积不等开度的小平行板组合体也不一定合适[22].鉴于以上两点,还应通过物模试验的结果来修正.1.3 数学推导法在缺少试验资料时,可对单裂隙非饱和渗流作某些假设和简化,根据裂隙开度分布,通过数学推导给出单裂隙毛细压力饱和度和相对渗透率毛细压力(或饱和度)的关系式.Wang 和Narasimhan [4]在推导上述两个关系式时假设:(a )裂隙中所有流动沟槽均互相平行,且水流方向也平行于流动沟槽;(b )裂隙壁面接触点引起水流的弯曲远小于气泡(非饱和渗流时气相占据的空间)引起的水流弯曲,故仅引进气泡阻碍因子τ来修正非饱和渗流时水流的迂曲.基于上述两条假设推导出的单裂隙相对渗透率为K r =τ〈b 3〉s 〈b 3〉1(8)其中〈b 3〉1=∫bmax 0b 3f (b )d b 〈b 3〉s =∫bs 0b 3f (b )d b式中:b max ———裂隙的最大开度;f (b )———裂隙开度分布函数;τ———气泡阻碍因子;b s 意义同式(6).根据毛细吸持理论,单裂隙饱和度可表示为S =〈b 〉s /〈b 〉1(9)其中〈b 〉s =∫b s 0bf (b )d b 〈b 〉1=∫b m ax 0bf (b )d b 式中b s ,b max 和f (b )的意义同式(8).根据式(8),(9),(6)及开度分布函数f (b ),即可建立毛细压力饱和度和相对渗透率毛细压力的关系式.周创兵等[23]根据某种假设的入侵概念模型推导出的饱和度表达式为S =1-〈b 〉s 〈b 〉ξ(10)42河 海 大 学 学 报2000年1月其中ξ=∫bs b max f (b )d b 〈b 〉s =∫b max b s bf (b )d b 〈b 〉=∫b max 0bf (b )d b 式中f (b ),b s 和b max 的意义同式(8).根据式(10)推求的相对渗透率为K r =1-〈b 〉〈b 〉s (1-S )3(11)式中〈b 〉s ,〈b 〉和S 的意义同式(10).根据式(10),(11),(6)及开度分布函数f (b ),即可建立毛细压力饱和度和相对渗透率毛细压力的关系式.只要测量准确,用物模试验法所建立的毛细压力饱和度和相对渗透率饱和度(或毛细压力)关系应比另外两种方法建立的更符合实际.数值试验法和数学推导法的优点在于方便快捷,不像物模试验法那样费时费钱.尤其是数值试验法,若模型概化得合理,所建立的毛细压力饱和度和相对渗透率饱和度(或毛细压力)关系能较好地符合实际.在缺少试验资料而又已知裂隙开度分布且精度要求不太高的场合,数学推导法不失为一种快捷、方便的方法.但是,物模试验法在研究裂隙非饱和渗流特性和机理方面具有不可替代的地位.另外,在精度要求高的情况下,数值试验法和数学推导法的结果需通过物模试验的结果来修正.此外,物模试验法和数值试验法采用孔隙介质的拟合模型,还有待于物模试验证实.除上述三种确定非饱和水力参数的方法外,Pruess 等[24]和B odvarsson 等[25]还根据地热井的现场观测资料分析得出了水水蒸气二相流的相对渗透率饱和度关系,结果与Romm 的类似.但是由于水和水蒸气是同一种物质,故水水蒸气二相流有别于非饱和渗流[10].而且由于在现场很难同时测得流速、压降和饱和度,故用现场测试法测定相对渗透率饱和度关系不易行得通.以上对单裂隙非饱和渗流的试验和理论研究均集中在非饱和水力参数的测定和确定方面.此外,Fourar 等[26]用光滑的和人工粗糙的平行玻璃平板做了水气二相流试验,初探了裂隙二相流的渗透特性和机理,发现相对渗透率不仅是饱和度的函数,而且还和流速有关.另外,从观察到的流动状态来看也更接近于二相管流,而不是二相达西流,即惯性力起控制作用,流动不符合达西定律.由于他们采用的水、气流速均远大于实际情况,再加上人工粗糙缝隙的开度变化要比天然裂隙的开度变化剧烈,而这两个因素均夸大了惯性力的作用,故用上述试验结果解释天然裂隙的非饱和渗流特性是值得怀疑的.2 裂隙岩体非饱和渗流的数学模型研究用数值法求解裂隙岩体非饱和渗流场需建立合适的数学模型.目前已有的数学模型可划分为以下四种:(a )等效连续介质模型;(b )离散裂隙网络模型;(c )双重介质模型;(d )离散介质连续介质耦合模型.2.1 等效连续介质模型等效连续介质模型就是根据流量相等原则把岩块裂隙系统等效成连续介质,并用理查德方程[27]或其推广式[3]描述非饱和渗流.方程中出现的非饱和水力参数通过取一表征体元根据其内裂隙和岩块的相应参数及体积比重来推求[3],进而用传统的孔隙介质非饱和渗流分析方法来求解渗流场.应用等效连续介质模型求解裂隙岩体非饱和渗流场的主要代表有:Dykhuizen [27];Peters 和Klavetter [3];以及Pruess ,Narasimhan 和Tsang [7]等.等效连续介质模型的优点是可以直接应用较成熟的孔隙介质非饱和渗流分析方法来求解裂隙岩体非饱和渗流问题,故其可操作性好.不足之处主要有四点:(a )把裂隙网络等效为连续介质,不能很好地刻画出裂隙的特殊导水作用,故其拟真性不好;(b )该模型的适用范围很受限制,因为不是所有的裂隙岩体均可等效为连续介质;(c )表征体元的大小和等效的非饱和水力参数很难准确确定;(d )对裂隙岩体非饱和渗流,最重要的是,当毛细压力变化时其等效渗透张量的渗透主轴会变化,故用等效连续介质模型处理存在误差.2.2 离散裂隙网络模型离散裂隙网络模型认为岩块本身不透水,整个地下水运动是通过裂隙网络来反映的.其基本思路是:假定达西定律适用于单裂隙的非饱和渗流,由达西定律和水流连续原理推导出裂隙非饱和渗流的控制方程,再把裂隙网络离散成许多单元(三维裂隙网络用面元,二维裂隙网络用线元),根据确定的单裂隙非饱和水力参43第28卷第1期胡云进等 裂隙岩体非饱和渗流研究综述44河 海 大 学 学 报2000年1月数,用伽辽金有限元法或积分有限差分法求解以单元结点水头为未知数的控制方程,得出渗流场.应用离散裂隙网络模型求解裂隙岩体非饱和渗流场的主要代表有张有天和刘中[1],以及Kwicklis和Healy[20]等.离散裂隙网络模型能较好地描述裂隙岩体的非均质各向异性,故当岩块很致密,确实可忽略其渗透性时,具有拟真性好、精度高的优点.但该模型需要明确研究域中全部有效裂隙的几何参数(裂隙的产状、开度分布、间距和迹长等),这在实际工程中是较难办到的,一般情况下只能抓住主要和次主要的裂隙,否则不但使现场勘测工作量大,而且会使模型过大而难以实现.虽然裂隙网络模拟生成技术在解决这一难题上取得了重大进展[28,29],但目前还有许多问题有待解决[30].综上可知,该模型可操作性较差.另外,对非饱和渗流,岩块的非饱和渗透系数与裂隙的非饱和渗透系数相比一般不可忽略[4,31],否则会导致该模型的拟真性降低.2.3 双重介质模型双重介质模型是一种双连续介质模型,其认为岩块孔隙系统和裂隙系统连续充满整个研究域.即把裂隙岩体看作是具有不同水力参数的两种连续介质的叠加体.这两种连续介质中的非饱和渗流均采用理查德方程来描述,并依据两种介质间的水交换项来联立求解各自的渗流场,最后取两种介质中的水头平均值作为最终渗流场的水头值.应用双重介质模型求解岩体非饱和渗流场的主要代表有:Gerke和van Genuchten[2],以及Zimmerman, Hadgu和B odvarsson[32]等.双重介质模型能在一定程度上刻画出优先流现象[2],并且考虑了岩块、裂隙间客观存在的水交换,故具有较好的拟真性.把裂隙网络等效为连续介质来研究,故其可操作性也较好.但是,裂隙网络不一定能等效为连续介质,因为其表征体元不一定存在,或虽存在但太大,故该模型的适用范围较受限制.同时,双重介质模型中水交换项较难准确确定,而水交换项的精度又影响着该模型的拟真性.此外,由于研究域是两种连续介质的叠加体,其内每一点处有两个水头值,取平均值作为最终渗流场中的水头值,也有待于进一步探讨.2.4 离散介质连续介质耦合模型岩体中的裂隙可根据其迹长和开度大小划分为主干裂隙和次要裂隙.离散介质连续介质耦合模型的基本思路是:用离散裂隙网络模型描述主干裂隙中的水运动;用等效连续介质模型描述次要裂隙和孔隙中的水运动;由次要裂隙和孔隙等效成的连续介质充满整个研究域;离散的主干裂隙按产状分布于连续介质之中.该模型的耦合条件是:裂隙水头作为连续介质域的水头边界;离散介质域与连续介质域间的水交换量作为离散介质域的流量边界.从所检索的大量文献来看,还未发现用严格符合上述意义的耦合模型来求解裂隙岩体非饱和渗流场的例子.仅有的类似于上述耦合模型的两个模型均未把次要裂隙等效为连续介质来处理[31,33],故只能用于求解裂隙少且分布很理想化的情形(如裂隙等间距平行分布[33]).离散介质连续介质耦合模型综合了等效连续介质模型在刻画次要裂隙和孔隙中水运动的优点和离散裂隙网络模型在刻画主干裂隙中水运动的优点,既能反映裂隙特殊的导水作用,又能体现岩块的贮水作用.由于众多的次要裂隙能等效为连续介质来处理,而主干裂隙又较少,故该耦合模型很好地解决了精度与可操作性之间的矛盾.由于用离散裂隙网络模型来描述主干裂隙系统,而主干裂隙是导致裂隙岩体表征体元过大或不存在的重要因素,故能解决双重介质模型用连续介质概化裂隙系统所存在的问题.但是,由于描述连续介质域水运动与描述离散介质域水运动方程的不同,给数学处理带来了不便.另外,离散介质连续介质耦合模型同样存在着水交换量难以准确地确定的问题.3 结论及需要进一步研究的问题裂隙岩体非饱和渗流的研究是近十多年来开展起来的,目前已引起国内外越来越多学者的关注,但仍处于其发展的初期阶段,对其机理的认识还不够深入,离实际应用更是还有一定的距离.通过对现有试验和理论成果的分析,笔者认为尚需在以下几个方面作进一步的研究.a.从检索的文献看,目前对单裂隙非饱和渗流的试验和理论研究主要集中在非饱和水力参数的测定和确定方面,对机理和渗流特性的研究太少,故有必要进一步进行概化模型试验,搞清单裂隙非饱和渗流机理,以指导非饱和水力参数的确定.b .由于裂隙空间与孔隙介质的孔隙空间之间存在差异,故能否采用孔隙介质的拟合模型来建立单裂隙毛细压力饱和度和相对渗透率饱和度(或毛细压力)关系还有待于更多的试验来证实,尤其是相对渗透率饱和度(或毛细压力)关系的建立,有待于通过大量天然裂隙非饱和渗流试验和理论分析概括出切实符合裂隙非饱和渗流特性的拟合模型.c .尽管人们已认识到裂隙面形态和裂隙赋存规律均具有一定的分形特征[34,35],但在已有的研究中,用分形几何等非线性数学理论去分析归纳建模做得太少,故将分形理论应用于裂隙岩体非饱和渗流研究有待于进一步加强.d .目前一般根据裂隙岩体表征体元是否比研究域小来判断裂隙岩体能否等效为连续介质来处理,但确定裂隙岩体表征体元大小的通用方法过于复杂,故需提出一种简便准确确定表征体元大小的方法,为数学模型的合理选取提供依据.e .较符合实际的双重介质模型和离散介质连续介质耦合模型的拟真性在一定程度上取决于水交换项公式的准确性,而现有的水交换项公式虽形式简单,但精度不是很高,特别是文献[2]中的水交换项公式[32]更是如此.故如何建立一个简单而又精确的水交换项公式,有待于进一步研究.f .把裂隙岩体(或裂隙网络)等效为连续介质来处理,需确定等效的非饱和水力参数,而目前确定等效的非饱和水力参数的体积平均法和微观法均有待于进一步探讨.参考文献:[1]张有天,刘中.降雨过程裂隙网络饱和/非饱和、非恒定渗流分析[J ].岩石力学与工程学报,1997,16(2):103～111.[2]Gerke H H ,van Genuchtem M T .A dual -poros ity model for si mulating the preferential movement of water and solute in structured porousmedia [J ].Water Resour Res ,1993,29(2):305～319.[3]Peters R R ,Klavetter E A .A contin uu m model for water movement in an unsaturated fractured rock mass [J ].Water Resour Res ,1988,23(3):416～430.[4]Wang J S Y ,Narasi mhan T 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