岩体渗流理论

研究水在裂隙岩体内流动规律的理论，是岩石力学的一个重要分支。该理论用于解决地下水资源开发、岩基上水工建筑物的稳定和变形分析、石油开采、核废料地下储存等问题。

单一裂隙水力特征

裂隙是岩体渗流的主要通道。对于平行板缝隙，单宽流量（

式中，

由于

式中，v为裂隙内流速；K为裂隙的渗透系数。

岩体中的裂隙面是粗糙的，隙宽也不是常量，需对式（1）进行粗糙度校正，或通过实测及分析求得等效水力隙宽。按式（2）求得的裂隙渗透系数比岩块的渗透系数大10⁶～10¹0倍。从工程观点，岩块的渗透性常可忽略不计。

岩体渗流的特殊性

水在裂隙中的流动与其在孔隙介质的土体中流动规律大相径庭，表现在岩体渗流高度离散性、显着的各向异性、受应力环境的重大影响、实际流速比达西流速大几个量级等方面。这些特殊性是岩体渗流理论，尤其是其数学模型研究的基础。

裂隙网络渗流模型

岩体中的断层规模大，数量少，其位置可通过量测来确定。裂隙（节理）多属于4～5级结构面，数量众多，不可能一一量测其位置，要按随机模型处理。选择有代表性的区段对裂隙的几何量（产状、迹长、间距、隙宽）进行量测，取得样本，再通过分析求得各几何量的分布模型和统计参数后，即可按蒙特卡洛法由计算机生成在统计意义上等效的裂隙网络样本，用作渗流分析。

长短不同的裂隙迹线构成二维裂隙网络（图1），迹线交点称为结点，两结点间为裂隙单元，根据式（1）或式（2）用有限单元法可求得结点水头。

图1 三峡船闸边坡二维裂隙网络（粗线表示断层）

大小不同的圆盘或多边形构成三维裂隙网络（图2），将每一圆盘（或多边形）剖分成二维单元（也可简化为空间一维单元），用有限单元法求解。

图2 三维裂隙网络示意图

裂隙网络渗流模型与实际比较接近，较好地反映了岩体渗流的离散性及各向异性。分析流速接近真实流速，可用于求解非恒定渗流。但隙宽很难测量，且自由度过多使计算工作量过大，在工程问题中尚较少采用这一模型。

等效连续介质模型

用流量相等原则将裂隙内的渗流平均到岩体，得出渗透张量K_ij，其达西定律的表达式为

式中，v_i为i方向的流速；h_′j为沿j方向的水力坡降（h为水头）。

将式（3）代入水量守恒方程v_i，i=0，可得等效连续介质模型的渗流控制方程：

由于式（4）用有限元求解极为方便，因而等效连续介质渗流模型被广泛用于岩体渗流问题。K_ij反映了岩体渗流各向异性。若岩体中裂隙较稀疏，渗流样本体积单元（REV）很大或不存在，以及求解有时间因素的渗流，则均不能用此模型。

双重介质渗流模型

既有裂隙网络又有岩块孔隙介质的模型称为双重介质渗流模型。用这一模型可以研究岩块与裂隙之间的水分交换。为了使分析可行，需对裂隙网络进行规则化及简化处理。双重介质渗流模型可以反映岩块孔隙对裂隙水流的调蓄作用。