裂隙岩体水力学基础 第一章 第五章(34页).doc

《裂隙岩体水力学基础 第一章 第五章(34页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《裂隙岩体水力学基础 第一章 第五章(34页).doc（34页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、-裂隙岩体水力学基础 第一章 第五章-第 34 页目录第一章绪论2289131518第五章 裂隙岩体渗流场与损伤场耦合模型研究245.1概 述245.2渗流对裂隙岩体应力场的力学效应255.3渗流对裂隙岩体损伤演化的作用265.3.1压剪应力状态下渗流对裂隙损伤演化的影响265.3.2拉剪应力状态下渗流对裂隙损伤演化的影响275.4渗透张量随裂隙损伤的演化特征285.5裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合方程研究315.5.1等效连续介质渗流场数学模型315.5.2等效连续介质岩体的应力场数学模型333636第一章绪论裂隙岩体是坝基、边坡、地下峒室等岩体工程中广泛遇到的一类复杂介质，它的强度、变形

2、和地下水渗透性等力学变形特性将直接影响各类岩体工程的设计与施工,以及工程运营间的长期稳定性。因此，关于裂隙岩体力学的变形特性及其岩体与地下水渗流相互作用的耦合问题（即裂隙岩体水力学）一直被国内外岩石力学与工程界所关法。裂隙岩体水力学是近10年来发展起来的、与岩石力学有关的一门新兴力学分支,它是借助工程地质学、地下水渗流力学和非线性现代力学理论的集成分析方法，主要研究裂隙岩体中地下水的运动规律与地下水力学耦合作用时裂隙岩体变形与破坏规律的科学。裂隙岩体边坡的设计、水利水电工程渗流域控制、水库诱发地震的预测、有害核废料的处置、矿井的疏干降压排水、石油和地热能的开发以及地下水资源的开发与利用等，都必

3、然涉及裂隙岩体的水力学性能的研究。工程实践迫切要求系统地、定量化地研究在人类工程开挖干扰力与自然力的作用下，节理裂隙岩体与地下水相互作用关系，以及裂隙岩体与地下水力学耦合作用对人类工程岩体稳定性的影响。裂隙岩体水力学主要以水文地质学、工程地质学为基础，利用数学、力学、渗流力学和岩体力学的理论，建立裂隙岩体水力学数学力学模型,并运用数值模拟和物理模拟的方法来研究、评价和预测裂隙岩体中地下水渗流与应力耦合所造成工程岩体的稳定性，科学指导工程施工程序设计以及地下水资源的合理开采。工程岩体稳定性问题就要求裂隙岩体水力学一方面强调工程地质体受地质过程和地质构造的影响，其力学行为有过去地质构造的烙印，同时

4、还应考虑工程开挖干扰力的作用以及工程岩体在其作用下所发生的变形行为；另一方面要强调地下与裂隙岩体之间发生力学方面的相互作用，因为它不断地改善着作用双方的力学性状和力学特性。裂隙岩体水力学是解决地下水渗流与裂隙岩体耦合问题的理论基础。人类为了生存和发展，时时开展人类工程,一方面依托于地质环境，另一方面又影响和改造地质环境；地质环境的优劣对人类工程体的稳定性、人类工程活动的正常运转施加影响。在地质环境内，岩体与地下水的相互作用，影响和改善着地质环境的状态。在人类工程活动中,一方面由于工程的开挖，工程荷载施加于岩体之上，改变岩体内部应力场的分布,从而影响岩体的结构，引起岩体中地下水性质及地下水力学特

5、性的改变；另一方面，由于工程岩体的出现，改变了区域性或局部地下水的补给、径流和排泄条件,形成人工干扰下的地下水渗流场，进而地下水对岩体的力学作用的强度、作用的范围以及作用的形式亦发生改变，最终影响裂隙岩体的稳定性1。人类为了防洪、发电、灌溉、航运及发展渔业等目的，在大江大河上修建大坝，这是一项改造、造福人类的主要工程。工程的效益和健康安全性,是评价水利水电工程成败的关键。工程的效益指的是大坝建成后，达到预期目的的程度。若大坝存在严重坝基和坝肩渗漏，水库不能蓄到预定水位，则该大坝工程是失败的。大坝的健康安全性更为重要，如年双曲薄拱坝在初次蓄水时溃决，顷刻间49106m3的洪水突然奔腾下泄，流速7

6、0km/h，对下游造成重大损失,致使384人死亡，110人下落不明。意大利Vajont拱坝坝高265m，水库设计正常最高水位为722.5m。1963年9月，库水位上升到700m高程时,左岸距大坝处，在1min内大约有108m3的岩石削入水库内，顿时造成高达150250m的水浪，约107m3洪水浸过270m高的拱坝，致使下游的朗加朗市镇遭到了毁灭性破坏，2500人丧生，幸运的是大坝安全无恙2。对Malpasset大坝失事的原因，许多专家学者进行了详细的分析，Bellier认为Malpasset大坝坝肩岩体的结构面走向与拱坝推力方向乎行，在坝肩岩体中形成高的压应力区，引起坝肩岩体结构面闭合，裂隙岩

7、体渗透系数大约减小了100倍(相对初值），导致岩体渗流受阻，而产生了等于水库中全水头的压力作用于该岩体之上，使大坝现肩岩体沿下游断层滑移而失稳。Wittke认为,拱坝弧部受拉力，使大坝坝踵附近岩体受拉，倾向下游的岩体结构面张开，裂隙使帷幕短路。库区蓄水后，库水沿张开裂隙渗透，由于下游断层封堵了渗透通道，致使张开裂缝中产生等于水库全水头的静水压力,使坝肩岩体失稳。尽管这两种分析马尔帕塞大坝失稳机理不同，但分析结果都认为，Malpasset大坝失事是由于岩体的渗透压力作用引起的裂隙岩体变形,导致大坝溃坏1。意大利Vajont大坝上游库区大滑坡，也是由于库水位上升，引起岩体中地下水位抬升，增加了岩体

8、的浮托力而引起的一种渗透变形和破坏。由于该水库两岸岩体渗透性良好，库水位上升迅速引起地下水水位上升,滞后时间短。因而，当库水位上升到700m时,在库岸边坡坡脚处产生较大的挤压力，正应力减小,抵抗滑坡的摩阻力减小而引起滑坡1。英国Woodhead、Bilbery坝建在粗砂岩和點土互层岩石上，由于粗砂岩渗流产生扬压力而沿黏土层产生滑动于1850年失稳破坏；阿尔及利亚Chearfas坝地基不良，渗流对岩石软化使地基破坏；法国Bouzey坝在渗流作用下坝基岩石泥质胶结抗剪度下降，产生滑动；美国加州Francis重力拱坝68m高，其右岸红色砾岩强度很低，仅68MPa，且属黏土胶结，干燥时坚硬，浸水后吸水

9、碎裂，并有易于溶解的石膏等薄层，左岸云母片岩倾向河床，导致该坝于1928年3月12日失事，其溃决的大坝破碎成若干块体。其他如美国得克萨斯州Austin坝、意大利Gleno连拱坝、阿尔及利亚Gabra坝、西班牙VegadeTera支墩坝等，都是由于坝基遭地下水渗透破坏而造成失事3。我国的梅山连拱坝，高88.3m、长545m，坝基岩石为燕山期花岗岩，坚硬致密，极限抗压强度达100120MPa，没有大的断层，透水性较小。在坝前做了一排孔深23-30m的灌浆帷幕，灌后(含水率)值全部达到0.010.05L/(mmmm)，全坝基作了孔距3m、孔深35m的固结灌浆,未打排水孔。该坝于1956年蓄水，196

10、2年11月6日在右坝肩1316号坝段拱台上突然出现10条裂缝，最长的达24m、宽6.5mm,沿裂缝严重漏水，坝座岩体发生明显位移。与此同时，有一个未封填好的固结灌浆孔向外喷水，水头高达31m，可见其水压力之高。随即采取了紧急放空水库的措施,才避免了严重事故的发生。有许多研究者对世界上所发生的大坝失事原因进行过分类统计，据维也纳世界大坝失事数据站所做的分析，失事原因最多的是漫顶和渗漏，由于渗流冲刷破坏失事的土坝高达40%，与渗流密切相关的滑坡破坏占15%左右。卡鲁斯夫在其发表的研究文章中指出：从1990年起,混凝土坝失事的原因有70%与坝基有关，只有30%与坝体有关。据国际大规委员会所公布的资料

11、以及个人收集的资料，对82座混凝土坝的失事原因进行了分类统计,得出：由于地基渗透、排水系统失灵与极压力有关的共51例，占62.2%；%。另外，据统计在土坝的失事中，由于地基渗流造成的破坏以及滑动破坏(一般都与渗流问题密切相关)占相当大的比例3。在矿区开采过程中，有不少岩体的变形与岩体内地下水渗透压力有关，常存在矿山采动应力、地应力和地下水渗透力相互影响、相互作用的岩体水力学问题。如煤矿井中底鼓突水，就是在开采过程中岩体变形引起岩体渗透性的改变，使岩体内或下部岩体内地下水沿连通的节理裂隙运动，增强了对岩体的渗透压力，引起岩体物理力学性质的变化而导致矿井突水。在华北煤矿开采过程中，常常发生来自煤层

12、系地层之下石灰水的矿井突水、淹井淹矿事件。华北煤系大多属石炭系，石炭系之下为大厚层的奧陶系灰岩，岩溶地下水发育，地下水头高1。由于矿山开采人工干扰力的作用，引起井下岩体应力场的重新分布,常使石灰水沿断层裂隙发育带、沿积陷落柱及煤系底板软弱带上井,进而进入矿井,如开滦矿务局唐山范各庄矿于1984年6月2日发生了世界罕见的矿井大突水,是奥陶系灰岩中地下水沿陷落柱倒入矿井，其涌入量达2053m3/min,11h后一、二水平矿井全淹。1954年12月5日，唐山林西矿四水平石灰水通过断层突水进入矿井，最大涌入量达6000m3/h，矿井突水大多是由于人工开挖产生的地下岩体应力场的重新分布，引起陷落柱碎屑充

13、填物松动、断裂性质的改变(天然的压性断层，由于人工开采而松动)或煤系地层底板破坏,在高水头压力作用下，引起矿井突水1。边坡的变形失稳，从根本上来说是边坡自身求得稳定状态的自然调整过程,而协助它趋于稳定的作用因素有自然因素和人类活动因素。就自然因素而言,地震是导致边坡变形，失稳的直接因素，1995年1月17日日本神户地震诱发崩滑达630多处，自然因素的第二个主要方面是大气降水与洪水4。人类为了生存与发展，一方面依赖于自然界，另一方面又要改造自然界，但不合理的工程活动和对自然界的过分改造有孕育或诱发出新的问题的倾向。现今地球上生活着60多亿人口。已经构成了地球环境中前所未有的地质灾害的人为因素,这

14、种人为因素的作用，无时不在冲击着人类自身赖以生存的地球环境。全世界每年因翻耕土地,建筑爆破移动的土石量多达4000km3，从地下开采出的矿石和建材达1000多亿吨。由于砍伐森林，导致水土流失现象加剧,滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害日趋严重。工业化的发展，导致大气中CO2含量迅速增长，空气受到严重污染,气候变得反复无常，温室效应日渐明显，各种自然灾害频率加快。人类在创造文明的同时,却又在迈向更大的危险区。劳埃德和廷伯莱克在“人世界最大的威胁”一文中指出，生存环境遭受破坏所带来的灾难，将取代核战争的恐怖而成齿21世纪人类面临的最大威胁。过去的20多年中，全世界约280万人死于各种自然灾害，有约8.2

15、亿人受到严重影响4。区域开挖促使或加剧边坡体变形或直接诱发边坡失稳的事例举不胜举。新滩滑坡距三峡坝址25km，在长江左岸,且与右岸链子崖危岩体相连，1985年6月12日，约3000104m3块石,包括碎石和黏土的等堆积层顺坡而下，最大滑速4m/s，摧毁新滩古镇，毁房1569间。滑坡入江土石约2000104m3，激浪使航运受阻。鸡扒子滑坡距三峡坝221km，在云阳老县城下游1km处的长江左岸，1982年7月17日，体积约1500104m3的土石滑动，前缘约180104m3土石入江，填高江底30余m,形成急流险滩，断航7天。巴东新县城区由五个小区组成，散布在长江南岸10km的岸坡上,距三峡坝址72

16、km，新城区降雨充分，坡陡沟多，地形破碎,圭要分布三叠系中统巴东组(T2b）泥岩、砂岩和泥灰岩。黄蜡石滑坡距三峡坝址64km，是发育在三叠系上部和侏罗系下部的砂岩、泥岩夹泥灰岩组成的逆向斜坡上的滑坡体，总体积4000104m3，主体滑坡体积1800104m3，有长期活动史。诱发其再活动的主要因素是降雨入滲，严重威胁航运、经济建设和居民安全。链子崖危岩体距三峡坝址25km，是由大量裂缝切割的分离体组成，发育在长江右岸底部为厚24m煤层的石灰岩顺斜向陡坡中。因煤层开挖和陡坡卸荷载形式,总体积315104m3，严重威胁航运、经济建设和居民安全。茅坪滑坡位于湖北清江隔河岩水库库区近尾部左岸，下距隔河岩

17、水库大坝6m，上距正在施工的水布垭坝址25km。它是目前库区规模最大、变形最严重的一处堆积层滑坡。茅坪滑坡滑动面大致追踪至泥盆系上统页岩夹岩灰岩岩层层面，因此也可以称此滑坡为“准基岩顺层滑坡”。有由差异分化形成的倾向坡外的基岩顶面，成为此松散堆积层滑坡发育的控制性界面，是该滑坡的突出特征。茅坪滑坡平面上呈狭长条带状,前后缘高程为160570m，高差410m，主滑方向约为SE160。滑坡纵向长约1600m、前缘宽600m，滑坡可直抵江中，总体坡度1520。滑坡东侧为由差异风化形成的白岩基岩陡壁，陡壁长约2000m、高约200m，走向为SE150；西侧为南北发育带的婆娑溪自然冲沟。滑坡总体上由具有

18、不同风化程度的崩塌堆积成因的灰岩块石、碎石夹土组成，堆积物多呈架空状，因而渗透性较好,滑体厚度变化为587m，平均厚度约40m，体积约2.35107m3。滑床基岩为泥盆系上统砂页岩地层,不具透水性。滑坡前缘尚发育两处规模较大的寄生次级滑坡，即茅坪街滑坡和四大天王滑坡,体积分别为106m3、2106m3，其中茅坪街滑坡前缘地形陡峻，坡度达2565，并向江中突出。该滑坡在隔河岩水库蓄水前所未见任何变形迹象，1993年4月10日，隔河岩水库开始蓄水，库水位由132m抬升至183m，水位抬升50m，滑坡出现明显变形迹象,主要表现为顺下伏基岩层面整体下滑。以上所述，无论是水电工程,还是矿井开采工程,都存

19、在人类工程干扰力、岩体地应力和地下水渗透力之间的相互影响、相互作用和耦合作用问题。据统计，90%以上的岩质边坡破坏与地下水渗透力作用有关；60%矿井事故与地下水作用有关；30%40%的水电工程大埙失事是由滲透作用引起的。因而，研究人类工程作用力、岩体地应力及地下水渗透力的相互作用关系及耦合问题，是裂隙岩体水力学的主要任务，也是一项具有理论研究和实际工程应用前景的重大课题1。近10年来,随着国民经济建设的迅猛发展,基本建设规模的不断扩大,人类在向空间发展的同时，地下空间的开发也在不断地走向深入。上千米乃至数千米的矿井、巷道比比皆是，如沈阳采屯矿开采深度达1197m、山东孙村煤矿开采深度达1283

20、m、南非的西部深井金矿达3700m5；水电工程引水隧洞的不断埋深,如锦屏二级水电站最大埋深达2525，南水北调西线工程最大埋深1150m；公路隧道，如穿越阿尔卑斯山朗峰圣达隧道,埋深2500m；核废料的深层地质处理已达数百米乃至上千米；中国核废料处置库拟建在深度达700m的花岗岩中；油气工程已达30004000m；能源储存工程达1000m，囯家战略能源储备中大型地下储气库及储油库也将在深部地下空间中建造。上述深埋上千米的工程,在开挖、施工与运营的过程中，往往带来很多难以预测的问题,如岩爆、瓦斯突出、突水、顶板大面积垮落和采空区失稳等一系列灾害性事故频频发生。为了避免突发性地质灾害对人民生命和财

21、产造成危害，同时也为了尽量减少重大灾害的发生，必须对深埋岩体在开挖时引起的特征。如赋予复杂的地质环境，以及高地应力、高渗透力等进行深入细致的研究。我国是一个多山的国家,丰富的水力资源尚有大部分未开发出来，从分布来看,这些资源大多集中在西南和西北地区的崇山峻岭中。今后10年之内预计将有相当多的大型水力发电工程和蓄能电站进入兴建期。其中相当多数都设计有大型或超大型地下洞室群作为主要的水工建筑物，如锦屏二级水电站地下厂房位于东雅袭江的大水沟,按常规的三洞室方案布置，主厂房、主变室、尾水调压室三大洞室平行布置,主厂房尺寸为75.10m（长宽高）。拉西瓦水电站枢纽主厂房开挖尺寸73.84m，轴线NE25

22、；副厂房与主厂房同轴线,位于主厂房左端，开挖尺寸为32m27.8m42.0m；主变开关室在主厂房下游侧，与主厂房轴线平行，通过母线洞与主厂房相通，开挖尺寸为。锦屏一级水电站主地下厂房尺寸为。这些水电站也会出现一些深埋长引水隧洞，例如锦屏二级水电站引水隧洞自景峰.挢至大水沟，共四条，开挖洞径12m，衬砌后洞径11mkm，深埋一般在1660m以上,最大深埋可达4000m，获得水头2200m；南水北调西线工程有长73km、最大埋深1100m的长引水隧洞等。由于西部地区的特殊地形条件(山高谷深,地势异常险峻），这些大型室群和深埋大的引水隧洞遇到极为复杂的地质条件、高地应力、高外水压力等问题，如下所述，

23、1）高地应力问题。锦屏二级水电站的引水隧洞埋深大、地应力高,在长探洞中实测最大主地应力值为42MPa，经回归分析，引水隧洞线附近大主地应力最大值为54MPa。锦屏一级水电站地下厂房区属于高地应力区，最大主应力为2027.5MPa。2）高外水压力、大流量问题。锦屏二级水电站的讣瓜长探洞勘探和试验研究表明,探洞中单点最大集中涌水量达4.91m3/s，稳定流量23m3/s，根据预测，在不采取预注浆处理的情况下，引水隧洞可能遭遇的稳定涌水流量将达到8m3/s左右，单点最大流量56m3/s。从长探洞封堵后的水压力观察，其最大水压力可达0.22MPa。如此复杂的地质条件、高地应力与高外水压力联合作用下长大

24、引水隧洞的建设国内外尚无首例，其开挖与运行期的安全性问题已成为亟待解决的世界性岩石力学难题。也就是说,与一般的地应力与渗透皮作用相比，高地应力、强渗透压的联合作用有其固有的特殊性，岩体变形破坏机理与防治方法是极其不同的。在开挖过程中，由于高地应力释放,使坚硬脆性岩体发生成层剥落和弹射现象（即岩爆，例如：西瓦、天生桥、二滩、布鲁革等水电站地下洞室载开挖过程中由于高应力就发生这种现象；红透山铜矿在开采到地下900m深处发生了0.50.8m厚的岩片弹射破坏；锦屏二级水电站地下厂房段PD1洞岩爆发生的部位大多在洞顶和两拱肩，以片状剥落为主，最大岩爆坑深度为60cm，岩爆量级为轻微至中等,剥落的岩片呈薄

25、片板状,厚度自数毫米到几厘米不等）。在高应力作用下,由于能量的突然释放造成硬岩岩片发生突然的剥落或弹射破坏，其破坏区并不大。围岩位移在开始初期并不大，在弹射性破坏瞬间增大很多。因此，基于塑性区的大小来判别、反馈分析将得不到合理的结果。高围压的长期作用使得岩体脆性转为延性，发生大变形,并产生围岩成洞困难、运行期变形过大以及衬砌结构破坏等突出问题。在强渗透压力作用下节理裂隙岩体内节理裂隙宽度增大，裂纹长度也将增大，进而加剧工程岩体强度的弱化。针对上述如此大流量，已发生紊流的情况,就不能采用达西定律进行理论计算与数值模拟。高应力与高外水压力、大流量下的渗流的联合作用将使得问题变得更为复杂。由于隧洞外

26、水压力巨大、地应力高，常规的衬砌支护措施将无法承载而失稳，需要提出新的设计理念和理论。围绕上述问题，必须对裂隙岩体水力学进行综合和系统、深入地研究。它涉及力学、结构、材料等多学科的交叉，是应用基础研究中科学发展前沿的课题。其对推动裂隙岩体水力学等学科的发展有重要意义，也是我国西部能源幵发利用工程建设中,迫切需要解决的重大工程关键技术问题,其研究成果具有十分广泛的应用前景。20世纪60年代末、70年代初，法国国家地质矿产局矿产地质研究所Louis首先提出了岩体水力学这一新的学科概念6,到了80年代及90年代初已经有了很大的发展，特别是土木工程中涉及的大量有关水流与岩体的相互作用问题(基础沉陷、边

27、坡失稳、隊道崩塌等)，大都可以用这一学科的理论和方法来加以解决。因此，近年来，有关岩体水力学方面涌现出大量的研究成果,概括起来有三个方面，即岩体结构特性对渗流的控制作用、渗流对岩体的作用机理以及两者的相互耦合问题7。早在20世纪40年代，苏联学者在室内进行了岩体裂隙水力学实验，用实验方法证明了单裂隙岩体中地下水运动的立方定律，即(1.2.1)式中，9为裂隙内单宽流量(L2T-1)；b为裂隙张开度（L）；Jf为裂隙内水力梯度(无量纲）；为地下水的动力粘滞系数(ML-1T-1)；g为重力加速度（LT-2）；为地下水运动粘滞系数(L2T-1）；为地下水的容重（ML-2T-2）；为地下水的密度（ML-

28、3）。Louis等（1974）6,8运用单裂隙试件进行单向水流的室内模型，综合研究了天然裂隙表面粗糙度和波纹特征对水流速度的影响，并确立了层流状态和紊流状态的单个裂隙导水系数方程。在此棊础上，运用多裂隙试件，通过三向水流试验，推导出一组平行裂隙面定向导水系表达式9为层流状态（1.2.2）紊流状态（1.2.3）式中,k为裂隙面的连续性指数；e为裂隙开度；c，d为是相对粗糙度确定的两个系数。式中，b为裂隙的平均间距；Kf为裂隙导水系数；Kw为岩块渗透系数。上述参数层流与紊流都可用。赵阳升10通过对阳泉3号煤样、永江3号煤样孔隙瓦斯引起煤样变形的试验研究,得出了煤体在孔隙瓦斯作用下的有效应力规律,即

29、修正的太沙基原理，以及煤体-瓦斯透气系数的关系。Iwai12和Schrauf在室内试验中分析了单裂隙岩体导水系数与外加渗流体的压力梯度，以及平均裂隙开度和关系式，建立了非线性函数表达式11。孙广忠等13、刘继山14运用单裂隙闭合度的变形对导水系数影响的试验研究,得出了岩体导水系数与闭合刚度的关系13,14。田开铭15利用多裂隙管道试验，对交叉裂隙的水力特征进行探讨,从而把裂隙岩体的渗流试验向前推进了一大步15。裂隙岩体的渗流试验是整个岩体水力学研究的理论基础。同样,现场岩体水力学参数试验也是岩体水力学研究的一个主要方面。抽水试验是确定岩体水力特征的有效方法之一，它所提供的结果能代表较大面积的岩

30、体，比单个点上或室内试验结果可靠，适用于地下水位以下的情况7。压水试验是确定岩体渗透性的重要方法，主要用于测定地下水位以上的岩体系统。传统的Lougenon试验（单孔压水试验）水流形式复杂，不能分辨出是球面流、柱面流或者是混合流，只能测定其平均值，没有办法确定其定向渗透系数6。Louis6提出了三联水探测(三段压水试验），即限挖平面压水试验，克服了单孔试验的缺陷，基本上反映了裂隙岩体的各向异性渗透,但是如果各组裂隙不正交或者有三组以上的裂隙时,就无法保证钻孔只穿过一组裂隙，因而该法的应用要受到一定的局限。为了克服Louis三联水法的不足，Rocha和Franciss于1987年提出了一套采取完

31、整岩芯确定岩体各向异性渗透系数的新方法，通过压水试验测定其实际岩体的修正渗透张量因子，这样就可以把裂隙的不连通性、糙率、裂隙相交处的水头损失等因素对渗透性的影响反映出来，但要在钻孔中测定渗透张量因子，难度较大。Brown等于1987年发展了一种通用的可用标准件组装构成的钻孔压力测试系统,将其应用于含三组相互垂直的等间距不连续的花岗岩上，进了一系列常压水头注水试验和压力降试验。在现场单一和少量不连续面上进行的小规模试验结果表明，在这种规模下，连续性概念不能用于研究岩体中流体的渗流17,18。Deandrade于1987年在巴西中部阿古艾亚河上修建的桑塔伊莎贝尔水坝,对现场钻孔进行了两种测试，即自

32、正试验和降低压力的注水试验，以确定层流条件下和可能出现任何压力梯度下确定裂隙不连续面的水力学特性19。近几年来，关于现场岩体水力学参数的确定，国内外学者虽然做了大量工作，但仍无一套成熟的方法可供推广应甩，仍处于探索阶段7。在裂隙岩体渗流模型的研究方面，Barenblat于1960年和Warren于1963年等把裂隙岩体视为等效连续介质,即裂隙岩体是空隙性差,而导水性强的裂隙系统，或裂隙好而导水性弱的岩体裂隙系统，不考虑裂隙和洞穴的大小与位量的差别，将这一类型称为“双孔介质模型”。Zimmerman19在裂隙网络和裂隙与基岩块体之间的渗流中，引入时间变量，建立起非线性的渗流体系,从而提出了改进的

33、“双孔介质模型”。周志芳等20研究了裂隙岩体透水性非均质各向异性特点，根据弹性固体-理想流体的连续介质力学的基本理论，给出了各向异性裂隙岩体三维稳定渗流的控制方程，采用三维边界元计算了坝基的渗透力。关于裂隙系统中地下水运动问题的研究，起步于20世纪60年代，主要是岩体裂隙渗流模型研究以及裂隙岩体水力学参数的确定等。第一类为岩体裂隙系统渗流模型，该模型的建立基于裂隙岩体是一种具有连续介质性质的物质。把这种连续介质看成是由两种介质组成,即以裂隙介质导水、孔隙岩体介质储水为其特征，分别建立裂隙介质渗流模型与孔隙介质渗流模型，用裂隙与孔隙岩块间水量交替公式连接，组成一个耦合方程式，在方程式中存在两种水

34、头,这一模型的代表是苏联学者于1960年提出的，被称为“双重介质”渗流模型，即(1.2.5)(1.2.6)式中，kP、kf分别为孔隙岩块和裂隙介质的渗透系数(LT-1)；、分别为孔隙岩块和裂隙介质的贮水率（L-1）；为孔隙岩块与裂隙介质之间的水量交换系数；、分别为孔隙岩块与裂隙介质中地下水水头(L-1)。Warren和Root21提出了类似的模型。他们认为,岩体裂隙具有均质的正交裂隙系统，裂隙相互连通,每一方位裂隙组平行一个渗透主轴。垂直于每一主轴的裂隙组等间距分布,隙宽不变，但沿各主轴的裂隙组的隙宽和隙间距不同。每一个岩块为孔隙系统，具有均质各向同性渗流特点。孔隙和裂隙之间存在水量交换。St

35、relesova22也是提出了类似的双重介质渗流模型。他认为,岩体是由裂隙和岩块组成。把岩体看作为由裂隙系统分割开的许多水平岩块组成，岩块水平方向无限延伸，岩块厚度和裂隙隙宽不变,且岩块厚度远远大于裂隙隙宽，裂隙中的水流是水平流，岩块中的水流是垂向流。于是，得出承压含水层中渗流偏微分方程式为式中，,分别为X、Y方向上的导水系数，M为含水层厚度；为延迟指数的倒数；分别为裂隙介质和孔隙岩块的贮水系数。另外，Duguid 等23、Huyakorn 等24、Neretnieks 等2S、Dykhuizen26、王恩志27也分别研究了双重介质渗流模型，这些学者卓有成效的研究,促进了岩体双重介质渗流模型的

36、发展。第二类为岩体渗流模型，即把岩体看成是由单一的按几何形态有规律分布的裂隙介质组成,岩体中的岩块渗透性极弱，可忽略不计。用裂隙水力学参数和几何参数(如裂隙产状、裂隙间距和隙宽等)来表征裂隙岩体内渗透空间结构的具体布局，所以在这类模型中,裂隙的大小、形态和位置都在考虑之列。这类岩体渗流模型称为岩体裂隙网络系统渗流模型。第二类岩体渗流模型以苏联学者POMM28,美国学者Snow29、法国学者Louis6和Wittke30的研究成果为代表。POMM和Snow以裂隙统计为基础，创立了岩体裂隙渗透率张量理论。他们先后提出假设，即使不同方向裂隙组在裂隙网络系统中相互连通,一个方向上裂隙组的裂隙水流丝毫不

37、受另一方向裂隙组裂隙水流的干扰。据此,可将实际介质按裂隙网络的各方向裂隙组分解成几个只具有唯一方向裂隙组的虚构介质，则通过实际介质的水流等于把这些虚构介质的水流叠加起来，于是得 （1.2.8）式中，V为裂隙网络系统中地下水渗流速度矢量（L2T-1）；Vi为第i组裂隙介质中地下水渗流速度矢量（L2T-1）；bi为第i组裂隙的平均裂隙隙宽(L)；为第i组裂隙的平均密度(L-1)；I为单位矢量；为第i组裂隙隙面的法向单位矢量；Ji为裂隙网络系统中地下水水力梯度矢量；m为裂隙组的总数。式（）还可写成式中，其中K为渗透系数张量（LT-1）；k为渗透张量（L2）。Wittke30将裂隙岩体的渗透问题概化为

38、一系列单个裂隙组成的裂隙网络，运用线单元法建立了裂隙网络水流的线素模型。该模型以真实裂隙网络展布为基础，按照连续流条件建立裂隙节点水均衡方程式,再按每个闭路的水位差代数和为零建立回路方程式，组合这些方程组构成了裂隙网络系统的线素模型。Wittke的模型在实际运用中困难较大，原因是无法查清岩体中裂隙的展布规律。而渗流系数张量理论应用于解决实际岩体的渗流问题，相对比较简单，它的关键就是计算岩体各向异性渗透系数张量。关于求取各向异性渗透系数张量的压水试验法是Snow于1966年首先提出的，后经由Rocha31、Louis18和Hsich等32的研究,又分别有了校正系数法、三段压水试验法和交叉孔压水试

39、验法。在我国，岩体裂隙系数渗透问题研究较晚，但发展较快。田开铭33在实验室内进行了不等隙宽交叉裂隙的水力学试验，得出了交叉裂隙具有“偏流效应”的结论，此后发展成偏流理论。他与万力34合作撰写的各向异性裂隙介质渗透性的研究与评价专著，系统地介绍了裂隙介质渗透系数张量的各种确定方法，这是我国学者首次系统介绍裂隙岩体渗流问题的专著。随后，他们应用这些理论研究了黄河小浪底水利枢纽工程左岸单薄分水岭裂隙岩体的渗流问题。王恩志27在系统地研究裂隙系统渗流模型的基础上，提出了“似双重介质”渗流模型，毛昶熙等35、张有天36、陶振宇37等专家在岩体水力学研究方面也作出了重要贡献。从本质上讲，地质环境中岩体和地

40、下水之间的相互作用可以归纳为物理力学和化学两个主要方面。现今岩石力学主要研究渗流体对岩体的物理力学作用及其对本构关系的影响。塞拉劳认为地下水通常处于一定的压力之下,并随深度的增加而增大，这水压力是影响裂隙岩体性能的基本要素，它们的变化会引起岩石材料中应力的改变，从而导致地壳的破裂和变形，影响大型建筑物的基础、隧道及矿山坑道和施工38。Louis等6,18通过分析测试，认为渗透压力对裂隙岩体的作用由三种体积力构成：在一组平行节理中由水的黏性产生的切向力(Fi)2）静水压力或阿基米德压力 （1.2.11）3）动水压力或渗透力 （1.2.12）式中，J为空间总水力坡度；Ji为节理组Ki的水力坡度；n

41、i为节理组Ki的空隙率（）。Witherspoon等和Raven等曾作出过渗流-应力关系曲线,与Louis提出的关系曲线相比有较大的差异，原因是他们没有考虑剪切变形因素39，40。梁尧词（1988)41和段小宁（1982)42通过试验证明岩体中的渗透压力对岩体的变形有重要的影响，即动水压力导致裂隙开度的增加，岩体变形影响岩体的稳定性。张有天43认为渗流分析的重要目的是通过渗流荷载下的应力分析，来判断岩体稳定性和设计加固措施,并用固定网格法成功地求出自由面的渗流场。殷有泉等44,45讨论了有渗透作用的破碎带和均匀介质围岩系统稳定的尖角突变模型。李成江46通过对非饱和围岩的试验研究，得出了自由膨胀

42、应变与含水量呈线性关系，即水分的运动决定着含水量的分布，因而决定了本构关系模型的各岩体参数的取值。周维桓47从裂隙损伤力学的角度，阐述了渗流对裂隙损伤的断裂扩展过程的渗透中张量方程。陶振宇37对水库诱发地震进行了深入研究后，发现裂隙水一方面是诱震的因素，另一方面又具有减震效应；岩体中的液体对岩体某些地质力学参数有化学及物理上的影响，如泥化、侵蚀、冲刷及润滑等现象，对工程极为不利。曲焰48通过对一复活古滑坡群为期三年的长期观测，发现蠕变滑动与降雨量有明显的关系,经回归分析得到指数函数为 （1.2.13）式中，y为蠕变位移；x为月降水量。从而证明了水对边坡岩体蠕变位移有直接的影响。晏同珍49阐述了

43、地下水富集滑坡的普遍性及其地学意义。根据块体极限平衡原理建立了其稳定性分析的通用模型，坡后裂隙充水危险程度的判别通式，引入了敏感分析概念，认为大量滑坡的发生和复活等,本质上是地下水充填，并沿潜在滑动面缓慢渗流运动，坡体在渗透压力的作用下，沿平缓弱面下滑，产生滑坡。斯塔格等50认为所有的矿物颗粒的表面都具有为裂隙润湿和吸附的物理化学机理，而水分的吸附会沿着裂缝接触的地方侵入到表面内，从而减低岩体的强度。Walsh51研究了裂隙岩体的有效应力规律52。Robin53指出，有效应力Pw是与围压Pa和孔隙压力Pp相关 (1.2.14)大部分文献表明取为1.0，而Walsh得出不等于1.0，而是等于0.

44、9；对于抛光的节理表面而言，Kranz等54计算得张开节理=0.56。Witherspoon、Gale于1975年和Gowd等于1977年分别分析了液体注水对多孔岩石断裂特征的影响。kempton和Hubbert55，56分析了水对裂隙和非裂隙砂岩的应力释放的影响，提出对岩体的作用还表现在对岩体的损伤力学特征的影响57，58。Huang等于1990年、Booze于1990年、Elsworth于1989年分别研究了弹性介质中高温流体渗流驱动裂纹扩展的理论与分析方法。综上所述，工程中水对岩体的作用是不可忽视的问题，而且愈来愈引起岩土工程技术人员的关注7。岩土体应力与渗流耦合问题的研究最早见诸于有关

45、地面沉降的研究59，60，其内容主要限于考虑一维弹性空隙介质中饱和土体的渗流固结，提出饱和土体一维渗流固结模型和著名的有效应力原理，推导出的有效应力公式迄今仍是研究岩土体应力场和渗流场耦合问题的基础公式之一。20世纪中期，Biot将Terzaghi的工作推广到三维渗流固结问题中，给出了一些经典的、解析型的公式和算例，奠定了耦合理论研究的基础。在此基础上，进一步发展了多相饱和渗流与空隙介质耦合作用的理论模型61，并在连续介质力学的系统框架内建立了多相流体运移和变形空隙介质耦合问题的理论模型。20世纪50年代末，Frank提出“扩容硬化”学说，以及Brance和Martin为之所做的岩石力学试验,

46、说明了地下水在岩体破坏过程中的物理化学作用59。20世纪20年代以来，部分岩石力学与工程学者开展了油藏工程方面的地质力学问题研究62,在开发理论、热-流-固耦合理论及工程应用方法等方面做了大量创造性的研究工作。其中Lewis长期致力于石油开发领域的热固耦合理论研究，解决可考虑岩层变形影响的油藏模型和油气开采引起的地面沉降问题，发展了以流体孔隙压力、温度和空隙介质形变作为基本变量的耦合模型。当岩体受地应力和人类工程干扰及其他外部荷载共同作用时，岩体中的应力场要发生改变，影响到岩体裂隙宽度的改变，进而影响岩体渗流场。因此，岩体渗流场与应力场耦合问题的研究具有重要的理论研究价值和工程应用前景。目前，

47、岩体渗流场与应力场耦合问题研究主要集中在如下几个方面：（1）裂隙岩体渗透系数与正应力的关系Louis6根据某坝址钻孔抽水试验资料分析，得出了渗透系数与正应力的经验关系式，即 （1.2.15）式中，渗透系数；为当时的渗透系数；为有效正应力；为待定系数。式（1.2.15)是首次研究渗流与应力关系的公式，它反映了正应力增大,渗透系数变小，它们的关系呈负指数的关系。之后，德国的Erichsen从岩体裂隙压缩或剪切变形分析出发，建立了应力与渗流之间的耦合关系。Oda63由裂隙几何张量来统一表达岩体渗流与变形之间的关系。Nolte建立用裂隙压缩量有关的指数公式描述裂隙渗流与应力之间的关系。Noorishad64，65也提出了岩体渗流要考虑应力场的作用，他以Biot固结理论为基础，把多孔弹性介质的本构方程推广到裂隙介质的非线性形变本构关系，以此研究渗流与应力的关系。我国学者刘继山66，67用实验方法研究了单裂隙和两正交裂隙受正应力作用时的渗流公式,得出如下关系式为 （1.2.16）式中，为结构面最大压缩变形量；为结构面当量闭合刚度；为压水井(孔)中稳定水头；R为影响半径；r0为压水井(孔)半径；为结构面上的法向应力。对于正交裂隙受正应力作用时，其渗透系数与正应力的关系为 （1.2.17）式中，分别为最大、最小正应力；为