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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。
页岩储层多尺度渗流实验及数学模型研究刘华;王卫红;陈明君;刘启国;胡小虎【摘要】页岩储层中存在纳米孔隙、微米孔隙、微裂隙和裂缝等多尺度孔隙结构.为了认识页岩储层的多尺度渗流规律,采集涪陵龙马溪组页岩岩样,利用改进的实验装置,开展了吸附/解吸、应力敏感和扩散等实验.实验结果表明:吸附/解吸基本符合兰格缪尔方程;渗透率与有效应力符合指数函数关系;扩散系数随温度的升高而增大,符合Fick扩散定律.基于渗流力学理论分析了页岩储层的多尺度渗流机理,认为页岩气在基质中的流动包括由压力差所引起的渗流、浓度差引起的扩散以及由于压力降低而引起的页岩气解吸,裂缝中的流动为压力差引起的渗流.基于实验及理论分析,建立了页岩储层多尺度综合渗流数学模型,为页岩气井渗流规律研究、产能评价及生产动态分析奠定基础.【期刊名称】《西安石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(033)004【总页数】6页(P66-71)【关键词】页岩储层;渗流规律;多尺度孔隙结构;岩页气渗流数学模型;解吸;扩散【作者】刘华;王卫红;陈明君;刘启国;胡小虎【作者单位】页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室,北京100083;中国石化石油勘探开发研究院,北京100083;页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室,北京100083;中国石化石油勘探开发研究院,北京100083;西南石油大学,四川成都610500;西南石油大学,四川成都610500;页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室,北京100083;中国石化石油勘探开发研究院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TE312引言我国页岩气资源十分丰富[1-3]。
据国土资源部《2012中国矿产资源报告》显示，我国页岩气地质资源潜力为134×1012 m3，可采资源潜力为25×1012 m3。
页岩气藏不同于常规气藏[2-5]：基质赋存方式独特，自由气和吸附气共存；页岩孔隙结构复杂，存在纳米孔、微米孔、微裂隙、裂缝等，页岩储层致密，孔喉细小，基质渗透率通常小于0.001×10-3μm2，渗流不符合达西定律。
《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。
面向多孔介质渗流的数值模拟与优化研究多孔介质渗流是一种在自然界中广泛存在的现象，也是工程领域中很重要的问题之一。
通过数值模拟和优化研究可以更好地理解和控制多孔介质渗流的行为，从而为解决一些实际问题提供有效的解决方案。
本文将从多孔介质渗流的数值模拟方法和数值优化技术两个方面进行探讨。
首先，多孔介质渗流的数值模拟方法是研究该问题的基础和核心。
目前，常用的数值模拟方法包括有限差分法、有限元法和格子Boltzmann方法等。
这些方法可以通过数学模型将多孔介质内的渗流过程表示为一组偏微分方程，然后通过离散化近似和数值解方法来求解这些方程。
其中，有限差分法和有限元法是最常用的数值模拟方法，它们可以较准确地模拟多孔介质内的渗流现象。
在数值模拟过程中，需要对多孔介质的物理参数进行合理的选择和定义。
例如，多孔介质的渗透率、孔隙率、平均粒径等参数可以直接影响渗流的行为。
通过实验数据和经验公式可以估计得到这些参数的数值，然后将其应用在数值模拟中。
此外，为了提高数值模拟的准确性，还需要考虑多孔介质的非均质性和各向异性等因素，这些因素可以通过网格划分和边界条件的设置来考虑。
数值模拟结果的验证和验证也是研究多孔介质渗流的重要环节。
通过与实验数据进行对比，可以评估数值模拟的准确性和可靠性。
当数值模拟结果与实验数据吻合较好时，就可以应用该数值模拟方法来预测多孔介质渗流过程，并进一步优化设计。
其次，数值优化技术可以用于多孔介质渗流问题的优化研究。
多孔介质渗流的优化研究主要包括两个方面：一是优化多孔介质结构，改变渗透率分布、孔隙率分布等参数，以实现特定的渗流行为；二是优化渗流控制策略，通过改变边界条件和应用控制策略，实现对渗流的控制和调节。
在多孔介质结构的优化研究中，可以使用一些优化算法来求解最优的多孔介质结构。
例如，遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等可以用于求解多孔介质结构优化的问题。
通过优化多孔介质结构，可以使得渗透率分布更加均匀，孔隙率分布更加合理，以实现更好的渗流行为。
裂隙岩体渗流模型研究现状摘要：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。
本文简要地介绍了裂隙岩体渗流的几个特点与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。
中图分类号：p5 文献标识码：a 文章编号：1007-0745（2013）06-0204-011、引言渗流是流体通过多孔介质或裂隙介质的流动，是一种与人类的一些工程活动密切相关的现象。
其相关理论在水电、建筑、边坡、以及基础等工程方面都有着重要的发展及应用。
虽然近几世纪，基于达西定律而建立的经典渗流理论发展十分迅速，并成为流体力学的一个重要分支。
但因经典的渗流理论是建立于连续介质假设，而众多的工程实例和科学研究表明，岩体渗流于本质上与土体渗流有明显的区别。
国外对裂隙岩体渗流最早开展研究的国家是前苏联，1951年，苏联学者лмизе著作了《裂隙岩石中的渗流》一书，是本方面最早的专著。
此后，1966年，ромм发表了《裂隙岩石渗透特性》一书，夯实了裂隙岩体渗流研究理论的基础。
法国的c.louis教授在开展裂隙岩体渗流的研究后，于20世纪60、70年代首先提出岩体水力学这一崭新的学科概念。
70年代后，国内也涌现出了很多学者对裂隙岩体的渗流理论的卓有成效的研究成果，比较突出的系统性著作有许彦卿的《岩体水力学导论》和张有天的《岩石水力学与工程》等。
2、裂隙岩体渗流的特点一般的岩体拥有纵横交错的张、压、扭性结构面，其是由空隙性好且导水性能差的岩块孔隙系统与空隙性差但导水性能强的裂隙系统组成的，这是典型的孔隙—裂隙双重介质。
岩块的渗透系数较裂隙而言十分微小，三峡工程永久性船闸区的花岗岩岩块渗透系数不到裂隙渗透系数的10-6倍。
所以，岩体渗流从属裂隙渗流，比孔隙渗流的土体具有更独特的特点：（1）渗透系数的非均匀性十分突出姑且不论组成岩体的岩块与裂隙之间的渗透性相差若干数量级而造成的非均匀性，裂隙大小、长度、产状等在空间分布上的差异也会形成岩体渗透系数的非均匀性，甚至同一个地质钻孔的不同孔段处的单位吸水率可能相差若干数量级。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述
裂隙岩体是指具有显著透水性的岩体，其中存在着许多连通的裂隙空隙。
裂隙岩体是地下水运移和岩溶发育的重要媒介之一。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究对于地下水资源管理、环境保护和岩溶地质灾害预测具有重要意义。
1. 渗流特性：裂隙岩体的渗流特性取决于岩石的裂隙结构、裂隙的连接性和空隙的连通性等因素。
常用的渗流参数包括渗透率、孔隙度、渗透率分布等。
研究发现，裂隙岩体的渗透率和孔隙度呈现一定的尺度效应，即渗透率或孔隙度随着测量尺度的增加而增加。
2. 溶质运移：溶质运移是指溶解于地下水中的物质在裂隙岩体中的迁移过程。
溶质运移过程受到多种因素的影响，包括溶质的吸附-解吸、扩散、对流等。
研究发现，裂隙岩体中的溶质运移速度与渗透率、孔隙度、溶质特性等因素密切相关。
3. 渗流与溶质运移的模拟：为了更好地理解裂隙岩体的渗流特性和溶质运移过程，研究者使用数值模拟方法对岩体中的渗流与溶质运移进行了模拟。
常用的模拟方法包括有限元法、有限差分法等。
数值模拟结果可以帮助我们预测地下水流动和溶质运移的规律，为地下水资源管理和环境保护提供科学依据。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究中还存在一些挑战和难点，如裂隙岩体的空间异质性、渗透率和孔隙度的尺度效应以及溶质吸附-解吸的机制等。
需要进一步深入研究和探索，提高对裂隙岩体渗流特性及溶质运移的理解和预测能力。
第27卷 第4期岩石力学与工程学报 V ol.27 No.42008年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April ，2008收稿日期：2007–10–06；修回日期：2007–12–03基金项目：国家自然科学基金资助项目(50709014)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412708)；清华大学骨干人才计划资助项目 作者简介：刘耀儒(1974–)，男，博士，1998年毕业于清华大学水利水电工程系水工结构专业，现任讲师，主要从事岩石力学、水工结构和流固耦合方面的教学与研究工作。
E-mail ：liuyaoru@基于统计模型的裂隙岩体渗流场的并行数值模拟刘耀儒1，杨 强1，覃振朝2(1. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；2. 福建水口发电有限公司，福建 福州 350002)摘要：为模拟天然岩体中裂隙对渗流的影响，基于裂隙的空间形态及分布的统计特性，应用裂隙网络随机模拟技术，采用Matlab 程序生成二维裂隙网络。
由此裂隙网络生成包含裂隙的有限元计算网格。
考虑到渗流场数值模拟分析时步多、计算量大的问题，采用基于element-by-element 策略的有限元并行计算方法进行数值模拟。
该方法不集成整体刚度矩阵，可有效节省存储量，同时可降低共轭梯度法中的迭代次数，提高收敛性。
编制相应的模拟分析并行程序，并在分布存储的并行机上实现。
分别对包含1，2组裂隙的岩体进行渗流场的数值模拟。
计算结果表明，该方法能够较真实地反映裂隙岩体的实际状态，对于模拟岩体中的裂隙是很有效的；同时，并行计算可有效降低数值模拟的计算时间。
关键词：数值分析；渗流；裂隙岩体；并行计算中图分类号：O 241 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)04–0736–07PARALLEL NUMERICAL SIMULATION OF SEEPAGE IN FRACTUREDROCK MASS BASED ON STATISTIC MODELLIU Yaoru 1，YANG Qiang 1，QIN Zhenchao 2(1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ；2. Fujian Shuikou Power Co .，Ltd.，Fuzhou ，Fujian 350002，China )Abstract ：To simulate the fractures in natural rock ，the fracture network has been formed with Matlab based on statistical parameters of fracture shapes and random distribution of fractures. Then finite element mesh has been generated with fracture network. Considering enormous time steps and huge workload in the numerical analysis ，the element-by-element(EBE) finite element parallel computation method is adopted for numerical simulation. This algorithm does not generate global stiffness matrix and only stores element stiffness matrices ，which can reduced the number of iteration in preconditioning conjugate gradient method and improve the convergence of calculation. Corresponding parallel program for numerical analysis is developed and then implemented on cluster of workstation. Numerical analysis of seepage is conducted for two examples ，which include separately one set fracture sets and two different strikes of fractures. Computational results show that the numerical analysis model is effective for the fractured rock mass.Key words ：numerical analysis ；seepage ；fractured rock mass ；parallel computation 1 引 言在边坡和坝肩稳定分析、地下洞室开挖稳定分析以及油藏的数值模拟方面，渗流场的影响是非常重要的。
裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述裂隙岩体是一种复杂的多孔介质，其渗流特性和溶质运移过程具有重要的科学研究价值和实际应用意义。
本文通过综述相关文献，对裂隙岩体渗流特性及溶质运移进行综合概述。
裂隙岩体的渗流特性主要受到孔隙度、连通性、裂隙形态和尺度等因素的影响。
孔隙度是描述岩石中开放孔隙占据体积比例的参数，其大小直接影响水分的保存和渗流。
研究发现，裂隙岩体的孔隙度往往较低，且孔隙度分布不均匀。
连通性是指裂隙通道之间是否有连接，裂隙岩体的连通性对于水分和溶质的运移具有重要影响。
裂隙形态和尺度则决定了裂隙岩体的渗透性和孔隙结构特征。
研究表明，裂隙岩体的孔隙结构非常复杂，常见的裂隙形态有裂隙、裂缝、破碎带等。
裂隙岩体的渗透性与孔隙度、裂隙连通性、裂隙尺度以及裂隙空间排布关系密切。
裂隙岩体的溶质运移过程是指溶质在裂隙岩体中的传输和迁移过程。
裂隙岩体的渗透性决定了溶质在岩体中的传输速度和方向。
研究发现，溶质在裂隙岩体中的运移方式常常是非均质性和非线性的，存在多种影响因素。
岩石的物理化学特性、裂隙岩体结构、水力梯度和孔隙水化学成分等因素都会对溶质运移过程产生影响。
应力和温度等外界环境条件也会对溶质的迁移起到重要作用。
为了研究裂隙岩体的渗流特性和溶质运移过程，研究者运用了各种实验方法和数值模拟技术。
实验方法包括渗透试验、压汞试验、水力压裂试验等，通过对裂隙岩体的物理力学性质和水力参数进行实验测量。
数值模拟技术可以模拟和预测裂隙岩体的渗流特性和溶质运移过程，如常见的计算流体力学和有限元模拟方法。
裂隙岩体渗流特性和溶质运移过程是一个复杂而具有挑战性的课题，对于科学研究和实际应用都具有重要意义。
通过深入研究裂隙岩体的孔隙结构、渗流特性和溶质运移机制，可以提高对地下水资源和地下污染等问题的理解，为水资源管理和环境保护提供科学依据。
《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。
第4期2020年8月No.4 August，20201 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。
岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟研究邵建立; 周斐; 薛彦超; 杜后谦【期刊名称】《《煤矿安全》》【年(卷),期】2019(050)009【总页数】4页(P1-4)【关键词】双重介质; 渗流; 裂隙形状; 边界通量; 数值模拟【作者】邵建立; 周斐; 薛彦超; 杜后谦【作者单位】山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛 266590【正文语种】中文【中图分类】TD742+.3岩体渗流一直是矿山、水利水电、建筑等岩土工程的重要问题，流体在岩体裂隙中快速运移，也会相对缓慢的通过周围基质块中微小孔隙迁移。
采取合理的防渗措施是防控岩体渗流危害的有效手段，而准确地选取理论模型进行计算和模拟是预防和消除岩体渗流影响的关键[1-2]。
基于岩体具有裂隙和基质双重渗流过程，研究孔隙-裂隙双重介质渗流场发展变化规律尤为重要。
国内外学者已经针对裂隙岩体渗流特征进行了许多相关的研究。
朱斌[3]等结合开滦赵各庄矿14 水平开拓东大巷揭露的薄层煤岩体渗流演化过程进行数值模拟，通过调节渗透系数，获得了薄层煤岩体裂隙-孔隙双渗流在时间和空间上的孔隙水压变化过程；速宝玉[4-6]等通过实验研究裂隙岩体渗流应力耦合情况，阐明了单裂隙面的各种经验公式、间接公式及其适用条件，分析了裂隙岩体渗流应力耦合模型优缺点及目前工程应用情况。
李琛亮[7]等研制的双重介质渗流水力特性试验系统，研究了基于双重介质模型的水量交换以及渗流场的水压分布规律以及双重介质的水力性态和渗流机制，得出孔隙-裂隙双重介质水交换影响因子对双重介质水交换的影响能力；国外Barenblatt 提出均质、各向同性的孔隙-裂隙双重介质概念[8]，后续学者们开展了孔隙-裂隙双重介质模型及其解析和数值算法[9-10]。
Samardzioska[11]比较了岩体等效介质模型、裂隙网络模型和裂隙－孔隙双重介质模型的渗流演化规律，获得了不同介质假设下岩体渗流演化对比研究成果。
由于岩体内部不可视性和裂隙网络错综复杂，学者们难以可视化地揭露内部孔隙-裂隙渗流规律变化。
基于此，采用多孔介质渗流数值模拟的方法，建立断裂的多孔介质块模型，通过不同形状路径的裂隙，对孔隙-裂隙双重介质渗流场分布进行模拟研究，以期为揭露岩体渗流规律、渗流危害预测与防治提供一定的理论支持。
1 孔隙-裂隙渗流数值模拟1.1 基本控制方程1.1.1 孔隙渗流方程流体在均质的基质块中渗流遵循达西定律[9]，随时间变化的方程为：式中：u 为速度矢量，m/s；p 为孔隙水压力，Pa；εp 为基质块的孔隙率；S 为基质块储水系数，1/Pa；ρ为密度，kg/m3；t 为时间。
线性储水模型为：式中：Xf 为流体压缩率，1/Pa；Xp 为基质块等效压缩率，1/Pa。
在块内，内建的速度变量u 给出达西速度，达西速度是多孔介质单位面积的体积流量。
式中：k 为基质块的渗透率，m2；μ 为流体动力黏度，P a·s。
1.1.2 裂隙渗流方程使用COMSOL 裂缝流边界条件，允许沿着内部边界或裂隙定义流动。
在这种边界条件下，裂隙速度方程遵循基质块内速度方程（即达西定律）的修正形式。
考虑到裂隙对流动阻力较小，裂隙厚度较小，使得裂缝与基体的尺寸一致性，对达西定律修正，得到以下方程：式中：Sf 为裂隙储水系数，1/Pa；kf 为裂隙的渗透率，m2；df 为裂隙厚度，m；▽T 为裂隙切向平面的梯度算子。
由于裂缝流动方程中含有厚度，内建变量uf 给出了裂隙单位长度的体积流量：式中：uf 为裂隙速度矢量，m/s。
1.2 模拟方案使用COMSOL 数值模拟软件对孔隙-裂隙双渗流进行数值模拟。
岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟模型如图1。
物理模型为4 种断裂的均质的多孔介质块，块体每边长度为1 m。
块中为不同形状路径的裂隙，依次为90°夹角型、45°夹角型、135°夹角型、圆角型。
与孔隙渗流相比，裂隙对流体的渗透性更强，同时裂隙厚度为0.1 mm，远小于块的尺寸。
流体从右向左移动，通过块进入裂隙下部边界并从上部边界离开。
流体最初不在块内渗流。
出口边界处的压力随时间下降，而入口边缘处的压力在整个模拟过程中保持初始压力。
图1 岩体孔隙-裂隙双渗流数值模拟模型除了在裂隙边界之外，基质块的壁是不可渗透的。
沿块体的所有面应用0 流量边界条件：式中：n 为向外指向边界的法向量。
在裂隙入口和裂隙出口，采用压力边界条件，关系式如下（0≤t≤1 000 s）：式中：p 为裂隙出口压力，Pa；p0 为裂隙入口压力，Pa；t 为时间，s；a 为压力变化率，Pa/s。
本次数值模拟的相关参数和赋值见表1。
2 模拟结果分析2.1 裂隙流动分析以90°角裂隙模拟为例分析裂隙流动变化。
不同时刻裂隙路径速度分布如图2。
随着时间的变化，出口边界的压力呈线性减少，而入口边界的压力保持恒定p0，产生的压力差驱使流体流动，裂隙上的速度分布逐渐改变。
可以发现，计算刚开始速度分布均匀，随着压力差增大，速度场也发展增大。
当计算达到1 000 s，入口边界和出口边界压力差达到最大值，速度场也发展到最大值。
其次，流体从裂隙入口到出口，其速度是线性连续的，其中在向上导升过程中部分动能转化为势能，速度变化微小，而在入口边界和出口边界的速度始终是流场中的最大值。
表1 数值模拟相关参数和赋值?图2 不同时刻裂隙路径速度分布2.2 基质孔隙流动分析以90°角裂隙模拟为例分析内部流动。
不同时刻基质块内部压力等值面分布如图3。
随着时间变化，出口压力逐渐减小，整个基质块内部孔隙压力重新分布，压力等值面分级增多，高压等值面靠近入口，低压等值面靠近出口，基质块内部压力梯度越来越显著。
同时等压面穿过裂隙，表明压力分布在断裂的基质块中是连续的，因此裂隙上压力分布也是连续。
但在压力等值面与裂隙相交处具有不同程度的弯折，联合图2 可发现，裂隙速度越大压力等值面弯曲越明显，表明流体在裂隙和孔隙中的流动状态不同。
2.3 不同路径裂隙流动对比分析对于4 种不同断裂形状的多孔介质块，保持相同初始参数和边界条件模拟，分别在4 种模型种选取x=0.5 m 处yz 截面，以1 000 s 计算为例，绘制速度等值线并填充（图4）。
图3 不同时刻基质块内部压力等值面分布由图4 可以看出，速度场基本在截面上呈中心对称分布，且不同路径的裂隙对孔隙渗流速度影响是不同的，在45°、90°、135°角形状裂隙路径中，夹角处均出现了较小的相对高速区域，图4 圆角则没有出现这种相对高速区域，原因是在夹角处流体的流动方向突然发生改变，产生了局部阻力损失，而缓和的路径减少了这种能量损失，圆角型裂隙流体在出口处速度比其他路径裂隙出口速度都高，达到2.59×10-4 m/s。
图4 不同断裂形状的基质块截面速度分布沿不同形状路径裂隙出口边界上，不同时刻流体边界通量分布如图5。
流体边界通量是指单位时间内流经边界单位面积的物质量，是表示输送强度的物理量。
本次模拟中，除了裂隙形状不同，其余参数保持相同，因此出口边界通量可以反映不同路径裂隙情况下流体流动的强度或速度。
从图5 中看出，起始阶段不同形状裂隙的边界通量相差微小甚至相交，因为初始阶段入口和出口的压力差不大，流体运动缓慢，随着时间增加，速度场逐渐发展，不同路径裂隙渗流的能量损失逐渐明显，同时不同路径裂隙的边界通量也呈线性增长趋势。
当计算至1 000 s时，圆角型和135°夹角型路径裂隙具有较高的边界通量，表示渗流过程中流体能量损失较小，而圆角型路径裂隙边界通量最高，说明圆角型路径裂隙流体能量损失最小；90°夹角型和45°夹角型路径裂隙边界通量较小，表示这2 种路径渗流过程能量损失较大，其中45°夹角型边界通量最小，说明渗流过程能量损失最多。
图5 不同时刻4 种裂隙出口边界通量变化3 结论1）裂隙是渗流的主要途径，在压力充足的情况下，流体在裂隙流动发展最充分，渗流场在裂隙路径上连续分布。
在矿山深部和地下岩土工程等具有高水压威胁的地方，裂隙渗流的影响不可忽视，应从裂隙渗流角度防控灾害。
2）各向同性的多孔介质内部孔隙压力梯度分布均匀，断裂的多孔介质块压力分布是连续的，裂隙和孔隙存在流体交换，这取决于流场内压力分布。
由于裂隙和孔隙具有不同的渗透率等因素，流体在裂隙和孔隙的流动状态明显不同。
3）不同形状路径的裂隙渗流场也有差异。
保持相同初始参数，4 种路径裂隙出口边界流体通量在起始阶段相差微小，随着时间变化速度场充分发展，这种差距愈加明显，到1 000 s 时，4 种裂隙出口边界通量的大小关系为：圆角型＞135°夹角＞90°夹角＞45°夹角，说明4 种路径裂隙的能量损失大小关系为：45°夹角＞90°夹角＞135°夹角＞圆角型。
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