裂隙岩体渗流特性及溶质运移研究综述

汪昕 崔逍峰

摘 要：本文介绍了裂隙岩体立方定理的应用及演化，裂隙岩体渗流应力耦合模型研究，裂隙岩体溶质运移研究。综述了国内外关于裂隙岩体的渗流、水力耦合、溶质运移的试验及理论研究。通过分析表明，立方定理等理论研究当前仍具有不可靠性，在未来的研究中，需要通过物理模型试验对这些理论进一步修正，在建立物模试验研究系统时，可采用粒子追踪技术进行传质研究，建立裂隙网络模型与渗流传质特性的定量评估方法，并应用于实际工程中去。

关键词：裂隙岩体;渗流;水力耦合;溶质运移

近年来，由于国际上高放核废料深埋处理工程和裂隙性油气田与地热能开发的需要，对于裂隙岩体渗流与传质特性的理论研究逐渐成为了一个热点问题。因此，建立裂隙网络模型和渗流传质特性的定量评估方法具有重大意义。自20世纪40年代，苏联学者提出了流体在平行板模型中渗流的立方定理。国内外学者纷纷针对裂隙岩体渗流机制和溶质传递进行了理论和试验研究。

1 立方定理应用及演化

巖石中的裂隙受其生成环境影响，几何特性非常复杂。学者们在研究中将裂隙进行简化和抽象。苏联学者Boлoдькo和西方学者Snow[1]经过试验研究，得到了著名的立方定律，即通过节理面的流量和隙宽的三次方成正比。Lomize、Louis等[2]对单裂隙进行透水试验，证明了在水流为层流的情况下，立方定理具有有效性。Romm[3]对微裂隙与极微裂隙进行了研究，提出了隙宽满足大于0.2μm，立方定理成立。由于实际裂隙面非理想光滑面，经典立方定律需要针对节理面粗糙度进行修正。Lious和Maini、Neuzil和Tracy、Tsang和Witherspoon分别从不同角度研究了裂隙粗糙度对岩体渗透的影响。此后又提出了平均隙宽、力学隙宽和水力隙宽的概念。然而立方定律是否成立、在什么条件下成立仍然是研究难题。

2 裂隙岩体渗流应力耦合模型研究

对裂隙力学隙宽和水力隙宽的变化的耦合，可以实现裂隙岩石的水力学耦合。Lious关于单裂隙渗流和应力的关系进行了一系列的试验研究，提出了指数型经验公式。Jones关于碳酸盐类岩石裂隙渗流提出了对数型公式。Nelson得出了Navajo砂岩裂隙的渗透系数公式。Kranz等提出了Barre花岗岩裂隙渗流公式。Gale对花岗岩、玄武岩、大理石进行了试验研究，得到了经验公式。

为了更好地得到应力对裂隙岩体渗透性的影响。Gangi提出了钉床模型，利用一定比例的钉状物来描述岩体表面粗糙程度，通过压缩钉状物来描述应力对裂隙面的影响。Walsh将洞穴模型进行了推广，将描述力学变形性质的模型用于描述应力对渗透性的影响。Tsang和Witherspoon[4]结合了以上两种模型，提出了洞穴-凸起模型，利用洞穴模型描述裂隙面的变形性质，利用凸起模型描述渗流性质，使得单裂隙面渗流、力学耦合性质得到了很好的解释。

3 岩石裂隙溶质运移研究

Honrne和Rodriguez对平行板裂隙中的对流、横向分子扩散作用进行了分析，提出了溶质的弥散作用主要受“Taylor弥散”控制。大量试验表明，裂隙的弥散系数受流体流速的影响。Bear提出了弥散系数与流体平均流速的关系可表示为D=ανn，其中α为弥散度。Dronfield[5]等通过试验得到，对于光滑平行板模型，n可取为2;对于非常粗糙的裂隙面而言，n可取到1.3。管后春[6]等通过试验得到在相同粗糙度下，粗糙度增加，n值减少。Perkins和Johnston通过试验得到弥散系数的公式，并指出粗糙裂隙中纵向弥散系数约为横向弥散系数的30倍。

模拟裂隙岩石中的溶质运移方法有例子追踪技术和直接求解对流-弥散方程。Zhao等开发了等效水动力弥散系数的计算程序，应用随机步粒子追踪方法计算裂隙岩体中的Pe数。Koyama等利用粒子追踪技术研究了剪切作用对裂隙溶质运移的影响。

4 结论

（1）立方定理在复杂情况下应当如何修正，用以更好地描述岩体渗流场，需要与各类因素结合考虑。

（2）通过对单裂隙岩石渗流试验研究，能够为三维裂隙岩体多场耦合提供可靠的基础。

（3）单裂隙是组成地下岩体裂隙网络的基本单元。针对单裂隙岩石物理模型的试验在今后的研究中尤为重要，利用粒子追踪技术对裂隙岩体中的渗流情况和溶质追踪可实现流场的实时描述。

参考文献：

[1]Snow D.Anisotropic permeability of fractured media.Water Resource Research，1969，5（6）：1273-1289.

[2]LOMIZE G M.Flow in fractured rocks.Moscow：Gosemergoizdat，1951.

[3]ROMM E S.Flow Characteristics of fractured rocks.Moscow：Nedra，1996.

[4]Tsang Y W，Witherspoon P A.Hydromechanical behavior of a deformable rock fractures subject to normal stress.Journal of Geophys Research，1981，86（B10）：9187-9298.

[5]Dronfield D G，Silliman S E.Velocity dependence of dispersion for transport through a single fracture of variable roughness.Water Resource Research，1993，29（10）：3477-3483.

[6]管后春，罗绍河，钱家忠.单个粗糙裂隙中水流及溶质运移研究进展[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2006，29（9）：1063-1067.