叶 飞 耿庆达 高 朝

（中国安能集团第一工程局有限公司，广西 南宁 530000）

1 工程概况

工程项目位于四川省西部的甘孜州九龙县境内，项目内容包括隧道6 座，隧道进出口段围岩以V 级围岩为主，节理裂隙发育，岩体破碎；隧道洞身段围岩级别以Ⅳ、Ⅲ级围岩为主，围岩较完整，节理裂隙发育，呈碎裂、块状结构。根据工程地质勘察报告，场区内分布广泛的主要为基岩裂隙水，其余为构造裂隙水。地下水无色、无味、透明，水质类型以Ca-HCO3为主属弱碱性水。

2 裂隙岩体渗流场分布研究

水在裂隙中的实际运动是十分复杂难测的，为便于研究，通常进行基本假定：当水在裂隙中运动时充满整个裂隙空间，认为地下水所受阻力与介质阻力一致，针对水在各类介质中的普遍规律进行研究。

在天然地质中，岩体中的裂隙将直接影响岩体的各项物理力学性能以及地下水渗透性能。同时，地下水渗流场受岩体裂隙应力影响较大，反之渗流场的变化又对岩体应力产生影响，这种相互作用称为渗流应力耦合[1]。在山区隧道中，地下裂隙水渗流时将带走部分软弱岩体或其填充物，导致围岩强度及稳定性降低，运营期间易出现渗流水现象且该工程中裂隙水为主要地下水类型，分布广泛，因此基于渗流应力耦合作用，进行裂隙岩体地下水渗流研究，对隧道防排水施工与渗漏水治理有至关重要的作用。

2.1 单裂隙水渗流理论

1852—1855年，法国科学家达西通过试验发现，单位时间内，同一断面内的渗流量Q与水流长度L成反比，与渗透系数K、水头差、垂直于水流方向的截面积A成正比，这就是有名的达西定律[2]，它是渗透的基本定律，如公式（1）所示。

式中：Q为渗流量；K为渗透系数；A为垂直于水流方向的截面积；∆H为水头差；L为渗流长度。

由水力学可知，流经某一断面的水流量等于流速与断面的乘积，如公式（2）所示。

因此，达西定律公式可简化为公式（3）所示。

式中：V为渗流速度；J为水力坡度，J=∆H/L。

与此同时，根据经典的理想光滑平板单一裂隙网络渗流研究基本理论——立方定律[3]可知，单宽流量q如公式（4）所示。

式中：q为裂隙单宽流量；g为重力加速度；d为裂隙宽度；μ为水流运动黏滞系数。

根据公式（3）和公式（4）推导，单裂隙内地下水渗流速度计算如公式（5）所示。

裂隙渗透系数如公式（6）所示。

然而，理想的平板裂缝在现实中几乎不存在，现实裂隙面粗糙且起伏不一，为体现裂隙面渗流场的影响，裂隙渗透系数通常进行折减，即乘以折减系数m，则裂隙渗透系数如公式（7）所示。

2.2 裂隙渗流场分布理论推导

裂隙岩体渗流计算模型根据目前应用情况，并结合工程实际，拟采用等效连续介质模型，该模型理论服从达西定律，假定地下水渗流环境为连续介质状态，运用孔隙介质渗流方法，操作简单，成果实用性较好[4]。

在等效连续介质中，渗流场表征为稳定渗流与非稳定渗流2 种状态。对非稳定渗流来说，根据孔隙介质渗流方法，取渗流场中一处微体，结合达西渗透定律，联合得出非稳定渗流基础方程如公式（8）所示。

式中：H为总水头；kx、ky、kz为x、y、z方向的渗透系数；Q为流量；Θ为体积含水率；t为时间。

受渗流应力耦合作用影响，含水率将随应力状态变化而变化，但因岩体自身为非力源，即自身不产生或分散荷载，因此含水率只受孔隙水的压力影响而变化，其变化特性应满足公式（9）。

式中：mw为阻流系数；uw为孔隙水压。

同时由水力学可知，总水头H是由计算处水头与压力水头共同构成的，如公式（10）所示。

式中：rw为水体容重；z为计算处水头。

根据公式（8）～公式（10），可得出裂隙渗流场非稳定渗流状态理论方程，如公式（11）所示。

对稳定渗流来说，因渗流发生时水头上下限处于固定不变状态，则单位时间内岩体裂隙中的渗流量不发生变化，因此，由公式（8）得出裂隙渗流场稳定渗流理论方程，如公式（12）所示。

3 裂隙岩体渗流的优势水力路径研究

优势水力路径既是岩体中地下水沿岩体裂隙发生渗流现象时的渗流通道，也是渗流路径，是裂隙岩体重要的特性之一[5]。研究裂缝岩体渗流的优势路径，探索其应力环境与渗流环境，为控制隧道渗流与施工提供参考。

3.1 优势水力路径形成机理

对裂隙来说，完整岩体的渗透性能几乎可以忽略不计，因此，忽略岩体的渗透性只对裂隙渗流进行研究即研究地下水在裂隙中的运动规律，这就是经典的立方定律。由公式（4）各参数可知，裂隙宽度是影响渗流量的重要因素。由于岩体中不止1 条裂隙且裂隙宽度不同，因此地下水主要流经较大裂隙宽度处发生渗流，即为优势水流。

通过国内外学者大量研究表明，岩体中的裂隙大多为非贯通或闭合裂隙，仅10%～20%为贯通裂隙，因此裂隙岩体中只有少部分能形成渗流通道，其余裂隙更多是发挥保水作用。

3.2 优势水力路径应力分布特性

岩体中的裂隙因其发展不规律的特性，所以始终处于应力变化的状态，默认裂隙中的水体充满整个裂隙空间且忽略水体的剪切应力（默认水体不受剪应力）。采用岩体勘察软件建立岩体模型，并通过SDFN 随机裂隙网络程序生成裂隙网络，结构模型如图1所示。根据裂隙受力计算模型，对裂隙的σ1、σ2不同赋值进行模拟计算，赋值分组见表1，模拟结果及流量对比如图2所示。

图1 岩体结构模型及裂隙生成图

图2 不同应力状态裂隙发展及流量对比图

表1 岩体裂隙赋值分组明细

由图2 可知，当无围压时（图2（a）），由于渗流水体的自身水压作用，岩体应力有所降低，因此裂隙表现出扩张状态。而在二向等压的情况下（图2（b）），岩体不仅能抵消来自渗流水体的水压力，还能向裂隙施加正向压力，使裂隙表现出收缩状态。当进行异边增压时，保持σ2不变，当σ1增大时（图2（c）），裂隙受到2 个垂直方向不同的压力，其压力差使裂隙承受剪切变形，沿较大压力方向逐渐收缩，裂隙宽度变小，整体渗透性降低。值得注意的是，当压力持续增大时（图2（d）），裂隙反而呈现整体闭合或急剧收缩现象，这表明当岩体压力超过一定数值时，原优势路径上的岩体裂隙将发生突变，阻断或减弱渗流通道，现实表征为岩体透水性降低；当保持σ1不变，σ2增大时（图2（e）），裂隙表现形式与上述异边增压情况基本一致（异向同形）。

从不同应力状态的裂隙流量对比可知（图2（f）），岩体中的应力状态（应力环境）对裂隙渗透流量有显著影响，在不同应力状态中，裂隙受到岩体施加的法向应力以及渗流水体施加的切应力（理想状态除外），使裂隙宽度变化极大，表征为岩体渗透性能的差异，这说明岩体渗透性能对应力环境尤其敏感，这与裂隙岩体渗流应力耦合效应相吻合。

4 结论

该文依托某山岭隧道工程应用场景，对裂隙岩体地下水渗流场分布的理论推导与渗流优势水力路径的模拟研究，揭示裂隙岩体地下水运动规律，为隧道防排水施工提供指导，得到以下3 个结论：1）以达西定律为基础理论，推导出地下水渗流速度计算公式，并得出符合实际情况渗流介质的渗透系数表达式；运用等效连续介质模型，推导得出非稳定渗流与稳定渗流的理论方程，为裂隙岩体渗流场提供评价依据及理论支撑。2）地下水在岩体裂隙中渗流运动形成的最佳水流通道即为优势水力路径，其和渗流介质（岩体）的渗透性息息相关，而岩体渗透性受应力环境影响将对裂隙宽度产生制约，最终导致渗流量和优势路径发生变化，模拟结果符合渗流应力耦合效应。3）通过地下水运动规律研究，在以裂隙水为主的山岭隧道施工过程中，通过理论计算地下水运动参数（水体渗流速度、介质渗透系数等）并进行控制（如围岩注浆、渗水封堵引流等），同时对隧道围岩应力状态的监测与控制，调整或改变渗流路径，在隧道防排水施工中具有指导意义。