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水 利 学 报

２０２３年 ５月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ５期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０５ － ０５７５ － １２

确定裂隙岩体渗透系数张量的一维环单元模型研究

王俊奇，汪志刚

（华北电力大学 水利与水电工程学院，北京 １０２２０６）

摘要：裂隙岩体的渗透张量确定一直是渗流领域研究的重点。本文基于广义达西定律，提出一种新型空间一维环
单元模型来计算三维裂隙岩体的渗透张量，该模型简化了以往复杂的三维面状流模型。通过解析法和数值模拟法
对一维环单元模型的合理性进行验证，并利用面单元模型校核该模型的精度。结果表明：对于同一裂隙岩体，环
单元模型计算得到的渗透张量，与现场压水试验校核过的数据相比，误差在合理范围之内，与面单元模型计算得
到的结果相比，基本相同；环单元模型是一种可行、精度高且实用的简化模型，比面状流模型简单，在计算渗透
张量时能极大地减小运算规模，优化了算法。研究成果可为确定裂隙岩体的渗透张量提供新思路。
关键词：离散裂隙网络；环单元；渗透张量；面单元；定水头法
中图分类号：ＴＵ４５２ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０４５８
文献标识码：Ａ

１ 研究背景

地壳中复杂的地质作用造成了岩体中不连续的结构面，这些大量相互连通、断续和大小不均的粗
糙结构面在岩体中形成了复杂的裂隙网络系统 ［１ － ２］ 。因为岩体的渗透性一般很微弱，所以在实际分析
中，往往会忽略岩块自身的透水性而把裂隙看作是岩体中主要的渗流通道。近十几年来，由于计算机
技术的快速发展，国内外很多学者应用离散裂隙网络（ ＤＦＮ）模型开展了大量岩体渗流领域的研究 ［３ － ５］ 。
离散裂隙网络模型对岩体裂隙网络体系中的各个裂隙加以具体的模拟，并努力得到裂隙体系中各点的
［６ － ７］
真实渗流情况，故离散裂隙网络模型拟真性好、精度高。因此，本文采用 Ｍｏｎｔｅ － Ｃａｒｌｏ 离散型裂隙
网络模型来准确模拟实际岩体中的渗流规律。
如今，研究裂隙岩体渗透张量的方法主要有试验法和数值法两种。由于试验的成本很大，近年来
学者们使用试验与数值模拟相结合的方法解决了许多工程问题。吴锦亮等 ［８］ 结合复合单元法和现场单
孔压水试验法，研究了三维裂隙岩体的渗透张量和表征单元体积（ＲＥＶ）；周志芳等 ［９］ 利用黄岛地下洞
库的试验成果，对单条裂隙及裂隙组渗透张量特征值的扰动问题进行了研究，发现只有优势裂隙组的
优势裂隙在岩体整体渗流问题中占主导地位；Ｚｈｅｎｇ等 ［１０］ 通过单井抽水试验和数值模拟两种方法，证
明了其提出的定向渗透率估计方法是有效的；李崴等 ［１１］ 研究了节理产状对 ＲＥＶ尺寸及渗透系数的影
响，对平行流和辐射流两种情况进行了比较；黄庭威 ［１２］ 根据已知统计参数生成了二维离散裂隙网络，
研究了裂隙密度、迹长和粗糙度对 ＲＥＶ尺寸及渗透特性的影响。采用合适的模型和计算机软件分析
渗流，可以提高研究的效率。王鑫永等 ［１３］ 根据甘肃北山一测区的裂隙实测参数，编译 ＭＡＴＬＡＢ程序
模拟变截面管单元网络计算裂隙岩体的渗透张量，并得到了 ＲＥＶ尺寸；Ｒｅｎ等 ［１４］ 通过数值模拟法构
建出管网模型，分析了裂隙参数及外界应力条件对其渗透系数的影响；蒋中明等 ［１５］ 基于 ＤＦＮ技术，
提出了一种嵌入式的裂隙单元（ＥＦＥ）模型，根据计算的渗透系数张量验证了该模型的合理性，并分析

收稿日期：２０２２ － ０６ － １２；网络首发日期：２０２３ － ０２ － １４
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２１３．１４２７．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１５７９１００）；水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金项目（２０１６ＳＧＧ０３）
作者简介：王俊奇（１９７１ － ），副教授，主要从事裂隙岩体渗流研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｊｑｗａｎｇｍａｉｌ＠１６３．ｃｏｍ
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