沈阳建筑大学土木工程学院 辽宁沈阳 110168
摘要：自上世纪起，矿山开采、深部矿井、土石坝建设不断兴起，这些工程中岩土体往往处于高压力作用之下，且渗透问题是这些工程的重点难点，但目前对于高压力作用下岩土体渗透特性的研究较少，工程设计仍以传统理论为主，对工程安全留下了隐患。因此，高压力作用下岩土体渗透特性亟须进一步深入研究，对现有理论进行创新，指导工程实践。本文对何为高压力提出了自己的见解，对现有研究进展进行了梳理，阐述了高压力作用下岩土体渗透特性研究的意义和现有研究存在的一些问题。
关键词：高应力；渗透特性；流固耦合
1引言
流体能够在势能作用下在岩土体内部相互贯通的孔隙中流动，岩土体能被水透过的性质被称为岩土体的渗透性。岩土体的渗透性始终是工程建设中不可忽视的问题，是岩土工程领域的重要课题。由于岩土体渗透引起的工程事故往往会导致重大经济损失和社会影响，但在工程领域仍根据已有经验，对于渗透问题难以预估，发生意外情况后准备不足。对于岩土体的渗透问题目前有四点[1]：一是土石坝、沟渠的渗漏流量、基坑降水时水量的计算等问题；二是水在经过岩土体内部时有可能将细小的颗粒带走，使岩土体结构发生变化，严重时容易发生流土、管涌等渗透破坏现象；三是基础处于地下水位以下的建筑物或地下构筑物容易受水压力的作用，在进行建筑物或地下构筑物的安全评价或稳定分析时必须确定水压力的大小和分布；四是根据现场需要，对渗流量和渗透变形加以控制，保障施工正常进行，维护现场安全。这些问题的研究并未考虑岩土体所处的应力环境，无论是工程设计还是方案拟定都根据在实验室环境中常规应力状态下测定的岩土体力学参数出发，对于实际工程而言并不十分相符。在矿山工程、隧道工程、深部矿井、土石坝建设等工程项目中岩土体往往处于高压力环境之中，且渗透问题是这类工程的一大难点。对于这类问题提出一套可用易用的理论指导工程设计是十分有必要的。
2高压力作用下岩土体渗透特性的含义
高压力作用下的岩土体渗透性研究首先要明确高压力的概念，这是分析的前提。通常情况下对于土体认为大于1MPa即为处于高应力状态下，但对于岩石，其本身所处地质环境复杂，受到构造应力，因此对于岩石来说，高应力为10MPa以上。对于土体来说，高压力作用下，土体被压密，孔隙体积减小，土骨架结构发生改变，部分土颗粒甚至出现压碎现象，这都极大影响了土体的渗透性；岩石在高压力作用下，内部裂隙容易发展，饱和度上升，且渗透压上升，使得岩体强度大大下降，岩体发生渗透破坏的几率大幅上升。以土石坝为例，其主要作用是用来挡水，而随着枯水期丰水期交替，水位不断变化，大坝主体长期处于吸水、失水的循环之中，而这不可避免的对坝体产生一定程度的侵蚀作用，且这种损伤是难以弥补的，作为抗渗材料的黏土的强度和抗渗性都将受到重要影响。这都需要对高压力作用下的岩土体渗透特性加以研究，提出适用范围广、实用性强的流固耦合理论。
3国内外研究现状
当前国内外学者对于高压力下岩土体渗透特性的研究主要分为两类：（1）从实践出发，根据实验数据进行分析，研究在高压力环境下岩土体的渗流规律，总结精炼对现有理论进行修正；（2）从现有理论出发，根据现场原位试验或取自现场的试样进行岩土体力学参数的测定，建立岩土体模型进行理论分析或数值模拟，将分析结果用于指导工程实践。
在上世纪四十年代，Lomize[2]采用室内试验分析了单裂隙岩石中渗流水的运动规律，在这之后很多学者[3-4]分别对不同类型的岩石进行了渗流试验，定性分析了裂隙开度、渗透压对岩石渗透系数的影响。国外有学者进行了一维渗流下的单裂隙岩体渗流试验，分别给出了层流和紊流下的单裂隙岩体的渗透系数计算公式。也有学者[5]从微观角度分析岩石的渗流机理，对岩石施加瞬时荷载，发现在岩石破坏时渗透系数比未破坏前上升百余倍，说明岩石渗透特性的变化规律与岩石在荷载作用下的损伤效应有直接关系，证明了使用的微观结构参数描述渗透性变化有一定可行性。由于室内试验仅能对试样进行分析，而现场的工程地质、水文地质环境也会对岩土体的渗透特性产生重要影响，因此部分学者采取了现场原位试验的方法，通过数据采集与监测，分析地表水对岩土体的渗流作用、高孔隙水压力对岩土体渗透特性的影响，取得了一些成果，能较好的满足工程需要，但现场原位试验耗时久、投入高，并不适合所有工程。
当前常用的岩土体渗流理论主要有三类，等效连续介质模型、裂隙网格模型和双重介质模型。等效连续介质模型是将由不同成分组成、含有节理、孔隙等细部结构的岩土体视为等效连续介质，以张量理论和流体力学原理为基础，分析描述岩土体渗流问题的数学模型。
这种模型的优点在于可以忽略节理和孔隙的存在，将岩土体视为一个整体，应用现在的成熟理论即可进行计算，对于工程设计和前期规划而言十分便捷。裂隙网格模型是指岩土体由各个大小不同存在裂隙的岩块、土块交错而成，国内外学者对于这一理论进行了大量研究，提出了以该原理为基础的三维模型，这种模型考虑了岩土体内部的真实情况，各个裂隙都存在渗流作用，各自之间相互影响，多重因素叠加，最终得到的结果接近采用现场原位测试得到的岩土体力学参数。但在建立模型前需要大量勘察工作，还原真实的岩土体结构十分困难，且在模型计算时运算量巨大，对计算机硬件要求很高，难以在实际工程中推广开来。双重介质模型将岩土体内部划分为土骨架、孔隙、裂隙，其中孔隙储水，裂隙导水，这种模型在油气开发中得到了一些应用，但在理论基础与合理性上仍存在不少争论。
岩土体流固耦合问题最早由太沙基提出，并给出了土体一维渗流固结理论和著名的有效应力原理，其有效性和适用性已经在工程领域和科学研究中得到验证。Biot将太沙基给出的渗流理论推广到三维环境下，给出了多孔介质的自由能表达式。这些研究指出了岩土体所处的应力环境对岩土体渗透特性的影响，但忽视了应力环境与渗透特性之间的相互作用，具体来说在构造应力、自重应力、外界荷载作用下，岩土体发生弹性变形，孔隙水压力上升，一旦越过弹性极限，岩土体内部会产生微裂隙，短时间内孔隙水压力迅速消散，作用在岩土体骨架上的有效应力上升，岩土体塑性变形加剧，而当变形逐渐停止，孔隙水压力回升后，渗流作用对岩土体的侵蚀效应加大，这在实际工程中更为明显。
4主要问题和研究内容
1、以何种形式描述岩土体的所处渗流场环境？
怎样描绘岩土体所处渗流场是十分困难的问题，地表水随着降雨不断变化，岩土体内部的渗透压不断改变，工程建设进行中不断进行降水、排水，地下水是何种运动形态，渗透系数、导水系数、储水率、孔隙率、饱和度等等水文地质参数都对地下渗流场有着影响，目前常用的是拉普拉斯方程，通过已知边界的拉普拉斯方程，来求解该条件下的渗流场。
2、怎样建立一个形式简单、易于推广的岩土体模型？
现有理论模型各有优缺点，对于科学研究可以采用裂隙网格模型，但这种模型的成功建立往往依靠重大工程项目中详尽的地勘报告和大量现场原位试验，且针对性较强缺少普适性，对一般工程而言需要一种能够根据勘察报告中的力学参数进行工程模拟的易用模型。当前岩石损伤理论中，提出了大量非线性理论来实现岩土体强度变化、折减，使模型愈发复杂、参数越来越多，在参数确定上存在很大困难。在渗流理论中又缺乏渗流场对应变场和应力场的影响规律。如何将两者融合到一起，彼此之间相互联系动态发展是当前理论模型建立的难点所在，若参数数量和确定方法也能一并简化，那必将对高压力环境下的工程建设产生重要影响。
3、大多数学者并未引起足够重视
目前绝大部分试验研究是室内试验，以个体为单位进行渗透特性分析，忽视了岩土体本身具有整体性，各向异性，所得到的力学参数与真实情况存在较大出入，数值模拟也仅根据强度折减系数对岩土体强度进行修正，并未准确分析岩土体内部裂隙分布，张度。不可否认经典理论计算简便对工程建设具有重大指导意义，但这也带来了岩土工程的不确定性。随着经济社会发展，传统能源储量下降，不断增大的能源缺口对能源开采提出了更高的要求，新基建中穿山隧道、跨海隧道、高速铁路面临的施工环境更为复杂。针对高压力状态下岩土体的渗透特性进行研究，发展现有流固耦合理论，定量描述渗透性的变化，指导工程实践是十分迫切的，也是提升岩土工程学科精确性的必经之路。
参考文献：
[1]李广信，张丙印，于玉贞.土力学[M].北京：清华大学出版社，2013：50-53.
[2]Lomize G M. Flow in fractured rocks[J]. Gosenergoizdat，Moscow，1951，127（197）：635.
[3]刘继山.单裂隙受正应力作用时的渗流公式[J].水文地质工程地质，1987（02）：32-33+28.
[4]张玉卓，张金才.裂隙岩体渗流与应力耦合的试验研究[J].岩土力学，1997（04）：59-62.
[5]仵彦卿，曹广祝，丁卫华.CT尺度砂岩渗流与应力关系试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005（23）：4203-4209.
作者简介：李伟（1968—），男，辽宁朝阳人，博士，教授。研究方向：地基加固处理、岩土数值分析。