第1章
岩土介质渗流的基本理论
岩土渗流是流体在岩土介质中的流动现象。研究岩土渗流的根本目的是揭示地下水的赋存和运动规律，实现渗流过程的有效控制或地下水资源的高效利用。岩土介质中各种复杂的流动现象实质上是流体与介质之间相互作用的结果，其渗流规律和运动过程受介质特性、流体性质与流动条件等因素的共同控制。从介质类型上看，岩土渗流有孔隙介质渗流、裂隙介质渗流和多重介质渗流之分；从流动状态上看，岩土渗流有单相渗流和多相渗流、达西渗流和非达西渗流、稳定渗流和非稳定渗流之分。图1.0.1给出了岩土渗流模型的一种筒洁分类。岩土渗流的主要研究内容包括渗流的机理与基本规律、岩土介质的渗透特性与本构模型、渗流场的模拟与分析方法，以及渗流场的控制与优化设计技术等。本章简要概述岩土介质的类型与结构特征、岩土介质渗流的基本概念和规律、渗流的连续性方程和定解条件，以及水利工程中常用的渗流分析模型。
1.1岩土介质的类型与结构特征
1.1.1概述
岩土的成因和类型不同，其组成成分、结构特征和胶结程度差异极大，渗透特性、储水能力及在流体作用下抵抗变形、潜蚀和破坏的能力也呈现出极大的差异。广义上，岩土介质均可视为多孔介质，但在工程中，岩土介质多依据其空隙特征划分为孔隙介质、裂隙介质和溶隙介质三种基本类型。孔隙介质以孔隙为流体的主要储集和流动空间，如自然界中各类未胶结的土和堆积物；裂隙介质以裂隙和各种地质结构面为流体的主要储存场所与运移通道，一般特指裂隙岩体；溶隙介质则是指含有溶蚀孔缝和洞穴的可溶岩体。相应地，赋存于这三类介质中的地下水分别称为孔隙水、裂隙水和岩溶水。不少情况下，岩土介质复杂的结构特征和流动特性难以釆用单一的介质类型描述。例如，裂隙岩体常被概化为双重介质，以描述地下水在岩石孔隙系统中的缓慢流动和裂隙系统中的快速流动；而岩溶含水层常被概化为三重介质，以分别描述地下水在岩石孔隙、溶蚀裂隙及岩溶管道中的不同流动特性。此外，在不同的地层和同一地层的不同地段，地下水的赋存结构与介质类型也可能表现出明显的差异。然而，无论岩土介质的类型多么复杂多样，孔隙渗流、裂隙渗流和管道流动是岩土介质渗流的基本形式。
岩土介质中的空隙类型多样，形态各异，大小不一，这些空隙既是流体储集的场所，又是流体流动的通道。孔隙是空隙的一种类型，但在广义上孔隙和空隙常互换使用。介质中空隙的总体积与介质表观体积之比称为孔隙率，但就流体的储存和流动而言，只有相互连通的空隙才是有意义的，将孤立、封闭的空隙排除在外的孔隙率称为有效孔隙率。孔隙率是表征岩土介质储水能力和传输特性的重要参数，孔隙率越大，介质储存流体的空间体积越大，但并不意味着介质的过流能力越强。流体通过岩土介质的能力称为渗透性，渗透性不仅与空隙的数量和体积有关，还与空隙的形状、大小、喉道尺寸及连通特性密切相关。根据渗透性的强弱，岩土介质可粗略划分为透水介质、半透水介质和不透水介质，如图l.1.1所示。但需要说明的是，完全不透水的地层是不存在的，不透水是指地层的透水性足够弱，因而在水文地质上可视为相对隔水层，在工程上可作为防渗的依托。因此，岩土介质的类型和空隙结构特征不仅是研究岩土渗透特性与渗流规律的基础，而且是研究岩土渗透稳定性和渗流控制策略的关键。
1.1.2孔隙介质
孔隙介质由固相颗粒和颗粒之间的孔隙组成，固相颗粒构成介质的骨架，而孔隙则构成流体储集和运移的空间。地表上广泛分布的各类土体、各种未胶结的松散堆积物、地质构造中的充填物，以及土质防渗体和人工堆石料，均属于孔隙介质。裂隙不发育的沉积岩，如黏土岩和碎屑岩，也常被视为孔隙介质。此外，在不少情况下，为了简化问题，常将裂隙岩体和可溶岩体概化为等效多孔介质。岩土的孔隙结构一般从固相颗粒的矿物成分、形状、大小和空间组合关系，以及孔隙的形状、大小和连通特性两个方面加以研究。孔隙结构不仅影响岩土介质的渗透特性和渗流规律，而且决定了未胶结松散土体渗透变形和破坏的形式。
1.粒径组成及颗粒级配曲线
孔隙介质的成因不同，其固相颗粒的矿物成分、粒径大小、形状和密实程度也不同。例如，经河流搬运和沉积作用形成的冲积物，往往具有较好的磨圆度、分选性和较明显的层理；而由重力或地表水流搬运形成的崩坡积物，磨圆度和分选性较差，局部往往呈架空结构，且一般不具有层理。未胶结的松散堆积物、构造充填物和土质防渗体的粒径可按表1.1.1进行分组，各粒径范围的组成情况和相对含量可釆用颗粒级配曲线描述，如图1.1.2所示。
土的颗粒级配曲线表征了小于某粒径（4)的土粒质量占土样总质量的百分数（r)，它是描述土颗粒粗细、颗粒分布的均匀程度及颗粒级配优劣的重要工具。工程上常用的代表性粒径有d10、d30、d60等。d10表示小于该粒径的土粒质量占土样总质量的10%，是细粒部分的代表性粒径，称为有效粒径；d60是粗粒部分的代表性粒径，称为控制粒径；d30则称为连续粒径。颗粒级配曲线的形态和级配的优劣可釆用不均匀系数Cu与曲率系数描述，它们定义为(1.1.1)
不均匀系数cu表征了土颗粒的均匀程度和粒径级数的多少，cu越小，土颗粒越均勻，粒径级数越少，级配曲线越陡；反之，cu越大，土颗粒越不均匀，级配曲线越平缓，且在扰动条件下土颗粒越容易分离成粗、细两部分。工程上通常将Cu<5的土称为均匀土，而将Cu>5的土称为不均匀土。曲率系数Cc表征了颗粒级配曲线的形状和级配优劣，当Ce<l或Ce>3时，级配曲线往往存在平缓台阶，在该范围内缺少中间粒径；而当Cc=1～3时，土的组成粒径齐全，级配连续。
因此，工程上常用Cu和两个指标对土的级配优劣进行划分，即当Cu>5且Cu=1～3时，土的级配连续，不存在平缓台阶，属于级配优良土，土的密实度较大，工程性质也较好，如图1.1.2中的曲线A所示；而当上述两个条件不能同时满足时，土颗粒粗细不均，存在平缓台阶和不连续粒径，属于级配不良土，如图1.1.2中的曲线B所示。对于级配不良土，一般以某粒径范围内土粒含量小于或等于3%为原则，来界定级配曲线上的平缓台阶，进而以该粒径范围内的*小粒径，或者*大与*小粒径的平均值为区分粒径必，将土的颗粒组成划分为粗粒和细粒两个部分。对于级配优良土，区分粒径可按式（1.1.3)估算：(1.1.3)式中：必0表示小于该粒径的土粒质量占土样总质量的70%。
区分粒径决实际上就是土的细粒部分的界限粒径，其对应的土粒含量即细粒含量。细粒含量对土的密实度、渗透性和渗透稳定性均具有重要的影响，当细粒含量大于粗粒的孔隙体积时，粗粒孔隙被细粒完全填充，粗粒和细粒形成有机整体，土体具有较大的密实度和较低的渗透性，渗透破坏以流土为主；反之，当细粒含量较小时，土的密实度较小，渗透性较大，在渗流作用下细粒容易在粗粒孔隙中移动，从而形成管涌破坏。
2.孔径分布及孔隙水的特征
土的固相颗粒内部和颗粒之间，以及由若干颗粒黏结形成的团粒内部和团粒之间，均存在孔隙，因而孔隙的形态和大小往往是极不均一的。连通孔隙中的细小部分称为喉道，喉道的形态、大小和孔喉的组合关系对土的渗透性具有重要影响，因而土的渗透性不完全取决于孔隙率，还与孔隙的连通性及孔喉系统的特征尺寸密切相关。例如，黏性土颗粒极细小，且多呈片状或团聚体结构，孔隙率大，但孔径极小，连通性差，因而黏性土的渗透性极低（图1.1.1);而对于宽级配或不良级配土，土颗粒分粗粒和细粒两部分，当细粒含量足够大时，粗粒之间的孔隙被细粒完全填充，土的渗透性取决于细粒孔隙的特征尺寸，反之，则与粗粒孔隙尺寸相关。
岩土介质的孔隙尺寸分布可通过压汞法或扫描电子显微镜等技术测定，并用孔径分布曲线表征，如图1.1.3所示。粉土和砂土等粗粒土粒间联结微弱，孔隙以粒间孔隙为主，孔隙多呈单峰分布，且孔隙越均匀，孔径分布曲线越窄；黏性土多具有团聚体结构，土体内部同时存在粒间小孔隙和团聚体间大孔隙，因而孔隙常呈双峰分布，且孔径分布范围较宽；不连续级配土因具有细粒间小孔隙和粗粒间大孔隙，孔隙也常呈双峰或多峰分布。孔隙分布对土的持水性具有重要影响，土颗粒的亲水性越强，孔径越小，则土的持水能力越强。
孔隙是地下水赋存的主要结构类型之一，赋存于孔隙介质中的地下水称为孔隙水。与其他介质类型相比，孔隙介质具有较好的均质性和各向同性，因而孔隙水的分布和运移也具有相对均匀、连续的特点，是连续介质力学模型*为适用的地下水类型。孔隙水广泛分布于地表松散堆积物和河床覆盖层中，以包气带水、潜水或承压水的形式存在。孔隙含水层中的地下水一般具有完整、统一的地下水面，而包气带中的孔隙水多处于非饱和或局部饱和状态。包气带是降水和地表水渗入地下的重要通道，对水分的垂向运移具有分散、均化和延滞作用。
1.1.3裂隙介质
岩体是经历漫长的内、外动力地质作用形成的，由岩石块体和地质结构面组成的，具有一定结构特征和赋存环境的地质体。地下水渗流场、地应力场和地温场是岩体的主要赋存环境，因而岩体与赋存环境之间存在复杂的物质、动量和能量交换关系。结构面的发育特征和空间组合关系不仅决定了岩体的结构特征，而且在很大程度上决定了岩体的力学特性和渗流特性。通常情况下，结构面是地下水的主要赋存和运移场所，因而岩体均可被概化为裂隙介质，尤其是孔隙不发育的岩层，如花岗岩、石英岩、大理岩等结晶岩地层。但对于孔隙较发育的岩层，如粉砂岩、砂岩、砾岩等碎屑岩地层，空隙包含孔隙和裂隙两个系统。孔隙系统径流缓慢，但往往对岩层储水起主导作用；裂隙系统导水性强，是地下水径流的主干通道。为了描述孔隙和裂隙系统对地下水赋存与运动的不同贡献，这类地层常被概化为孔隙-裂隙双重介质。
1.岩体结构面
岩体结构面是在漫长的地质作用过程中（成岩过程中或成岩之后）形成的各种物质分异面或地质界面。按其成因类型，岩体结构面可大致划分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三大类。原生结构面是在成岩过程中形成的地质界面，包括：沉积结构面，如反映沉积间歇性的层理、层面、不整合面和原生软弱夹层等；火成结构面，如侵入体与围岩的接触界面、流动构造面、冷凝节理、软弱蚀变带和岩浆间歇性喷溢形成的接触界面等；变质结构面，如板理、片理、片麻理和片岩软弱夹层等。构造结构面是受内动力地质作用形成的破裂面或破碎带，包括节理、劈理、断层、层间错动带等。次生结构面是在地表或近地表条件下，因风化、卸荷等外动力地质作用和人类工程活动形成的结构面。风化裂隙和卸荷裂隙的发育程度与张开度具有随埋深的增大明显减小的特点，因而自地表向下，岩体的完整性增强，渗透性降低，呈现出明显的分带特征，这种分带特征在河谷地区尤为明显。
岩体结构面的成因不同，其发育规模也差异极大。根据破裂面或破碎带的宽度和延伸长度，结构面的发育规模可划分为五级（I～V)，如表1.1.2所示。I、II级结构面包括区域性断裂和延伸千米之上的大断层、层间错动带和接触破碎带等，破碎带宽度大于1m，一般构成区域或工程场址区的水文地质边界（隔水边界或补给边界）或主干渗流通道。III级结构面的延伸长度为100～1000m，破碎带宽度为0.1～lm，常构成局部隔水边界或优势渗流通道。IV级结构面多由延伸长度在百米之内的小断层和长大裂隙组成，可构成地下水渗流的优势通道。V级结构面由节理裂隙组成，规模较小，但数量众多，不但是地下水的主要流动通道和赋存场所，而且决定了岩体的结构特征和渗透特性。
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