裂隙水流运动的入渗试验及数值模拟研究

程勤波，陈 喜，张志才，张润润，丘 宁，黄日超，蔡炼彬(1.河海大学水文水资源学院, 江苏 南京 210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏 南京 210098)

由于构造、风化、卸荷等作用，岩体裂隙在自然界中广泛存在。由于岩体裂隙的渗透性远大于基质岩体，裂隙是岩体的主要导水介质。在可溶性石灰岩地区，裂隙控制水流运动，因此，研究岩体裂隙中流体运动规律对于了解喀斯特流域水动力过程以及溶质运移具有重要意义[1]。

Poiseuille在均质恒定运动条件下,导出了单片光滑平行板裂隙中水流运动的理论公式，即立方定律[2]。Lomize[3]和Louis[4]各自采用平行玻璃板模拟裂隙壁，证明了在层流时立方定律的有效性。然而，天然裂隙面多粗糙不光滑，并且裂隙宽度多存在小范围的不平整和大范围的起伏，不符合立方定律假设条件。Djik和Berkowitz运用核磁共振技术研究饱和粗糙裂隙中水流场分布，结果显示裂隙横断面水流速度呈类似抛物线，但不完全对称[5]。鉴于立方定律的局限性，众多学者基于室内外实验和数值模拟结果提出了各种形式的修正公式，其核心思想是修正裂隙宽度[2～6]。

隙宽等裂隙特征是控制裂隙导水能力及水流运动的主要因素，目前主要根据自然界岩体出露面测量裂隙隙宽，但由于自然岩体裂隙中存在大量粗糙面，当前技术还无法对自然界裂隙壁的粗糙程度及有效隙宽精确测算。对于非充填裂隙，Navier-Stokes(N-S)方程组描述裂隙水流运动比连续性方程具有更高的精度，但数值求解N-S方程组非常困难，因而将N-S方法应用于野外原位实验研究裂隙水流运动规律鲜有报道[6]。……