第1章 緒論

1.1 概述

地下水是寶貴的水資源，直接參與地球水循環，是地球水圈的重要組成部分，與人類的生活密切相關(圖1.1)。18世紀中葉，H.Darcy通過實驗總結出了著名的達西定律，一百多年來，基于達西定律建立的經典滲流理論發展迅速。然而，由于經典的滲流理論是以連續介質(土體)假定為基礎的，眾多的工程實例和科學研究表明，巖體滲流與土體滲流有著本質的區別。雖然蘇聯學者Lomize于20世紀50年代中期就系統地發表了一份具有開創性的關于裂隙巖體滲流的報告［1］，但直到1959年12月,結構設計合理、施工質量精良的法國Mallpaset拱壩(壩高60m)和意大利的Vajont拱壩(壩高260m)的失事，巖體滲流才逐漸得到工程界的重視［2,3］。這是因為裂隙滲流和多孔介質滲流相比，具有明顯的各向異性特征，且其中水流往往不符合達西定律，如仍用多孔介質中的理論和方法，勢必帶來一系列不良后果。

圖1.1 地下水：地球水圈的重要環節

隨著人類活動日益向地下空間的深入，以裂隙巖體地下水及其相關的問題為主要對象的研究越來越重要。據統計，截至2002年年底,我國有85288座水庫，其中有36%存在安全隱患，有安全問題的水庫中，30%是大中型水庫，存在嚴重的水庫滲漏問題，直接威脅人民群眾的財產和生命安全，必須采取加固除險措施。近年來，我國的基礎設施建設發展較快，水電站的建設也正在蓬勃興起，在建和已建的水利工程如三峽、龍灘、溪洛渡、錦屏、新安江、二灘、糯扎渡、紫坪鋪、瀑布溝等，絕大多數分布在我國西部地區，其復雜的地質結構條件對水電站的安全建設是一個極大的挑戰。該地區板塊活動強烈，各種應力表現活躍，斷層、節理和裂隙相當發育，特別是錦屏水電站，其左岸深裂縫相當發育，有的地方隙寬甚至達到20cm。因此，必須考慮壩基、壩肩、高邊坡、地下廠房、引水隧洞等建筑物的滲透穩定性，即需要對裂隙巖體的滲流進行研究。這將有助于我們提出地下建筑物的防滲和排水、壩基和壩肩的穩定性方案，了解地下水對壩基混凝土和擋水建筑物的腐蝕性等［2］。

溶質運移一直是國內外學者重點關注的問題之一。然而，由于溶質運移是一個非常復雜的過程，再加上裂隙巖體本身的復雜性，使得這項問題的研究變得非常困難。裂隙中溶質運移研究是從核工業發展起來以后，為了核廢料的地下儲存而開展起來的。近幾十年來，在世界范圍內，核能事業得到了快速發展，同時也帶來了諸如核廢料儲存等一系列環境問題。將核廢料封閉儲存于基巖中仍是當前被廣為采納的方法之一，然而基巖中通常含有大量斷層和節理，地下水及入滲雨水會沿著裂隙甚至在巖體基質中緩慢流動，為了不將核廢料帶入人類生活環境中，需要在核廢料填埋地點進行裂隙水流和溶質運移實驗或模擬。對核廢物在基巖裂隙介質中進行地質處置是否可以確保安全，在相當程度上取決于裂隙巖體對廢物的屏障功能和作為核廢物遷移載體的裂隙水的運動特征，因此研究裂隙介質中污染物遷移問題，具有重要的理論意義和實際意義［2^，4-9］。

此外，在采礦、路橋建筑等行業，往往也需要考慮裂隙滲流及其影響。例如，在采礦和路橋隧洞開挖中，經常遇到突水情況，并可能造成坍塌等重大事故，即使在隧洞運營期間，也需要考慮裂隙滲流，并采取相應的防滲措施，以防止長期滲流而造成險情。

幾十年來，在國內外學者的努力下，裂隙介質中水流及溶質運移研究已經取得了一定進展，許多研究成果也相應問世。這方面的研究主要可以分為兩大類，即：①裂隙網絡中的水流和溶質運移研究;②單裂隙中水流及溶質運移研究。在許多實際工程中，由于研究區域相對較廣，裂隙數量龐大，一般采用連續介質模型，即將含有大量裂隙的裂隙介質等效成連續的多孔介質，從而大大簡化了模型的計算。然而此模型具有一定的局限性，因為裂隙的分布本身具有一定的隨機性，很多時候是以離散形式出現，此時仍采用連續介質模型，將使計算結果失真。作為研究裂隙水流和溶質運移問題的基礎，單裂隙中水流及其相關問題的研究也受到眾多學者及研究人員的重視。

相對于飽和裂隙中水流及其相關問題，人們對于非飽和裂隙中水流問題的研究起步稍晚，但在過去幾十年間也開始受到廣泛重視［10-1^2］。此外，隨著環境污染問題，特別是非水相化合物的污染問題的加重，人們對多相流的研究也越來越深入［13-2^0］。