第1章 绪论
1.1 概述
地下水是宝贵的水资源，直接参与地球水循环，是地球水圈的重要组成部分，与人类的生活密切相关(图1.1)。18世纪中叶，H.Darcy通过实验总结出了著名的达西定律，一百多年来，基于达西定律建立的经典渗流理论发展迅速。然而，由于经典的渗流理论是以连续介质(土体)假定为基础的，众多的工程实例和科学研究表明，岩体渗流与土体渗流有着本质的区别。虽然苏联学者Lomize于20世纪50年代中期就系统地发表了一份具有开创性的关于裂隙岩体渗流的报告［1］，但直到1959年12月,结构设计合理、施工质量精良的法国Mallpaset拱坝(坝高60m)和意大利的Vajont拱坝(坝高260m)的失事，岩体渗流才逐渐得到工程界的重视［2,3］。这是因为裂隙渗流和多孔介质渗流相比，具有明显的各向异性特征，且其中水流往往不符合达西定律，如仍用多孔介质中的理论和方法，势必带来一系列不良后果。
图1.1 地下水：地球水圈的重要环节
随着人类活动日益向地下空间的深入，以裂隙岩体地下水及其相关的问题为主要对象的研究越来越重要。据统计，截至2002年年底,我国有85288座水库，其中有36%存在安全隐患，有安全问题的水库中，30%是大中型水库，存在严重的水库渗漏问题，直接威胁人民群众的财产和生命安全，必须采取加固除险措施。近年来，我国的基础设施建设发展较快，水电站的建设也正在蓬勃兴起，在建和已建的水利工程如三峡、龙滩、溪洛渡、锦屏、新安江、二滩、糯扎渡、紫坪铺、瀑布沟等，绝大多数分布在我国西部地区，其复杂的地质结构条件对水电站的安全建设是一个极大的挑战。该地区板块活动强烈，各种应力表现活跃，断层、节理和裂隙相当发育，特别是锦屏水电站，其左岸深裂缝相当发育，有的地方隙宽甚至达到20cm。因此，必须考虑坝基、坝肩、高边坡、地下厂房、引水隧洞等建筑物的渗透稳定性，即需要对裂隙岩体的渗流进行研究。这将有助于我们提出地下建筑物的防渗和排水、坝基和坝肩的稳定性方案，了解地下水对坝基混凝土和挡水建筑物的腐蚀性等［2］。
溶质运移一直是国内外学者重点关注的问题之一。然而，由于溶质运移是一个非常复杂的过程，再加上裂隙岩体本身的复杂性，使得这项问题的研究变得非常困难。裂隙中溶质运移研究是从核工业发展起来以后，为了核废料的地下储存而开展起来的。近几十年来，在世界范围内，核能事业得到了快速发展，同时也带来了诸如核废料储存等一系列环境问题。将核废料封闭储存于基岩中仍是当前被广为采纳的方法之一，然而基岩中通常含有大量断层和节理，地下水及入渗雨水会沿着裂隙甚至在岩体基质中缓慢流动，为了不将核废料带入人类生活环境中，需要在核废料填埋地点进行裂隙水流和溶质运移实验或模拟。对核废物在基岩裂隙介质中进行地质处置是否可以确保安全，在相当程度上取决于裂隙岩体对废物的屏障功能和作为核废物迁移载体的裂隙水的运动特征，因此研究裂隙介质中污染物迁移问题，具有重要的理论意义和实际意义［2，4-9］。
此外，在采矿、路桥建筑等行业，往往也需要考虑裂隙渗流及其影响。例如，在采矿和路桥隧洞开挖中，经常遇到突水情况，并可能造成坍塌等重大事故，即使在隧洞运营期间，也需要考虑裂隙渗流，并采取相应的防渗措施，以防止长期渗流而造成险情。
几十年来，在国内外学者的努力下，裂隙介质中水流及溶质运移研究已经取得了一定进展，许多研究成果也相应问世。这方面的研究主要可以分为两大类，即：①裂隙网络中的水流和溶质运移研究;②单裂隙中水流及溶质运移研究。在许多实际工程中，由于研究区域相对较广，裂隙数量庞大，一般采用连续介质模型，即将含有大量裂隙的裂隙介质等效成连续的多孔介质，从而大大简化了模型的计算。然而此模型具有一定的局限性，因为裂隙的分布本身具有一定的随机性，很多时候是以离散形式出现，此时仍采用连续介质模型，将使计算结果失真。作为研究裂隙水流和溶质运移问题的基础，单裂隙中水流及其相关问题的研究也受到众多学者及研究人员的重视。
相对于饱和裂隙中水流及其相关问题，人们对于非饱和裂隙中水流问题的研究起步稍晚，但在过去几十年间也开始受到广泛重视［10-12］。此外，随着环境污染问题，特别是非水相化合物的污染问题的加重，人们对多相流的研究也越来越深入［13-20］。