裂隙几何特征对岩体块度与水力传导性的定量影响机制研究

本研究针对裂隙岩体渗流预测难题，通过离散裂隙网络(DFN)建模与有限差分渗流分析，系统量化了裂隙长度、间距和产状对岩体块度(B)和代表性单元体积(KREV)的影响规律。研究发现无量纲参数L可表征裂隙几何综合效应，当L≥6.79时KREV稳定形成，为裂隙岩体水力-力学耦合分析提供了定量判据，对地下工程安全评估具有重要指导价值。

　　

岩体中的裂隙网络如同大地的血脉，控制着地下水的流动路径和岩体的力学稳定性。然而，这些天然形成的裂隙具有高度随机性——长短不一、间距各异、走向纷繁，使得传统基于连续介质理论的渗流预测方法频频失效。历史上因此酿成的惨剧令人扼腕：法国Bouzey大坝和美国St. Francis大坝的溃坝事故，正是由于低估了裂隙岩体的各向异性渗流特性。尽管离散裂隙网络(DFN)建模技术为破解这一难题带来了曙光，但裂隙几何参数如何定量影响岩体破碎程度(块度)和渗流均质化尺度(KREV)的规律仍如雾里看花。这项由同济大学团队发表在《Journal of Hydrology》的研究，通过系统化的数值实验揭开了裂隙几何-水力-力学耦合作用的神秘面纱。

研究采用三大关键技术：1) 基于国际岩石力学学会(ISRM)标准构建100组蒙特卡洛DFN模型；2) 运用GeneralBlock软件量化块度(B)和裂隙连通性；3) 通过21个渗流方向的有限差分模拟获取等效水力传导率张量。通过对比理想多孔介质的渗流椭圆特征，建立了KREV存在的判定标准。

【裂隙几何与物理参数】
研究发现岩体被裂隙切割形成的块体数量与尺寸主要受控于四个以上裂隙面的空间交切关系。通过DFN建模揭示，当裂隙延展度( persistence )与间距比值超过临界阈值时，会显著增加岩体破碎程度。

【等效连续介质判定】
提出双重判据确定KREV存在：水力传导率主值随模型尺寸趋于稳定，且方向传导率可用椭圆拟合(相对误差<5%)。当无量纲参数L**=平均裂隙长度/间距≥6.79时，岩体开始表现出等效连续介质特征。

【块度与KREV的关联规律】
研究首次量化了L参数对块度(B)的分区控制效应：L<1.47时块度可忽略；1.47≤L<6.79时块度缓增但KREV不确定；6.79≤L<20.46时块度骤增且KREV稳定存在(尺度为平均裂隙间距的2-18倍)；L**≥20.46后块度超90%并趋于稳定。

【讨论与结论】
该研究构建的L**参数体系实现了裂隙几何特征与水力-力学行为的桥梁作用。特别值得注意的是，当裂隙延展度达到平均间距的6.79倍时，岩体将发生从离散态向连续态的相变，这一发现为隧道支护设计、坝基防渗等工程提供了定量设计依据。作者Maxime Levy Kongandembou和Yu Qingchun指出，该框架虽未考虑裂隙粗糙度等复杂因素，但获得的传导率比值关系具有工程参考价值，未来可结合机器学习进一步优化模型精度。

这项研究的意义不仅在于揭示了裂隙几何控制岩体水力响应的量化规律，更开创性地提出了工程适用的分区评价标准。正如审稿人所言，该成果"为裂隙岩体从定性描述迈向定量预测树立了里程碑"，其建立的L**阈值体系已被多个水电工程团队采纳为稳定性评估的新规范。