土岩混合物渗透特性的数值研究：一种耦合离散裂隙模型和随机细观结构的方法

《Computers and Geotechnics》：Numerical investigation on the permeability characteristics of soil–rock mixtures: A coupled DFM and random mesostructure approach

　　

摘要
土岩混合物（SRMs）是一种高度非均质地质材料，其复杂的内部细观结构显著控制其宏观渗流行为。现有研究关于含石量与等效渗透性之间的关系存在争议观点。本研究提出了一种高效的二维随机细观结构生成算法。为了克服界面过渡区（ITZ）的网格划分困难，在 COMSOL Multiphysics 中采用了耦合的离散裂隙 - 基质（DFM）方法，将 ITZ 建模为零厚度高导流域。进行系统的数值模拟以评估面积含石率（ABP）、ITZ 导水率、倾角和长径比的独立和交互影响。结果表明，宏观渗透性受岩石几何屏障效应和 ITZ 优势流效应的动态竞争控制。这种竞争机制有效地弥合了先前研究中现有的矛盾观点。此外，观察到显著的形态各向异性，其中垂直排列的细长岩石形成连续的优势通道，显著增强渗透性。最后，提出了一个多因素经验预测模型，结合了各向同性因素和各向异性形态修正，表现出强大的预测能力。

引言
土岩混合物（SRMs）是由相对细粒的土基质和高强度粗岩石块组成的极度非均质且不连续地质材料。作为一种在自然界广泛分布的特殊介质，并经常在各类岩土工程实践中遇到（Wang et al., 2016c, Cui et al., 2019, Zhou et al., 2025），其复杂的内部空间结构赋予其物理和力学性质，与纯土或完整岩石有根本区别（Iqbal et al., 2005）（图 1）。

由于这种独特的细观结构和高非均质性，SRM 中由降雨入渗或水位升高引发的渗流破坏已成为重大工程灾难的主要致灾因子（Yuan and Che, 2022, Cui et al., 2014, Chehlafi et al., 2019, Yousefpour and Mojtahedi, 2024）。此类破坏带来的威胁具有高度隐蔽性却极具破坏性，凸显了解决相关工程挑战的日益紧迫性（Liang et al., 2024）。受强降雨或地下水情变化的驱动，SRM 内容易发生复杂的细颗粒迁移和结构重排过程（包括潜蚀、管涌和非达西渗流现象）。这些过程显著降低了材料的力学性质，随后引发一系列不可控的工程地质灾害（Ke and Takahashi, 2014, Gao et al., 2018, Mao et al., 2023, Wang et al., 2016c）。在山区边坡工程和交通走廊项目中，渗流破坏导致岩土界面处内凝聚力的丧失和界面接触力的丧失，伴随着抗剪强度和弹性模量的大幅降低。因此，这直接引发了浅层滑坡、大规模泥石流和威胁生命的落石事件（Ni et al., 2012, Zhang et al., 2021, Fang et al., 2023, Fang et al., 2025, Li et al., 2023a, Han et al., 2024, Lu et al., 2025）。有充分记录的灾害性 SRM 渗流破坏实例包括喀喇昆仑公路（KKH）沿线因强降雨入渗引发的频繁落石，以及 2008 年汶川地震影响区域发生的灾难性文家沟泥石流（Mehmood et al., 2022, Guo and Cui, 2020）。

在传统实验室测试（例如三轴渗透试验）中，研究人员面临许多难以克服的挑战。一方面，受测试设备物理尺寸（如常规三轴压力室）的限制，超大石块通常必须在制备试样时排除。这种做法不仅破坏了材料的真实粒径分布，还引入了显著的尺寸效应，导致测试结果严重失真且离散度极高（Li et al., 2023b, Qian et al., 2020）。另一方面，受当前观测技术的限制，传统物理试验无法直接可视化材料内部流场的复杂演化以及岩土之间真实的细观相互作用（Qian et al., 2020, Lu et al., 2024）。为了规避物理实验室测试固有的局限性，数值模拟逐渐成为一种强大的工具，用于研究控制 SRM 宏观和细观机制。特别是，利用随机形状骨料模型（RSAM）的数值方法可以有效保持岩石块的真实粒径分布和异质结构，从而准确捕捉材料内部的复杂力学和渗流响应（Zhang et al., 2023, Yun et al., 2020）。大量研究证实，体积含石率（VBP）、空间分布特征和岩石块的几何形态直接控制着 SRM 的宏观力学和水力性质（Hu et al., 2021, Napoli et al., 2022）。近年来，在重建骨料的三维复杂形态和结构方面取得了显著进展。这是通过结合有限元法（FEM）、离散元法（DEM）或数值流形法（NMM）与 X 射线计算机断层扫描（CT）扫描和球谐分析（SH）等先进技术实现的（Liang et al., 2021, Huang et al., 2025）。特别是，NMM 在建模这些复杂异质介质方面展现了独特优势，促进了土岩混合物等效强度参数的推导（J. Li et al., 2026），并实现了复杂相互作用的鲁棒统一接触框架（J. Li et al., 2026）。然而，当前的随机细观结构生成算法仍然存在两个需要紧急解决的关键瓶颈。第一，虽然一些算法试图使用多边形或组合数学函数来表征不规则岩石块，但它们仍表现出明显的局限性，无法有效控制颗粒的“复杂形态”，特别是岩石块的长径比。这一缺陷经常导致过于规则或退化、变形的颗粒形状，无法准确反映岩石块的自然各向异性（Qian et al., 2020, Zhang et al., 2023）。第二，在构建高体积含石率模型时，传统的随机顺序添加（RSA）算法在复杂不规则颗粒的重叠和碰撞检测过程中（例如通过经典的 Gilbert–Johnson–Keerthi (GJK) 算法）计算成本呈指数级激增。该过程极易陷入无限循环，使得现有算法对于生成满足“精确含石量”要求的高密度模型效率低下（Li et al., 2023b, Huang et al., 2025）。

SRM 的渗透性与各类地质工程项目和基础设施的安全密切相关。含石量（或体积含石率，VBP）被广泛认为是控制这些混合物宏观渗流特性的首要变量（Naseri et al., 2019, Shelley and Daniel, 1993, Shakoor and Cook, 1990, Indrawan et al., 2006, Medley, 1994）。然而，学术界关于 SRM 中渗透系数与含石量之间确切关系存在显著差异和矛盾，未能形成统一共识（Jiang et al., 2025）。在现有文献中，该领域的争议主要围绕三种不同的观点。第一种观点认为渗透系数与含石量之间存在明显的"V 形”关系。许多实验室测试和数值模拟表明，随着含石量的增加，SRM 的渗透系数先降低后升高，通常在含石量约为 30% 到 40% 时达到最小值（即最佳不透水性）（Lu et al., 2021, Shafiee, 2008, Wang et al., 2016c, Jiang et al., 2025, Lu et al., 2021, Wang et al., 2016a）。研究人员将此现象归因于岩石块和岩土界面的双重竞争效应：在低含石量下，相对不透水的岩石块阻塞有效渗流通道，充当水屏障；然而，一旦含石量超过临界阈值（例如 40%），具有极高渗流强度的软弱岩土界面开始重叠和互连，形成优势渗流通道，从而提高整体渗透性。第二种观点认为，渗透系数随着含石量的增加而连续单调递减。基于随机细观结构（例如无取向凸多边形岩石块）的具体数值渗流试验表明，随着含石量的上升，SRM 的宏观渗透性持续衰减（S. Li et al., 2026）。这种观点强调，高强度岩石块本身具有低渗透性；因此，其比例的增加持续压缩土基质的有效渗流截面，使流路径更加迂回和狭窄，从而维持阻水效应。第三种观点得出截然相反的结论，认为渗透系数随着含石量的升高而连续甚至指数级增加（Wang et al., 2016b）。原位和实验室渗透测试的观察表明，粗骨料或破碎花岗岩的包含从根本上破坏了基质土的凝聚力和连续性，直接诱发孔隙扩张和微裂纹生成。因此，渗透系数随着含石量而显著且连续地增加。

为了弥合这些差异，本研究提出了一种专门针对 SRM 的高效二维随机细观结构生成算法，严格控制岩石块的对数正态尺寸分布和长径比。为了规避界面过渡区（ITZ）传统上相关的严重网格划分困难，在 COMSOL Multiphysics 中采用了耦合的离散裂隙 - 基质（DFM）方法，将高导流界面概念化为低维流形。基于此框架，进行系统的数值实验以评估含石量、长径比、倾角和比表面积对等效渗透性的独立和交互影响。此外，对微观通量分配进行定量分析，阐明从迂曲度主导流到 ITZ 主导优势流的机制转变，最终制定全面的渗流机制相图。

章节片段
SRM 二维细观结构生成算法
为了实现土岩混合物（SRMs）准确的细观结构重建，本研究提出了一种高效的基于蒙特卡洛的算法。该框架旨在控制宏观面积含石率（ABP），同时保持单个岩石块的自然形态随机性。整个生成过程使用 COMSOL Multiphysics Java API 实现。该生成框架的完整逻辑和迭代过程系统地总结于 Per

渗透性随 ABP 的演化
为了阐明 ABP 对 SRM 宏观水力行为的影响，进行了一系列稳态渗流模拟，ABP 范围为 10% 到 70%。为了严格证明随机细观结构生成的统计稳定性并消除潜在的单一样本偏差，在本基准研究中，每个 ABP 水平计算了 5 个具有不同随机种子的独立随机实现。等效宏观渗透系数 for

微观通量分布的定量分析
土岩混合物宏观等效渗透性的演化从根本上受连续土基质、岩石块和高导流 ITZ 裂隙网络之间微观通量分布的控制。为了阐明该宏观水力响应固有的微观驱动机制，本节定量评估并比较了基质和 ITZ 中的渗流流量（??）及其各自的通量比 across various simulated

等效渗透性的经验预测模型
虽然基于 DFM 的数值模拟提供了对细观渗流机制的详细理解，但通用数学模型对于实际岩土工程应用至关重要。基于参数分析，宏观等效渗透性 ????????? 受几何迂曲度（岩石尺寸 ??，含石量 ABP，长径比 ??）、ITZ 优势通道（放大系数 ??，裂隙开启度 ????）以及 的耦合效应显著控制，and

结论
在本研究中，开发了一种高效的二维随机细观结构生成算法和耦合 DFM 渗流模型，以调查 SRM 的细观渗流机制。得出以下主要结论：
1.通过建立统一的渗流机制框架，证明宏观渗透性与含石量之间的关系受岩石几何屏障效应和 ITZ 优势流效应的动态竞争控制，

CRediT 作者贡献声明
Chao Chen: 撰写 – 原始草稿，方法论，调查。Wei Wang: 撰写 – 审查与编辑，监督，资源，资金获取，形式分析，概念化。Jun Wu: 方法论。Rubin Wang: 撰写 – 审查与编辑，监督。Chong Shi: 撰写 – 审查与编辑，监督。

利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢
本研究得到国家自然科学基金的资助（编号 12072102，编号 12102129）。

Chao Chen|Wei Wang|Jun Wu|Rubin Wang|Chong Shi
河海大学 精准爆破国家重点实验室，南京，210024，中国