RIS研究中岩体介质渗流模型的选择问题

RIS研究中岩体介质渗流模型的选择问题

李蕾

（广西壮族自治区地震局，广西，南宁，530022）

【摘要】RIS实质上是在库水加卸载及渗透过程中，地下岩体介质变形与流体渗流耦合作用造成的岩体失稳问题，需要在一个综合考虑构造应力场、渗流场与岩体变形、失稳相互关系的地质力学框架体系内进行讨论，RIS定量评价研究中如何选择岩体介质渗流模型是一个关键问题，本文研究认为究竟是选取多孔连续介质渗流模型，还是选择双重介质渗流模型，要视库区岩体的结构特征及表征单元体（REV）的大小而定。

【关键词】RIS；岩体介质；渗流模型

引言

水库诱发地震（Reservoir-inducedseismicity，简称RIS）是一类特殊的地震活动，主要是由于水库蓄水或排水过程引发的在一定时间内库区及其周边不大区域范围内所发生的地震活动（秦嘉政等，2009）。20世纪60年代世界上接连发生水库诱发6级以上强震以后，RIS很快引起社会各界的广泛关注，相继开展了一系列研究活动，召开了一系列学术会议。特别是上世纪80年代以来，RIS逐渐成为地学界研究的热门和前瞻性课题之一。国内外地震、地球物理、水利水电、教育院校等专业部门和学术机构以及众多专家学者积极投身到此项研究中，在RIS的地震学特征、易于诱发地震的地质构造条件、诱震机理及预测评价方法等方面都取得了一定的进步。RIS实质上是在库水加卸载及渗透过程中，地下岩体介质变形与流体渗流耦合作用造成的岩体失稳问题，需要在一个综合考虑构造应力场、渗流场与岩体变形、失稳相互关系的地质力学框架体系内进行讨论（周斌，2010），无论从学科发展还是工程实践要求上讲，采用基于地下流－固耦合理论的定量模型研究是RIS学科发展的必然之趋势（易立新，2001）。在此方面，Talwani等（Talwanietal.,1984;Roeloffs,1988;Simpsonetal.,1990）通过计算水库蓄水对断层和震源处应力场的影响；Bell等（Belletal.,1978）基于Boit多孔介质经典理论，计算了二维半无限空间均匀介质和含断层介质在库水作用下强度的变化；沈立英（1989）用同一方法计算了新丰江水库蓄水后的孔隙压力扩散。这些研究成果大多是在半无限弹性介质的假设下，利用格林函数和孔隙压力扩散方程求解应力场和流体压力场，定量讨论断层库仑应力变化对库体荷载及附加水头压力扩散的静态响应问题。此方法虽然便捷，但在处理复杂介质域时却有很大的局限性。因此，在库区地质调查的基础上，建立切合实际的地质构造及水文地质结构模型，并充分考虑地下岩石介质的不均匀性，以此开展RIS问题定量研究将是一条有效的途径。这就必然涉及到岩体介质渗流模型的选择问题，本文对此进行了初步的讨论，以期对RIS定量研究有所裨益。

1．岩体介质渗流模型

岩体的空隙是地下流体赋存的场所和运移的通道，岩体空隙的分布形状、大小、连通性以及空隙的类型等，影响着岩体的力学性质和渗透特性。目前，岩体介质渗流模型主要有多孔连续介质、裂隙离散介质和双重介质三种类型。

1.1多孔连续介质渗流模型

广义的讲，可以把孔隙介质、裂隙介质和某些岩溶不十分发育的石灰岩和白云岩组成的介质都称为多孔介质（薛禹群，1997）。按照连续介质力学的假设，把包含在多孔介质表征单元体（RepresentativeElementaryVolume，简称REV）内的所有流体质点与固体颗粒的总和称为多孔介质质点，则由连续的多孔介质质点组成的介质便称为多孔连续介质。实际上，自然界中真正的多孔连续介质岩体是不存在的，因为即使是最坚固的花岗岩体也具有发育稀疏的节理或断层。但是，如果多孔介质岩体受到较强的围限作用以致不出现较大的主应力差、岩体内不连续面尺度与所研究的整个岩体尺度之比远远小于1，并且其基本单元足够小，以致允许对其进行试验或通过其他方式确定其力学性质，则岩体就可被视为等效多孔连续介质进行处理（StaggKG,etal.,1969）。多孔连续介质（或等效多孔连续介质）模型可以用经典的孔隙介质渗流分析方法，使用上极为方便。对于岩体稳定渗流，只要岩体渗流的表征单元体REV存在且不是太大，应尽量采用此模型。

1.2裂隙离散介质渗流模型

若忽略岩块的透水性，认为水只在裂隙网络中流动，即为裂隙离散介质渗流模型。裂隙离散介质渗流模型以单个裂隙水流基本公式为前提，利用流入和流出各裂隙交叉点的流量相等来求其水头值。模型较好地描述了裂隙岩体的非均匀性和各向异性，当岩体很致密，确实可忽略其渗透性时，具有拟真性好、精度高等优点。其不足之处在于研究区内全部裂隙的几何参数很难获得，在研究区尺度稍大时甚至难以实现，另外模型的计算量也很大。

1.3双重介质渗流模型

裂隙岩体中的非连续面按其渗流作用不同可以分为主干裂隙和一般小裂隙。主干裂隙如断层、剪切破碎带、层间错动带和大节理等，通常切割深，延伸长，规模大；而岩体中大量存在的节理和裂隙是单体规模小，总体密度大，在空间上交割成立体网络状。实践表明：主干裂隙所占体积比率小，但渗透性强，是地下水运动的主要通道；而小规模但密度大的节理、裂隙渗透性差，是地下水贮存的主要空间。基于上述认识，1960年，Barenblatt等提出了双重介质渗流模型，其基本思想是将岩体渗流区域分为两类介质：一类是为数不多但对流体渗流起主导作用的主干裂隙介质，另一类是被这些主干裂隙所切割，并包含数目较多的节理、裂隙的多孔连续介质岩块。其中，裂隙介质导水，孔隙介质储水。由于裂隙介质的导水作用（流动速度快），在双重介质系统内形成两个水头，即孔隙介质中水头和裂隙介质中水头，两种介质之间通过水流交换项联系。该模型的优点是可充分体现主干裂隙的特殊导水作用，同时避免了离散裂隙介质模型对每条裂隙模拟所带来的巨大工作量；其主要缺陷是不能反映裂隙系统空间结构的不均匀性以及其中水流普遍具有的各向异性，而且在同一点给出两个压力值也是困难的。

2．RIS定量研究中岩体介质渗流模型的选取问题的讨论

一般来说，裂隙离散介质渗流模型并不适用于水库诱发地震研究中，这主要有三个方面的原因：其一，一般大、中型水库的库盆范围大，常常跨越不同的地质构造单元，即使位于同一地质构造单元，岩性分布、岩体完整程度和水文地质条件等方面也存在着很大的差异。特别是当研究区为裂隙密集分布的脆性岩体时，对裂隙面几何参数的测量工作就会变得耗时耗力，即使能够求得裂隙几何参数的统计分布规律，但由于计算能力的限制，计算求解也往往很难实现；其二，我们对裂隙面几何参数的统计工作是在地表露头处开展的，由于地表露头与地下深处温、压等环境条件的巨大差异，地表裂隙面几何参数统计结果与地下实际情况存在着很大的差异，要想获取地下裂隙分布的实际数据，就必须通过密集分布的深部钻孔取原状岩芯进行观测和统计，这一工作耗资巨大，一般由于研究经费的限制也难以实现；其三，对于细小裂隙、节理、劈理、片理、微层理等低级别结构面，如果其尺度小于研究区REV的尺度时，把包含这些低级别结构面的岩块概化为连续介质是一种合理且简便易行的方法，但这与裂隙离散介质渗流模型中岩块不透水的约定也是矛盾的。

那么，对于RIS研究而言，到底应该选择哪种岩体介质渗流模型呢？笔者认为，可以选择多孔连续介质渗流模型或双重介质渗流模型，二者之中，究竟选取哪一个，要视库区岩体的结构特征及表征单元体（REV）的大小而定。

在RIS预测或评价研究中，应首先对研究区的地质条件进行分区，以确定各分区的岩体结构类型。对于散体结构岩体，如大型断裂带的碎裂岩带和影响带、全风化、强风化岩体、宽大的构造节理密集带、破碎的古滑坡体等，其内各种不连续面十分发育，此时单一不连续面对渗流的控制作用已不甚明显，在统计和宏观上类似于多孔介质，因此，其渗流介质属于多孔介质类型。对于整体结构岩体，其中大型不连续面对应力分布和渗流性质起控制作用，其渗流介质可能有两种类型。若构造节理比较发育（一般三组以上），且发育程度比较均匀，则可能属准多孔介质类型；若构造节理不甚发育，渗流受二类断层或裂隙的控制，则宜使用双重介质模型。对于层状结构岩体，视其层厚、层理和构造节理发育程度，可能属于准多孔介质类型，也可能属于双重介质类型。

在理论上，表征单元体（REV）的大小也可作为选择介质模型的标准。根据研究区地质条件分区结果确定岩体REV的大小，若REV确实存在且小于相应子区域的体积，则可采用多孔连续介质模型。若REV不存在或大于各子区域的体积，则应采用不连续介质模型。对那些断层、大裂隙等主要不连续介面，应当作为特殊区域进行考虑。

基金项目：

广西地震科学基础研究项目（桂科攻12426001-4）资助

作者简介：

李蕾，女，生于1971年，高级工程师。主要从事地震地质及工程地震研究。