前言

渗流是流体通过孔隙介质的流体运动，岩土介质是一种典型的多孔介质。水利、交通、油气藏及环境工程等领域的许多关键性问题都与渗流相关，例如坝基及堤防工程渗流安全评价、降雨引起水利及交通工程中的滑坡灾害研究、水库蓄水引起的坝基及岸坡非常规变形安全评价、大型水封石油洞库水封性能以及核废料长期地质储存可靠性分析等都与岩土介质中的渗流分析息息相关。在这些工程中，对渗流场的正确认识在渗流控制技术解决方案中起着决定性作用。工程领域不同，渗流分析的目标也不相同，因此，工程渗流分析需要基于渗流基本理论，结合具体工程渗流问题，对工程渗流介质特性以及渗流场的时空变异特性进行深入研究后，才能提出合理可行的渗流控制措施，为工程安全建设与正常运行提供强有力的保障。

目前，相关领域对工程渗流问题的研究都取得了丰硕的成果，也推动了渗流理论与渗控技术的发展。然而，由于岩土介质及渗流问题本身的复杂性，采用渗流理论解决水利、交通等领域与渗流相关的问题时，仍然面临诸多技术难题，阻碍了渗流理论在工程实践中的应用。

随着计算机硬件技术的飞速发展，基于渗流理论的数值方法与计算软件日益完善，推动了复杂工程渗流问题的研究，为工程渗流控制技术的优化研究与渗控效果的定量评价提供了保障，也为推动工程渗流理论在工程实践中的应用奠定了基础。

水利、交通、油气藏及环境工程领域对渗流理论与渗流控制技术的需求围越来越广。对于具体工程渗流问题来说，如何利用渗流理论为工程技术或工程措施的研发服务是科研工作者及工程技术人员必须要回答的问题。工程目标不同，人们采用的渗流工程措施也不相同。例如，在油气开采工程中，人们采用各种手段来增大油藏介质的渗透性来提高油气的产量；而在水利工程中，人们则通过多种防渗技术来减小坝基的渗透性从而降低水库的渗漏量。由此可见，全面系统地认识渗流介质的渗流特性、掌握渗流运动基本规律、探索渗流相关的实验方法、了解工程渗流机理和渗流场的时空演化过程，对解决工程渗流问题具有十分重要的理论与实践意义。

1.工程渗流问题

本质上讲，地下工程渗流理论主要阐述地下水在岩土介质孔隙中的流动特性、流动规律以及渗流效应等方面的知识。工程中的岩土介质既可以是包含“气和水”的三相介质，也可以是只包含“气或水”的两相介质。当岩土体中孔隙中同时存在气水两相流时，岩土体中的渗流为非饱和渗流；而当岩土体孔隙中完全由水充满时，渗流则是饱和渗流。土体的饱和渗流与非饱和渗流特性存在显著的差别。在研究非饱和渗流特性对工程有重要影响的工程时（例如边坡工程渗流），就需要考虑边坡土体的非饱和渗流特性对渗流场的影响。而在研究坝基渗流场的空间分布时，由于坝基岩土体完全淹没在水库水位之下，采用饱和渗流分析理论则可以较好地解析坝基渗流场的空间变化。

对工程渗流而言，大多数工程（边坡及坝基工程等）的渗流场都是随时间的变化而变化的。实际工程中严格的恒定渗流场是不存在的；但某些情况下，渗流场的变化幅度可能很小，此时的渗流场可以简化为恒定渗流场，例如正常蓄水条件下的坝基渗流场就属于这种情况。越来越多的研究表明，工程渗流风险发生在非恒定渗流阶段，因此，对控制渗流灾害问题而言，研究工程非恒定渗流特性更有实际意义。

饱和软黏土地基固结是岩土类孔隙介质流固耦合作用的最显著、最常见的现象。事实上，当各种流体在孔隙介质中运动时，固体孔隙介质和流体介质之间都会存在相互作用、相互影响的现象，即耦合效应。对不同的工程来说，流固耦合效应的强弱程度也不相同。例如，饱和软黏土地基、高压引水隧洞等岩土体的流固耦合效应很强，工程分析时必须考虑流固耦合效应的影响。对于一些低水头作用下的堤防工程或低坝地基而言，其耦合效应相对较弱，工程分析时，可以不考虑耦合效应对工程安全带来的影响。

热胀冷缩是自然界中一切物质都具有的自然现象。温度变化导致固体介质产生热胀冷缩变形，这种变形受到约束时，就会在固体内部形成温度应力。过大的温度应力也可以导致岩土类孔隙介质产生破坏。对于渗流环境中的岩土介质，孔隙流体和固体介质之间的热胀冷缩程度不同还会导致渗透压力的改变，进而影响到流体与固体之间的耦合效应。因此，研究热传导引起的温度变化对流体和固体物理力学性能的影响也是必须要考虑的问题，而热流固耦合理论对于此类问题的分析提供了理论基础。

综上所述，工程渗流问题一般都比较复杂，涉及饱和非饱和渗流、恒定非恒定渗流、多相耦合渗流以及非等温渗流等。渗流理论研究的目的是为工程渗流问题分析和渗控技术方案的确定提供基础理论支撑。

2.渗流问题研究方法

工程渗流理论的科学研究起始于法国人亨利·达西，他经过长期实验，于1856年总结出了水在砂土中的流动规律，即著名的达西定律。达西定律描述了渗透速度与水力坡度之间的线性关系，称线性渗透定律。自从达西奠定了渗流计算理论的基础之后，渗流理论取得了长足发展。1889年，茹可夫斯基首先推导出了渗流微分方程；1922年，巴甫洛夫斯基提出了求解渗流场的电模拟法，为解决比较复杂的渗流问题提供了一个有效工具，并由电模拟法逐步发展到电网模拟法；1931年，Richards将达西的线性渗流理论推广应用到非饱和渗流中，从此开始了非饱和渗流的研究，水流控制Richards方程很快便建立起来；随后，基于Richards控制方程的饱和-非饱和渗流得到了深入研究，并成功地应用到许多实际工程中。

20世纪后期至今，由于工程建设的需要，渗流理论研究得到了进一步发展，例如饱和非饱和渗流理论、分形渗流理论、流固耦合渗流理论及非等温条件下的渗流理论都取得了较为丰富的研究成果。对工程渗流问题的研究主要有以下几种方法。

（1）解析法。解析法是在一定的物理背景下，建立所求解渗流问题的数学模型，直接用渗流计算公式求出渗流要素的方法。工程渗流分析的解析公式一般较为简单，使用方便，在对工程渗流问题的宏观把握时经常采用。其不足之处是计算成果的精度较低。

（2）物理模型试验法。物理模型试验是在实验室条件下，按照原型用不同比例尺模型，对工程问题或现象进行研究的一种科学方法。作为工程科学研究的一种手段，该方法在水利工程领域的应用范围很广。通过物理模型试验，可以揭示和分析工程渗流现象的本质和机理，验证理论分析成果，并解决工程实际问题。

（3）现场试验法。工程渗流问题分析的关键在于获取渗流分析的基本参数，例如渗透系数、临界水力坡降等。现场试验能更好地接近工程原始条件，获得的数据也接近真实情况，因此其成果的可靠度较高。现场试验不足之处是耗资巨大、测试条件复杂、环境恶劣。

（4）数值分析法。随着计算机技术的进步，利用数值模拟方法研究复杂工程渗流问题越来越为广大科技工作者所认同。数值模拟过程是在一定的物理条件下建立数学模型，然后用有限元法、有限差分法以及有限体积法等数值方法，将渗流区域进行离散求解，最后得到渗流问题的数值解。数值分析能克服物理试验的不足，节约时间与经费。

3.本书内容安排

本书遵循基本理论研究、试验研究和工程实践研究的逻辑及思路进行编写。

渗流工程问题的分析与研究离不开渗流理论这块基石。渗流基本概念、基本原理、基本规律等理论知识是分析工程渗流问题本质的关键所在。为此，本书第1章首先介绍岩土类孔隙介质渗流基础理论，重点介绍了孔隙介质中流体和固体的基本物理性质以及渗流基本方程。第2章在介绍孔隙连续介质的力学性质基础上，研究了岩土类孔隙介质的多相多场耦合理论。

试验研究是获取岩土类材料工程渗流性质最直接和最可靠的方法之一。针对高水头电站对高坝坝基岩体和高压引水隧洞围岩的抗渗性要求高的特点，为深入认识岩体在高渗压作用下的渗透特性，本书第3章首先研究了岩体高渗压作用下的渗透系数计算方法，然后提出了岩体渗透性的高压压水试验方法，并将该方法应用在黑麋峰抽水蓄能电站高岔管围岩高压渗透性试验研究中，分析了该工程岔管区围岩在高渗压条件下的渗透性变化规律。同时，为了了解岩体在渗压作用下的水力劈裂特性，基于上述压水试验成果，第4章在研究裂隙岩体水力劈裂机理的基础上，分析了岩体水力劈裂扩展过程，提出了岩体水力劈裂压力的分析方法。

渗流作用下岩土体的渗透变形及渗透破坏现象是水利工程中常见的渗流灾害之一。现有的土体渗透变形理论的研究成果丰富，第5章在现有渗透变形理论的基础上，通过理论分析和试验手段，研究了考虑应力状态影响的岩土体渗透变形特点，提出了渗透变形的应力相关性理论，为分析处于较高应力状态中的高坝坝基岩体及高压引水隧洞围岩的渗透变形机理及抗渗强度参数的确定提供了新思路。

数值分析方法是全面认识岩土介质渗流效应的有效手段。第6章利用非恒定渗流数值分析方法，研究了高压引水隧洞非恒定渗流场的时空演化特性以及高压引水隧洞断层带置换处置措施对渗流的控制效果，评价了引水隧洞局部不良地质体处置措施的合理性。第7章针对复杂坝基工程的渗流特性，提出了坝基渗透性数值计算分析的空间差异性数学描述方法，采用恒定渗流数值分析法，结合工程实测渗流监测资料，全面深入地分析向家坝水电工程典型坝段的扬压力分布规律、防渗帷幕及排水孔幕等措施的渗控效果。第8章针对重力坝坝基抽排系统的运行控制标准问题，采用数值分析方法进行了深入研究，基于排水孔出流量与坝基扬压力和水力坡降的关系，提出了重力坝排水孔出流量控制标准的研究方法，得到了向家坝典型坝段排水孔的出流量控制标准。

降雨是引起边坡失稳、形成滑坡灾害的重要因素之一。国内外大多数滑坡都是降雨诱发的。降雨引起边坡渗流场发生变化，改变了渗透力的空间分布，导致边坡安全性降低。第9章从边坡土体非饱和渗流特性研究入手，分析了边坡降雨入渗的基本规律，提出了复杂三维边坡非饱和渗流数值分析方法，得到了典型工程边坡的饱和非饱和渗流场的时空演化规律。

水库蓄水引起大坝坝基及近坝库岸边坡产生抬升变形现象受到越来越多的重视。第10章全面综述了国内外抬升变形的案例，总结了水库蓄水岸坡及坝基抬升变形的特点，利用流固耦合数值分析方法研究了抬升变形机理，重现了向家坝左岸近坝边坡抬升变形过程，评价了抬升变形对工程安全性的影响。

理论上，渗流环境中的岩体都存在流固耦合效应，然而这种耦合效应只是在高渗压环境条件下才比较突出。第11章结合黑麋峰抽水蓄能电站现场试验成果，研究了高渗压岩体渗流作用下岩土体的流固耦合效应。第12章结合现场试验资料，研究了核废料地质储存库围岩的热流固耦合效应，分析了核废料放射作用下围岩温度升高引起的温度场、渗流场、应力场和变形的演化规律。

大规模水封石油洞库的建设在我国是一个全新的领域，在工程实践中还存在诸多悬而未决的问题。本书第13章采用渗流数值分析方法，揭示了大型水封石油洞库区地下水位的变化过程，合理地评价了石油洞库的水封能力。通过理论研究和数值分析，提出了水封石油洞库安全运行的水封新准则，并进行了合理性验证。

总之，本书所涉及的内容绝大多数都是作者近十多年来的研究工作总结与升华。编写本书的目的之一在于分享作者在渗流理论研究与工程实践方面的一些经验与教训，也期望为同行在遇到类似问题时提供可借鉴的思路、理论与方法。

由于作者水平的限制，书中的不足和欠妥之处在所难免，恳请读者批评指正。

作者

2017年12月