2.1 概述
水在岩土体孔隙中流动过程称为渗透。岩土体具有渗透特性的性质称为岩土体的渗透特性。由水的渗透引起岩土体边坡失稳、边坡变形、地基变形、岩溶渗透塌陷等均属于岩土体渗透稳定问题。水在孔隙介质中的渗透问题，目前的研究在试验及理论上都有一定的水平，在解决实际问题方面也能够较好地反映土在孔隙介质中渗流的运动规律。孔隙介质中的渗流场理论，基本上描述了水在孔隙介质中的渗透特性。水在裂隙介质中的渗透，目前的研究还不完善。由于裂隙介质的复杂性，水在裂隙介质中的渗透无论在理论上或是在试验方面都存在很多问题，在解决工程实际问题方面还很不成熟。岩土体的渗透性对工程设计、施工和安全运行都有重要的影响。根据岩土的渗透问题的本质可以将渗透问题分成土的渗流问题和岩石的水力学问题两大类。图2.1（a）为土石坝渗流的例子，属于土的渗流问题，图2.1（b）为岩石隧洞开挖时地下水渗透问题，属于岩石水力学问题。
图2.1 水利工程中渗流问题
2.1.1 土的渗流问题
由于土的碎散性和多相性，在土力学中存在一个“土骨架”的概念。土骨架是由相互接触的土颗粒组成的，它具有整块土体的体积与截面积，但不包括孔隙中的气体与液体。正如一块丝瓜瓤或者海绵一样，只考虑它所占据的全部空间中的固体部分。土骨架中含有连通的孔隙，孔隙中包含有流体，这些流体在势能差的作用下会在孔隙中流动，这就是土中的渗流，如图2.2所示。土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性。非饱和土的渗透性与土的饱和度关系很大，问题较复杂，实用性也较小，因此对土的渗透性本章中主要研究饱和土的渗透性。
图2.2 土体中的渗流
土体的渗透性同土体的强度和变形特性一起，是土力学中所研究的几个主要的力学性质。在岩土工程的各个领域内，许多课题都与土的渗透性有密切的关系，如图2.3所示。
图2.3 典型渗流问题
（a）坝身及坝基的渗流；（b）支护结构下的基坑渗流；（c）降雨引起的滑坡及泥石流；（d）水井渗流
概括来说，对土体的渗透问题的研究主要包括下述4个方面：
（1）渗流量问题。渗流量问题包括土石坝和渠道渗漏水量的估算、基坑开挖时的涌水量计算以及水井的供水量估算等。渗流量的大小将直接关系到工程的经济效益。
（2）渗透力和水压力问题。流经土体的水流会对土颗粒和土骨架施加作用力，称为渗透力。渗流场中的饱和土体和结构物会受到水压力的作用，在土工建筑物和地下结构物的设计中，正确地确定上述作用力的大小是十分必要的。当对这些土工建筑物和地下结构进行变形或稳定计算分析时，需要首先确定这些渗透力和水压力的大小和分布。
（3）渗透变形（或者渗透稳定）问题。当渗透力过大时可引起土颗粒或土骨架的移动，从而造成土工建筑物及地基产生渗透变形，如地面隆起、细颗粒被水带出等现象。渗透变形问题直接关系到建筑物的安全，它是水工建筑物、坑基和地基发生破坏的重要原因之一。统计资料表明，土石坝失事总数中，由于各种形式的渗透变形而导致失事的约占1/4～1/3。
（4）渗流控制问题。当渗流量和渗透变形不满足设计要求时，要采用工程措施加以控制，称为渗流控制。
综上所述可知，渗流会造成水量损失而降低工程效益；会引起土体的渗透变形，直接影响土工建筑物和地基的稳定与安全。因此，研究土体的渗透规律，掌握土体中水渗流的知识以便对渗流进行有效的控制和利用，是水利工程及土木工程相关领域中一个非常重要的课题。本章将主要讨论土体的渗透性及渗透规律；二维渗流理论及流网的绘制；渗透力与渗透变形等问题。
2.1.2 岩石水力学
岩石水力学的内涵包括裂隙水力学和孔隙介质渗流学，其中孔隙介质渗流学与土的渗流学相似，理论学习参考土的渗流学，因此裂隙水力学是岩石水力学的主要部分，但两者共同构成一个整体。裂隙岩体是坝基、边坡、地下洞室等岩体工程中广泛遇到的一类复杂介质，它的强度、变形和地下水渗透特性等力学变形特性将直接影响各类岩体工程的设计和施工，如果对裂隙岩体处理不当会影响各类建筑的正常，甚至会造成工程灾难。本节主要讨论岩石水力学中裂隙水力学。
岩石裂隙水力学主要以水文地质学、工程地质学为基础，利用数学、力学等理论，建立岩石裂隙水力学的数学力学模型，对具体工程设计、施工和运行进行指导，在允许的条件下并用数值模拟和物理模型的方法来研究、评价和预测岩石裂隙中地下水的流动与应力耦合作用所造成的工程岩体的稳定性，更科学地指导工程设计、工程施工、工程运行管理以及地下水资源的合理开采与水资源保护。
我国是一个多山的国家，丰富的水力资源分布上看，大多数集中在西南和西北地区的崇山峻岭当中，新建水利枢纽及水电站和跨流域调水工程，由于地形、地貌等因素的限制，都设计大型或超大型地下工程，修建大型硐室作为发电厂房，大型发电输水隧洞、大型的变电站硐室、大型的尾水段隧洞等。如锦屏二级电站地下厂房、拉西瓦枢纽工程、响水涧抽水蓄能电站地下厂房洞群、南水北调工程等工程的地质条件都较为复杂，均表现出高地应力、高外水压力、地下水涌出量达等突出问题。实践证明，岩石裂隙水力学特征加大了工程设计、工程施工、运行的难度。因此对岩石裂隙水力学进行综合和系统、深入地研究是非常有必要的。