裂隙岩体渗透性研究是目前大型水利水电工程所面临的重大研究课题之一，岩体裂隙几何特征的精确描述与刻画是研究裂隙岩体渗流的基础。岩体中裂隙的发育与分布既具有随机性又具有确定性，由于岩体的三维特性和天然露头、开挖面或钻孔的限制，对裂隙的几何特征进行完全描述与刻画是困难的。 目前的主要研究方法有统计模型方法和非确定性概率模型方法。统计模型方法，即直接对岩体裂隙的现场大量调查与测量，观测数据的统计拟合获得表征结构面的几何特性参数。非确定性的概率模型方法，即通过有限露头及有限数量结构面的调查与测量，获得具有代表性结构面参数概率分布模型，对裂隙几何特征参数进行估计，采用随机模拟方法(通常采用Monte-carlo模拟)对结构面分布进行三维模拟，获得结构面随机分布模型。同时，分形理论在岩体力学、岩体水力学等学科中的成功应用为岩体裂隙几何特征的研究提供了新的确定性方法，裂隙的分维数与其几何特征相关，即可采用分维数来表征裂隙岩体的几何特征。 因此，对裂隙岩体的几何特征研究通常采用确定性方法与非确定方法相结合，从综合特征探讨岩体裂隙的分布特征与发育规律。 裂隙岩体的渗透性受裂隙的几何特征分布规律的影响，呈现出一定的随机性与确定性，随机性是指渗透系数等描述渗透性的参数在同一埋深条件下呈现出大小不一的随机特性；确定性则是渗透系数随埋深增大而减小同时出现局部震荡。 本文以官地水电站坝址厂房区为研究对象，采用统计学方法对岩体裂隙的地质属性及几何特征进行了精确描述与刻画，并运用分形理论方法对单裂隙隙宽与厂址区裂隙岩体渗透性进行插值重构，结合渗透张量理论对研究区岩体裂隙的渗透性进行了详细研究，得出如下认识和结论： 1、官地坝址区玄武岩一般裂隙分组发育规律： 坝址区岩体裂隙发育主要有5组：NE70°/NW，ES81°组；NW15°/NE，NW78°组；NW60°/NE，SW40°组；NE2°/SE22°组；NW23°/NE，SW78°组。其中以与坝址区岩层走向近垂直的NE70°/NW，ES81°组裂隙最为发育。 2、在分组研究基础上，对坝址区岩体裂隙的几何特征，如间距、迹长、隙宽的分布特征采用SPSS软件进行了统计和拟合，并对裂隙迹长的不同测量方式的概率统计方法进行比较分析，得出： ①各组岩体裂隙间距一般在60cm以内，均呈负指数分布，以密集和中等宽间距为主；岩体裂隙发育同时具有韵律性和等距性。即从大的尺度(平硐尺度)看，岩体裂隙呈现出疏区、密区相间分布，区与区之间又有一定的距离；在区的内部，也表现出裂隙呈近似等间距发育，一般为10～20cm。间距的标准差一般在1.0以内，但均大于0.5，因而在坝址区进行裂隙测量的测窗适宜尺度为2m×10m。 ②岩体裂隙迹长大多在1.5～2.5m之间，即以短迹长为主；而中、高倾角裂隙组迹长分布为对数正态分布，缓倾角裂隙则为负指数分布。通过对Laslett算法、2L0.5法、H-H法、H-H2法、Cruden算法等对坝址区岩体裂隙的平均迹长估计值进行了比较，认为采用H-H2方法相对比较符合工程实际。并基于H-H法探讨了不同统计窗口高度和宽度对裂隙迹长的影响，认为在固定平硐高度(一般为2m)时，宽度为5m则对于迹长4.5m的裂隙具有迹长估计能力，而随着测窗宽度的增加，可控制迹长增加不大，即使把窗口宽度增加到50m，其可控制迹长也只有6.04m：实际最大迹长一般在5m，则需采用2m×7.8m统计窗，因此现场实际采用2m×10m统计窗。对于裂隙组的全迹长的测量，可以选择与改组裂隙走向一致的平硐顶进行。 ③各组岩体裂隙隙宽一般在0.5mm以内，以小于0.1mm的密闭裂隙及0.25～0.5mm的部分张开裂隙为主，分组后各组裂隙隙宽分布为负指数分布。而通过对单一裂隙轮廓线的开度研究发现隙宽一般呈对数正态分布。 ④由于平硐走向的限制，测线(或观测面法线)方向与裂隙面法线方向呈一定的夹角α，为满足对岩体裂隙的几何特征的无偏估计需要，通常采用权系数(ω)法对直接测量到的裂隙方向数据进行校正，即：ω＝1/cosα。而对于缓倾角裂隙，那么最有效的方法就是增加测量面的高度，而通常在工程研究中，如水电工程中大多数采用平硐勘测，而平硐的高度和宽度基本确定在2m左右，而平硐钻孔的机窝位置硐高大约在5米左右，这样在机窝处进行测量有利于减少误差。 3、坝址区岩体裂隙的几何特征的垂向(埋深)变化规律： 岩体裂隙的隙宽总体随埋深的增加而减少，局部出现震荡，而小于0.5mm的隙宽随埋深变化不大，最大隙宽外包络线呈指数减少，在埋深300m以后隙宽呈闭合状态。迹长随埋深的增加而呈现减少趋势，并呈现出局部震荡现象，在浅部长大裂隙相对发育，在埋深300m以下中等长度以上裂隙仅少量出现，基本以短、极短裂隙为主。 4、岩体裂隙的几何特征具有分形特性： ①采用盒维数法测量了XD04上支硐中的断面分维数在1.2771～1.2917之间，分维数的大小反映了岩体结构复杂程度，对于某一断面，裂隙长度越大、间距越小、裂隙轮廓线越曲折、数目越多，其分维值越大。采用粗糙曲线的圆规数法测量了单裂隙的迹长分维数，单裂隙迹长的分维数在1.0046～1.0085之间，说明裂隙的曲折性较小，基本近似平直。 裂隙间距的分维数反映了间距数据的离散程度，也即裂隙分布的韵律性程度，分维数越大，裂隙发育越不均匀，各组裂隙间距的分维数在0.83～1.824之间，以NW15°/NE，NW78°裂隙组分维数最小，NE70°/NW，ES81°裂隙组最大。裂隙迹长的分维数反映了迹长数据的离散程度，也即裂隙迹长大小越分散，分维数越大，裂隙长短发育越不均匀，各组裂隙迹长的分维数在1.046～1.85之间，以NE2°/SE22°裂隙组分维数最小，NE70°/NW，ES81°裂隙组最大。 ②单一裂隙的隙宽具有分形特性，隙宽大小越不均匀，其分维数越大，反之，则越小。根据单一隙宽的分形特性采用布朗函数法拟合出了裂隙面的表面形态，并对单裂隙面的隙宽进行了分形模拟和水力特性模拟，模拟结果显示出单裂隙面中的水流具有绕流特性和沟槽流特性。 5、裂隙岩体的渗透特性： 裂隙岩体的渗透系数大小取决于裂隙的大小和分布状况，通常长、大裂隙对渗透系数的大小和裂隙岩石的各向异性特征影响较大。裂隙的渗透性与裂隙隙宽的立方成正比，而隙宽通常是不均匀的，怎样确定等效水力隙宽一直是一个比较难的课题。由于裂隙测量所得到的渗透张量是在一定假设条件下推导的，因而需要通过压水试验资料进行校正。本次研究认为： ①单裂隙的等效水力隙宽可取所测量的隙宽统计的几何平均与调和平均值之和的一半，或取40％的频率隙宽。 ②裂隙岩体的压水试验成果表明，其渗透性随埋深的增加逐步减少，在埋深150m以下渗透系数趋于稳定，基本在0.03m/d，但总体看，渗透系数局部出现震荡，这与裂隙的隙宽、迹长发育规律一致，反映了裂隙的隙宽、迹长对岩体渗透性的影响。裂隙岩体渗透性与埋深的关系具有分形特性，其分维数在1.61～1.69之间，平均为1.65，分维数的大小反映裂隙岩体的渗透性大小，分维数越大，则渗透系数随埋深变化的相对起伏越大，即渗透系数与埋深关系曲线越“粗糙”，反之，则越平滑。 ③裂隙岩体的渗透张量主值随埋深的增加而减少，基本与隙宽、压水试验所得到的渗透系数随埋深的变化规律一致，反映了隙宽是对裂隙岩体渗透性的主要影响因素。渗透张量主值之比K1/K2比较接近，反映了在K1、K2面上岩体总体呈各向同性。而K3则永小于K1、K2，反映了强烈的各向异性特征，部分测点裂隙K3趋于0，此时的裂隙岩体渗流属于平面二维流。 ④通过压水试验资料对裂隙测量法所得的裂隙岩体渗透张量进行校正，校正系数绝大多数小于1.0，有的甚至为0.01，说明裂隙测量法所得到的结果偏大，这主要是裂隙测量法的渗透张量计算公式忽略了裂隙的充填情况、粗糙度、连通性及及叉点偏流效应等因素。 6、裂隙岩体渗透系数存在尺度效应，本文提出了确定裂隙典型单元体的渗透张量方法，即通过对不同测窗尺度下的渗透张量计算分析，在5m尺度内，裂隙的渗透张量主值K1、K2、K3，K0变化幅度较大；在5～70m范围内，各渗透张量主值在一定范围内波动，波动幅度不大；在70m尺度以后，渗透张量主值与综合渗透张量系数基本趋于稳定，则可认为在70m尺度为该裂隙岩体的典型单元体的大小。 7、插值方法重构裂隙岩体渗透系数： 利用压水试验资料采用克里格插值法、分形随机生成法和分形曲面插值法重构了厂房区裂隙岩体的渗透系数场，比较认为，分形随机函数法不能通过已知的分形点，只能在区域整体上反映渗透系数场的总体特征；克里格插值法和分形曲面插值法则能通过已知点进行渗透性重构，但是克里格插值法所得到的局部区域呈现出光滑状况，而分形曲面插值法则显示出“粗糙”曲面特征，更能反映裂隙岩体渗透性的实际。 本文的创新主要表现在：推导了单裂隙的等效水力隙宽；提出了确定裂隙典型单元体的渗透张量方法；采用分形插值方法重构了研究区裂隙岩体渗透系数。