在大型水利工程的坝基和地下隧洞等区域,由于长期的地质作用,岩体内部会产生不同规模和走向的裂隙。裂隙的渗透性远大于岩石,因此裂隙成为岩体内部渗流的主要通道。研究裂隙的形态结构和渗流特性,可为工程的安全运行提供合理预测。本文从二维裂隙形态的描述方法出发,对不同粗糙度的裂隙渗流进行数值模拟。结合单裂隙辐射流剪切一渗流耦合试验,分析应力与渗流的相互作用和对粗糙度的影响。基于渗流规律,建立单节点交叉裂隙二维渗流模型,为裂隙网络渗流模型的研究奠定基础。本文的主要研究成果如下:(1)推导采样间距为2 mm,粗糙度系数(JRC)与伸长率、相对起伏度、有效起伏角和分维数之间的关系,建立了不同JRC直线和曲线裂隙轮廓的二维数值模型。结果阐明了水流的流速分布受起伏角度影响较大,且对于同一条裂隙,改变裂隙起伏的顺序,将对水流流速发生改变。此外,在一定的水力坡降下,隙宽越大,JRC越小,渗流量则越大。(2)基于能量和动量守恒定理,设计深度为80～150 m的裂隙地下水渗流试验,采用光滑和规则锯齿状裂隙面,推导得出辐射流水流冲击处的外力和水头损失公式。试验结果表明渗透水压对剪切应力的敏感性低于法向应力。(3)分析两种试件的渗流量结果,拟合得出渗流量与机械隙宽符合幂指数关系,且表面越粗糙,指数越小。试验结束后裂隙表面的粗糙度发生改变,光滑试件由JRC=0变为3左右,JRC的增大幅度与法向应力呈正相关;锯齿状试件由JRC=16.41变为12左右,JRC的降低幅度与剪切应力呈正相关。(4)建立二维辐射流渗流模型,分析光滑试件在剪切作用下,水流在辐射冲击处的流速分布。结果阐明在相同渗透水压下,最大流速值比入水口流速高78%左右。锯齿状裂隙在剪切过程中隙宽呈波动变化,裂隙间水流为紊流形态,产生的漩涡范围与隙宽有关。(5)取裂隙网络的一个节点作为研究对象,建立X型单节点交叉裂隙网络渗流模型。计算结果表明在入口裂隙宽度不变的情况下,出口角度是决定优势通道的重要因素,宽隙比主要影响出口流速大小。同时,在同等边界条件下,交叉裂隙的最大流速低于单裂隙。