

地学前缘 ›› 2026, Vol. 33 ›› Issue (1): 313-327.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.10.29
许林1,2(
), 马海春2, 王京平2, 张庆3, 黄逸航2, 钱家忠2,*(
), 王万林2,4
收稿日期:2025-08-10
修回日期:2025-10-16
出版日期:2026-01-25
发布日期:2025-11-10
通信作者:
*钱家忠(1968—),男,博士,教授,博士生导师,主要从事地下水污染与防治教学和科研工作。E-mail: qianjiazhong@hfut.edu.cn
作者简介:许 林(1993—),男,硕士,主要从事污染土壤/地下水修复、矿山生态修复等相关研究工作。E-mail: 251216902@qq.com
基金资助:
XU Lin1,2(
), MA Haichun2, WANG Jingping2, ZHANG Qing3, HUANG Yihang2, QIAN Jiazhong2,*(
), WANG Wanlin2,4
Received:2025-08-10
Revised:2025-10-16
Online:2026-01-25
Published:2025-11-10
摘要:
随着深部资源勘探、地热能源开发和核废料地质处置等工程活动的深入推进,地下水在高地应力高温环境下的渗流行为成为研究热点,进而关于如何构建适用于高地应力高温条件的多物理场耦合理论模型,以准确反映在真实地应力和温度条件下水-岩相互作用、裂隙形态演化与流体特性变化的动态过程成为重点关注的问题。本文系统综述了高地应力高温条件下地下水渗流的基本理论、实验研究与数值模拟进展,重点阐述了传统立方定律在裂隙渗流模拟中的适用性与局限,并介绍了非达西流与广义达西流的理论拓展,分析了地应力与温度对渗透率的耦合调控机制;总结了多项地应力与热力耦合实验成果及其渗流参数演化规律,探讨了数值模拟中地应力主导下裂隙几何形态演变与渗透通道演化过程;评价了高温环境下矿物热膨胀、热破裂与裂隙粗糙度变化对渗流路径的影响,评估了热-水-力耦合模型及数据驱动方法的预测潜力;评述了当前理论模型在高地应力高温多场耦合机制、裂隙尺度效应及长期演化方面仍存在不足,展望了未来的研究方向。
中图分类号:
许林, 马海春, 王京平, 张庆, 黄逸航, 钱家忠, 王万林. 高地应力高温条件裂隙介质地下水非线性渗流研究进展[J]. 地学前缘, 2026, 33(1): 313-327.
XU Lin, MA Haichun, WANG Jingping, ZHANG Qing, HUANG Yihang, QIAN Jiazhong, WANG Wanlin. Advances in groundwater nonlinear seepage in fractured media under conditions of high in-situ stress and temperature[J]. Earth Science Frontiers, 2026, 33(1): 313-327.
图1 裂隙中地下水流动示意图(据文献[24]) a—光滑平行裂隙中地下水(蓝色)流动,灰色为岩体基质;b—非平行裂隙中地下水流动;c—粗糙裂隙中地下水流动,绿色为局部“凸起”。
Fig.1 Schematic diagram of groundwater flow in fractures. Adapted from [24].
| 方程的类型 | 方程 | 提出的学者 | 术语解释 | 评论 |
|---|---|---|---|---|
| 多项式方程 | i=aq+bq2 | Forchheimer[ | a和b为常数 | 经验性,但理论基础 是后来才找到的 |
| i=aq+bq2+cq3 | Forchheimer[ | a、b和c为常数 | 经验性 | |
| i=aq+bq1.5+cq2 | Rose[ | a、b和c为常数 | 经验性 | |
| i=aq+bq2+c(∂v/∂t) | Polubarinova-Kochina[ | a、b和c为常数 | 经验性 | |
| i=aq+bqm | Muskat[ Harr[ | a、b和m为常数 | 经验性 | |
| 幂律方程 | q=Min, n<1 | Izbash[ | M和n为常数 | 经验值n介于1和0.5之间 |
| q=(Bi)1/2 | Escande[ | B为常数 | 对于直径为2.54 cm的 颗粒,经验系数B在80至 290(cm/s)2之间变化。 | |
| q=32.9m1/2i0.54 | Wilkins[ | m为水力开度 | 基于1.905~7.62 cm颗粒 测试结果的半经验方法 | |
| q=α(μ/σ)f-1(ki)f | Slepicka[ | α、f和k为常数; μ表示黏度; σ表示表面张力 | 半经验的,由维数分析得出 | |
| q=n(igd/Kst)1/2 | Stephenson[ | d为颗粒直径;n为孔隙率; g为重力常数; Kst为斯蒂芬森摩擦因数 | 半经验性的,更适合 在场地尺度上使用 |
表1 高雷诺数下已发表的非达西定律
Table 1 Published non-Darcian flow laws at the high Reynolds’s numbers
| 方程的类型 | 方程 | 提出的学者 | 术语解释 | 评论 |
|---|---|---|---|---|
| 多项式方程 | i=aq+bq2 | Forchheimer[ | a和b为常数 | 经验性,但理论基础 是后来才找到的 |
| i=aq+bq2+cq3 | Forchheimer[ | a、b和c为常数 | 经验性 | |
| i=aq+bq1.5+cq2 | Rose[ | a、b和c为常数 | 经验性 | |
| i=aq+bq2+c(∂v/∂t) | Polubarinova-Kochina[ | a、b和c为常数 | 经验性 | |
| i=aq+bqm | Muskat[ Harr[ | a、b和m为常数 | 经验性 | |
| 幂律方程 | q=Min, n<1 | Izbash[ | M和n为常数 | 经验值n介于1和0.5之间 |
| q=(Bi)1/2 | Escande[ | B为常数 | 对于直径为2.54 cm的 颗粒,经验系数B在80至 290(cm/s)2之间变化。 | |
| q=32.9m1/2i0.54 | Wilkins[ | m为水力开度 | 基于1.905~7.62 cm颗粒 测试结果的半经验方法 | |
| q=α(μ/σ)f-1(ki)f | Slepicka[ | α、f和k为常数; μ表示黏度; σ表示表面张力 | 半经验的,由维数分析得出 | |
| q=n(igd/Kst)1/2 | Stephenson[ | d为颗粒直径;n为孔隙率; g为重力常数; Kst为斯蒂芬森摩擦因数 | 半经验性的,更适合 在场地尺度上使用 |
| 研究学者 | 研究内容 | 实验方法 | 主要结论 |
|---|---|---|---|
| 王恩志等[ | 研究地应力作用下低渗透砂岩的稳定渗流特性,以盐水为渗流介质,探讨渗透性与有效地应力的关系 | 采用恒速法和恒压法,进行低渗透饱和砂岩在不同地应力条件下的渗流实验 | 岩石渗透率随有效地应力增加而显著下降,呈现非线性变化关系,说明地应力对渗流能力具有显著抑制作用 |
| 徐德敏等[ | 对大尺寸低渗透软弱岩进行高地应力渗流试验,进一步分析地应力变化对渗透性的影响 | 利用自主研制的高地应力渗流仪开展系统性试验,监测渗透系数随地应力变化的动态响应 | 渗透系数随地应力增加而降低,且在地应力卸载时虽有回升,但未恢复至初始水平;认为渗透性变化主要源于侧向压力导致孔隙和喉道的压缩变形 |
| 蒋宇静等[ | 探讨含原岩充填物的砂岩裂隙在不同轴压和地应力下的渗流响应 | 在轴压0.01~0.2 MPa、地应力0~10 MPa条件下,开展充填裂隙渗流实验,比较不同粒度填充物和裂隙开度的影响 | 对充填裂隙岩体,地应力显著影响渗流能力;开度较大的无充填裂隙中,地应力影响甚微。轴压<0.03 MPa或地应力<1 MPa时,粒度影响无序;当轴压与地应力较高时,粒径越大,渗流量越大 |
| 王俊光和梁冰[ | 针对高地应力、高水压条件下含充填裂隙岩体的渗透性特征开展实验研究 | 采用自主研发的三轴应力-渗流耦合试验系统,对不同充填材料裂隙试样进行渗透性测试 | 不同充填物裂隙样品的渗透系数存在差异,但在相同地应力下数量级相近;渗透系数随地应力增大而持续下降,体现出地应力对裂隙渗透性能的压缩效应 |
| 刘杰等[ | 探讨高水压环境中裂隙渗流能力的变化规律,强调应力与渗流之间的耦合关系 | 开展野外原位渗流实验,模拟地下高水压环境,分析地应力对裂隙导水能力的约束作用 | 研究表明高水压增强裂隙导水能力,但地应力则对其具有显著抑制作用;裂隙渗流引发应力变化,同时应力反过来也影响渗透性,显示出渗流-应力间的强耦合特性 |
| 刘欣语[ | 评估渗透水压对岩石力学特性和渗透性的影响,强调耦合分析的重要性 | 利用数值与理论分析方法,讨论地下水压力对岩体强度与渗透演化的联动机制 | 认为单一考虑水压力不足以解释实际渗流现象,应从渗流-应力耦合视角开展系统研究,以更全面理解地下水活动及其对岩体结构的影响 |
| 左宇军等[ | 研究不同渗透压差与地应力条件下,页岩试样的渗透性演化过程 | 采用应力-应变控制渗透性试验,测定不同压力组合下的渗透系数变化 | 在相同渗透压差条件下,渗透率随地应力增大而降低;在相同地应力下,渗透率随渗透压差增大而升高,说明渗透驱动力和地应力共同调控裂隙渗流行为 |
表2 地应力耦合地下水渗流的实验研究
Table 2 Experimental study on confining pressure coupled with groundwater seepage
| 研究学者 | 研究内容 | 实验方法 | 主要结论 |
|---|---|---|---|
| 王恩志等[ | 研究地应力作用下低渗透砂岩的稳定渗流特性,以盐水为渗流介质,探讨渗透性与有效地应力的关系 | 采用恒速法和恒压法,进行低渗透饱和砂岩在不同地应力条件下的渗流实验 | 岩石渗透率随有效地应力增加而显著下降,呈现非线性变化关系,说明地应力对渗流能力具有显著抑制作用 |
| 徐德敏等[ | 对大尺寸低渗透软弱岩进行高地应力渗流试验,进一步分析地应力变化对渗透性的影响 | 利用自主研制的高地应力渗流仪开展系统性试验,监测渗透系数随地应力变化的动态响应 | 渗透系数随地应力增加而降低,且在地应力卸载时虽有回升,但未恢复至初始水平;认为渗透性变化主要源于侧向压力导致孔隙和喉道的压缩变形 |
| 蒋宇静等[ | 探讨含原岩充填物的砂岩裂隙在不同轴压和地应力下的渗流响应 | 在轴压0.01~0.2 MPa、地应力0~10 MPa条件下,开展充填裂隙渗流实验,比较不同粒度填充物和裂隙开度的影响 | 对充填裂隙岩体,地应力显著影响渗流能力;开度较大的无充填裂隙中,地应力影响甚微。轴压<0.03 MPa或地应力<1 MPa时,粒度影响无序;当轴压与地应力较高时,粒径越大,渗流量越大 |
| 王俊光和梁冰[ | 针对高地应力、高水压条件下含充填裂隙岩体的渗透性特征开展实验研究 | 采用自主研发的三轴应力-渗流耦合试验系统,对不同充填材料裂隙试样进行渗透性测试 | 不同充填物裂隙样品的渗透系数存在差异,但在相同地应力下数量级相近;渗透系数随地应力增大而持续下降,体现出地应力对裂隙渗透性能的压缩效应 |
| 刘杰等[ | 探讨高水压环境中裂隙渗流能力的变化规律,强调应力与渗流之间的耦合关系 | 开展野外原位渗流实验,模拟地下高水压环境,分析地应力对裂隙导水能力的约束作用 | 研究表明高水压增强裂隙导水能力,但地应力则对其具有显著抑制作用;裂隙渗流引发应力变化,同时应力反过来也影响渗透性,显示出渗流-应力间的强耦合特性 |
| 刘欣语[ | 评估渗透水压对岩石力学特性和渗透性的影响,强调耦合分析的重要性 | 利用数值与理论分析方法,讨论地下水压力对岩体强度与渗透演化的联动机制 | 认为单一考虑水压力不足以解释实际渗流现象,应从渗流-应力耦合视角开展系统研究,以更全面理解地下水活动及其对岩体结构的影响 |
| 左宇军等[ | 研究不同渗透压差与地应力条件下,页岩试样的渗透性演化过程 | 采用应力-应变控制渗透性试验,测定不同压力组合下的渗透系数变化 | 在相同渗透压差条件下,渗透率随地应力增大而降低;在相同地应力下,渗透率随渗透压差增大而升高,说明渗透驱动力和地应力共同调控裂隙渗流行为 |
| 研究学者 | 研究内容 | 实验方法 | 主要结论 |
|---|---|---|---|
| Yi等[ | THMC耦合下裂隙岩石开裂行为 | 设计三轴压缩试验,研究不同THMC场对预制裂纹红砂岩力学行为和破坏模式的影响;采用新提出的THMC断裂准则分析裂纹起裂机制 | 温度升高导致弹性模量下降、起裂应力下降、峰值强度下降;破坏模式由剪切转为拉伸;温度升高削弱断裂韧性,影响裂纹起裂 |
| Li等[ | 基于细观结构DEM建模与机器学习的裂隙岩石THM效应跨尺度分析 | 开发耦合热-水-细观结构的DEM模型T-H-MSBM,模拟不同损伤程度的裂隙花岗岩在THM耦合条件下的压缩行为,结合机器学习建立宏观强度与THM因素的关联数据库 | 温度对力学性质的劣化效应随损伤度增加而放大;低损伤岩石温度依赖性更显著 |
| Wu等[ | 单裂隙岩石THM耦合试验系统的开发与应用 | 研制THM耦合试验系统,包含加载、剪切-渗流箱、高温环境箱和渗流系统,对花岗岩单裂隙进行加热-冷却渗流试验和剪切-渗流耦合试验 | 加热至120 ℃引起热膨胀导致法向位移增加(0.84 mm);CND边界下热应力达初始应力3倍 |
| Liang等[ | 耦合THM环境下盐岩渗透率与孔隙结构演化及其自愈合机制 | 利用自研高地应力高温THM耦合设备处理盐岩,通过显微CT(MCT)和金相显微镜观察孔隙、裂隙演化,对比仅热处理的盐岩特性 | 400~500 ℃:愈合主导导致渗透率下降;500 ℃以上:损伤主导导致渗透率上升;最佳愈合区间:400~500 ℃ |
| Meng等[ | 耦合THM环境下裂隙岩石渗透率演化与非线性渗流特性实验研究(以西山沉积岩为例) | 设计THM耦合三轴试验装置,研究实时超高温(20~650 ℃)和三轴应力(地应力 5~25 MPa)下裂隙岩石的渗透率演化,采用DIC技术和3D激光扫描分析裂隙孔径与粗糙度 | 渗透率拐点:300 ℃/500 ℃;300 ℃以上引起侧向变形导致流量骤升;500 ℃以上导致渗流各向异性降低 |
| Huang等[ | 耦合THM条件下储层岩石裂纹量化与渗透率演化:设备开发与实验研究 | 研制X射线兼容的THM耦合三轴装置,对煤样进行三轴应力循环和渗透率实验,结合CT扫描分析裂纹演化与渗透率的关系 | 裂纹面积分数随应力循环增加导致渗透率上升;高温促进裂纹扩展 |
| Meng等[ | 耦合THM环境处理后盐岩的 II 型断裂特性与粗糙度研究 | 用自研THM耦合三轴仪预处理盐岩,进行三点弯曲(SCB)试验,利用DIC技术、3D激光扫描和电镜分析断裂过程区长度、断裂表面形貌及粗糙度 | 500 ℃以上导致断裂韧性下降;温度升高引起微裂纹增加,裂尖过程区长度增加(1.32~3.59 mm) |
| Zhang等[ | 研究EGS裂隙在热采阶段热应力/热破裂作用下的渗透率演化及损伤机制,分析温度、地应力、注入速度等因素的影响 | 自开发高温渗流实验装置,进行50~200 ℃长期渗透率测试;构建THM-D耦合模型模拟裂隙损伤分布;通过CT扫描观察热破裂后裂隙形态及碎屑分布 | 200 ℃:热破裂导致渗透率先上升后下降(碎屑堵塞);基质热破裂受注入速度和非均质性促进 |
| Meng等[ | 研究大理石在 25~600 ℃高温THM耦合环境(25 MPa 三轴应力、6 MPa 渗流压力)下的渗透率及孔隙结构演化,对比单纯热处理(HTO)的影响 | 高地应力高温THM耦合试验机进行渗透率测试;微CT 扫描和压汞实验分析孔隙参数(孔隙度、孔径分布、分形维数);岩石薄片显微观察热损伤裂隙形态 | THM下渗透率变化:25~400 ℃缓慢上升,400~550 ℃波动,和550 ℃以上快速上升;大理石在THM下经历 “热弹性变形→弹塑性流动→热分解” 三阶段,550 ℃以上石英相变导致渗透率骤升 |
| Wu等[ | 研究超高温(25~650 ℃)EGS 储层在THM耦合环境下的渗透率及孔隙结构演化规律,分析温度阶段对微观参数的影响机制 | 自设计THM耦合测试系统(25 MPa三轴应力和6 MPa 渗流压力);压汞实验、微CT扫描和薄片显微分析孔隙结构;分形维数定量表征孔隙复杂性 | THM下渗透率变化:25~400 ℃缓慢增加,400~550 ℃波动,550~650 ℃骤升;高温(>550 ℃)岩石破坏;573 ℃石英相变导致体积膨胀,触发宏观裂隙,渗透率提升 122% |
表3 温度耦合地下水渗流的实验与数值研究
Table 3 Experimental and numerical study on thermally coupled groundwater seepage
| 研究学者 | 研究内容 | 实验方法 | 主要结论 |
|---|---|---|---|
| Yi等[ | THMC耦合下裂隙岩石开裂行为 | 设计三轴压缩试验,研究不同THMC场对预制裂纹红砂岩力学行为和破坏模式的影响;采用新提出的THMC断裂准则分析裂纹起裂机制 | 温度升高导致弹性模量下降、起裂应力下降、峰值强度下降;破坏模式由剪切转为拉伸;温度升高削弱断裂韧性,影响裂纹起裂 |
| Li等[ | 基于细观结构DEM建模与机器学习的裂隙岩石THM效应跨尺度分析 | 开发耦合热-水-细观结构的DEM模型T-H-MSBM,模拟不同损伤程度的裂隙花岗岩在THM耦合条件下的压缩行为,结合机器学习建立宏观强度与THM因素的关联数据库 | 温度对力学性质的劣化效应随损伤度增加而放大;低损伤岩石温度依赖性更显著 |
| Wu等[ | 单裂隙岩石THM耦合试验系统的开发与应用 | 研制THM耦合试验系统,包含加载、剪切-渗流箱、高温环境箱和渗流系统,对花岗岩单裂隙进行加热-冷却渗流试验和剪切-渗流耦合试验 | 加热至120 ℃引起热膨胀导致法向位移增加(0.84 mm);CND边界下热应力达初始应力3倍 |
| Liang等[ | 耦合THM环境下盐岩渗透率与孔隙结构演化及其自愈合机制 | 利用自研高地应力高温THM耦合设备处理盐岩,通过显微CT(MCT)和金相显微镜观察孔隙、裂隙演化,对比仅热处理的盐岩特性 | 400~500 ℃:愈合主导导致渗透率下降;500 ℃以上:损伤主导导致渗透率上升;最佳愈合区间:400~500 ℃ |
| Meng等[ | 耦合THM环境下裂隙岩石渗透率演化与非线性渗流特性实验研究(以西山沉积岩为例) | 设计THM耦合三轴试验装置,研究实时超高温(20~650 ℃)和三轴应力(地应力 5~25 MPa)下裂隙岩石的渗透率演化,采用DIC技术和3D激光扫描分析裂隙孔径与粗糙度 | 渗透率拐点:300 ℃/500 ℃;300 ℃以上引起侧向变形导致流量骤升;500 ℃以上导致渗流各向异性降低 |
| Huang等[ | 耦合THM条件下储层岩石裂纹量化与渗透率演化:设备开发与实验研究 | 研制X射线兼容的THM耦合三轴装置,对煤样进行三轴应力循环和渗透率实验,结合CT扫描分析裂纹演化与渗透率的关系 | 裂纹面积分数随应力循环增加导致渗透率上升;高温促进裂纹扩展 |
| Meng等[ | 耦合THM环境处理后盐岩的 II 型断裂特性与粗糙度研究 | 用自研THM耦合三轴仪预处理盐岩,进行三点弯曲(SCB)试验,利用DIC技术、3D激光扫描和电镜分析断裂过程区长度、断裂表面形貌及粗糙度 | 500 ℃以上导致断裂韧性下降;温度升高引起微裂纹增加,裂尖过程区长度增加(1.32~3.59 mm) |
| Zhang等[ | 研究EGS裂隙在热采阶段热应力/热破裂作用下的渗透率演化及损伤机制,分析温度、地应力、注入速度等因素的影响 | 自开发高温渗流实验装置,进行50~200 ℃长期渗透率测试;构建THM-D耦合模型模拟裂隙损伤分布;通过CT扫描观察热破裂后裂隙形态及碎屑分布 | 200 ℃:热破裂导致渗透率先上升后下降(碎屑堵塞);基质热破裂受注入速度和非均质性促进 |
| Meng等[ | 研究大理石在 25~600 ℃高温THM耦合环境(25 MPa 三轴应力、6 MPa 渗流压力)下的渗透率及孔隙结构演化,对比单纯热处理(HTO)的影响 | 高地应力高温THM耦合试验机进行渗透率测试;微CT 扫描和压汞实验分析孔隙参数(孔隙度、孔径分布、分形维数);岩石薄片显微观察热损伤裂隙形态 | THM下渗透率变化:25~400 ℃缓慢上升,400~550 ℃波动,和550 ℃以上快速上升;大理石在THM下经历 “热弹性变形→弹塑性流动→热分解” 三阶段,550 ℃以上石英相变导致渗透率骤升 |
| Wu等[ | 研究超高温(25~650 ℃)EGS 储层在THM耦合环境下的渗透率及孔隙结构演化规律,分析温度阶段对微观参数的影响机制 | 自设计THM耦合测试系统(25 MPa三轴应力和6 MPa 渗流压力);压汞实验、微CT扫描和薄片显微分析孔隙结构;分形维数定量表征孔隙复杂性 | THM下渗透率变化:25~400 ℃缓慢增加,400~550 ℃波动,550~650 ℃骤升;高温(>550 ℃)岩石破坏;573 ℃石英相变导致体积膨胀,触发宏观裂隙,渗透率提升 122% |
| 模型类型 | 主要特点 | 优点 | 局限性 | 典型适用工程条件 |
|---|---|---|---|---|
| 解析模型 | 基于理论推导,结构简洁 | 物理意义清晰,计算效率高 | 难以处理复杂几何与非均质性 | 单裂隙或规则裂隙系统 |
| 数值模型 | 可模拟复杂边界和多场耦合 | 精度高,适用性广 | 计算量大,需较多参数输入 | 深部工程渗流、储层预测 |
| 经验模型 | 基于实验/现场回归关系 | 便于快速预测,计算简便 | 缺乏物理机制支撑,外推性有限 | 工程现场快速估算与参数反演 |
| 机器学习 | 数据驱动,自动提取特征 | 可处理高维非线性 问题,预测效率高 | 需大量高质量数据, 物理解释性较弱 | 裂隙网络建模、 大规模数据预测 |
表4 不同模型的适用条件与应用场景总结
Table 4 Summary of applicable conditions and application scenarios of different models
| 模型类型 | 主要特点 | 优点 | 局限性 | 典型适用工程条件 |
|---|---|---|---|---|
| 解析模型 | 基于理论推导,结构简洁 | 物理意义清晰,计算效率高 | 难以处理复杂几何与非均质性 | 单裂隙或规则裂隙系统 |
| 数值模型 | 可模拟复杂边界和多场耦合 | 精度高,适用性广 | 计算量大,需较多参数输入 | 深部工程渗流、储层预测 |
| 经验模型 | 基于实验/现场回归关系 | 便于快速预测,计算简便 | 缺乏物理机制支撑,外推性有限 | 工程现场快速估算与参数反演 |
| 机器学习 | 数据驱动,自动提取特征 | 可处理高维非线性 问题,预测效率高 | 需大量高质量数据, 物理解释性较弱 | 裂隙网络建模、 大规模数据预测 |
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