红砂岩裂隙渗流试验及表征方法研究

红砂岩裂隙渗流试验及表征方法研究

金霄

吉林铁道勘察设计院有限公司吉林吉林132001

摘要：裂隙岩体由于赋存环境的复杂性，以及其结构参数的不确定性，加之裂隙结构是岩体的主要渗流通道，并控制着岩体的稳定性，其水力学特征比其他的多孔介质更加复杂。大量的工程活动都会遇到裂隙岩体渗流及其与应力的耦合问题，随着工程建设向深部地下发展，特别是在“三高一扰动”特殊地质环境下，对施工和安全提出了更高的要求，因此岩石渗流的研究已经成为国内外工程建设研究的热点话题。

关键词：红砂岩；裂隙；渗流试验；表征方法

1裂隙岩体应力-渗流耦合的研究

近年来成了人们研究的主要问题之一岩石裂隙中的耦合问题，使得雨季的岩坡滑坡，地下洞室巷道的塌方以及泄洪雾化雨导致岩质边坡的失稳等均与裂隙岩体的渗流破坏有关。降雨渗入岩体裂隙是饱和/非饱和，非饱和渗流过程。提出了这一过程的分析方法并给出一个岩石边坡工程降雨入渗分析的算例。由于建立一个算例需要大量的降雨的数据，所以本次试验的工作量还不够多，收集的数据只是适用于一小部分地区的渗流计算[19]。裂隙岩体中的渗流场和应力场是相互作用的，应力场改变将改变裂隙的几何物理特性，如裂隙张开度，裂隙的连通性，裂隙粗糙程度的改变等，从而影响裂隙结构面的连续性，使渗透水头发生改变，整个岩体系统的渗流场会因此而发生较大的改变。

2孔隙岩石介质渗透基本特性

2.1岩石的空隙结构

岩石是有较多缺陷的多晶材料，因此有相对较多的孔隙结构。同时，在地质作用下，各种原生、构造裂隙等较为发育，通常用孔隙性用孔隙率n表示，既包含孔隙，也包含裂隙，统称为空隙。当然，空隙有张开和闭合之分，张开型空隙按其开启程度有大小型空隙之分。对于大裂隙不发育的砂岩、蚀变花岗岩、风化带岩体及超固结的岩体，孔隙性的描述一般与土体大致相同，可按多孔介质处理，描述空隙性的指标为空隙率，即：

（2.1）

式中n-岩石的空隙率；Vp-岩石中孔隙、裂隙所占的体积；V-岩石总体积。空隙率是衡量岩石质量的重要物理指标之一。

（a）孔隙分布（b）裂隙分布

图2-2列出岩石空隙的几种基本类型：

它主要决定于岩石孔隙的大小、方向及其相互连通情况。岩石的渗透性一般都很小，小于10-9m/s量级，远小于相应岩体的渗透性。同一种岩石，裂隙发育时，其渗透系数一般要比新鲜完整岩石高4-6个数量级，这充分说明了空隙性对岩石渗透性能的影响。

渗透率是岩体介质特征的函数，它描述了岩体介质的一种均一化性质，表示岩体介质传导流体的能力大小。对于均质各向同性多孔介质而言，其渗透率为：

（2.2）

式中k-多孔介质渗透率；d-岩土体颗粒的有效粒径；c-比例系数。

对于平直光滑单裂隙介质而言，其岩体裂隙的渗透率为：

（2.3）

式中kf-单裂隙介质渗透率；b-单裂隙隙宽。渗透系数是表征岩体介质渗透性能的重要指标，也是重要的岩体水力学参数之一。部分岩石渗透系数如表2-7。在达西定律中，渗透系数被定义为：当水力梯度等于1时，它在数值上等于渗流速度，具有速度的量纲。渗透系数可表征某一区域内介质的平均渗透性；也可表征某一裂隙段上介质的渗透性。对岩体裂隙介质而言，渗透系数可表示为：

（2.4）

式中P-流体密度

u-流体粘滞系数

2.2实验理论方法

2.2.1达西定律

达西定律是渗流中最基本的定律，是1856年由法国工程师达西进行水通过均匀砂柱实验，改变不同水头情况下的大量试验而提出的，实验装置如图2.4.1。总结得出了渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系。水在岩石或土体孔隙中渗透时，渗透阻力的存在，势必造成沿程能量的损失。基于此，达西设计了如下的实验装置（如图2.4.1所示），通过大量实验资料整理汇总，分析得出了其渗流量q与圆筒断面积A及水头损失△h成正比，与断面间距l成反比，即

（2.5）

（2.6）

图2-3达西渗透实验装置图

式中J=△h/l-水力梯度，也称水力坡降；K-渗透系数，其值等于水力梯度为1时水的渗透速度，cm/s。

当水力梯度较小时，流速不大，达西定律仍然适用。特别是当水力梯度较大时，流速增大，达西定律将不再适用，渗流运动将逐渐过渡为不规则的相互混杂的流动形式——紊流（式（2.5）），渗透速度与水力梯度的关系呈非线性变化。

V=（2.7）

式中V--裂隙内的平均流速；--裂隙导水系数；--裂隙内水力梯度；a--紊流系数。

图2-4示为渗透实验装置

2.2.2岩石渗透性室内测试方法

在室内进行岩石渗透性的测试，其测定装置和方法很多，实验室内适宜测定完整岩块在不同围压和孔压等控制条件下的渗透率，其基本方法可归纳为两种：稳态法（适用于高渗透性岩石）和瞬态法（适用于低渗透性岩石）[59]。这两种方法各有其特点及适用性。瞬态法是一种在低渗透率岩石中进行瞬态测量的方法，首先由美国学者W.F.Brace于1968年提出，岩石渗透率K可由下式计算：

（2.8）

式中L--试件高度，cm，A--试件截面积，；t1，tr--实验始、止时间s；Pl、Pr--孔压的始、止值，MPa，；μ--流体的粘滞系数，0.0l/s，V--水箱体积，336L；p--流体的体积压缩系数，4.74×。

2.3实验仪器介绍

2.3.1HYS-4岩石渗透分析仪

岩石渗透分析仪用于渗透试验的恒压系统，测定岩石的渗透系数，能反映岩石裂隙的发育程度。其主要技术参数如表2-8所示，岩石试样如图2-5。

渗透试验附件包括：1.量筒固定在三脚架上与压力室相连，量筒容量50ml，精度0.1ml，岩石渗透压力室；2.三脚架；3.压力室底座；4.手动液压泵（0-60Mpa）。试验台主体外形尺寸：1000mm×700mm×900mm。

表2-8HYS-4岩石渗透分析仪主要技术参数

结论

（1）不论是裂隙岩石还是完整岩石，在围压不变的情况下，渗透率k值随着水压的增加而增大。主要是因为上部水压增大，而围压保持不变，岩石上部所受压力增大，水的渗透速度加快，使得k值也随着增大；反之亦然。

（2）裂隙岩石和完整岩石在水压力保持不变的情况的下，随着威压的增大，渗透率k值，随其减小。因为水压力不变，围压增大，使得岩石内部的孔隙变小，水通过岩石内部时，水的流速减小，使得渗透率减小。

（3）相同实验条件下，单裂隙岩石比完整岩石的渗流速度快，渗透率大。岩石经过压裂形成单裂隙之后，有效孔隙变大，水流过岩石的速度变大，使得其渗透率要比完整岩石大。

（4）通过拟合特征曲线研究，可以得出在该实验条件下，当在围压不变的情况下，裂隙红砂岩渗透系数随水压变化的拟合方程呈正指数：；压不变的情况下，裂隙红砂岩的渗透系数随围压的拟合方程呈负指数：。

参考文献：

[1]刘先珊，周创兵.裂隙岩体非饱和水力耦合的不连续介质模型研究.岩体力学与工程学报2007年7月.第26卷第7期.

[2]魏晓军.关于带未知函数线性附加项的简化Boussniesq方程.应用数学与计算数学学报2004年6月.第18卷第1期.