高渗压下水岩相互作用试验研究

新研发的岩石高压渗透试验仪以静态伺服阀为主要控制元件,在脱离计算机控制条件下可使试样进水端水压保持不变。出水端水压采用调速阀控制,实现了高渗透压力下长时间的水-岩相互作用试验研究。在此基础上,提出了水-岩作用渗透液体不同时段各离子浓度变化的分析方法,并容易得到不同时段试样渗透性变化规律。为研究水-岩作用对岩石强度的影响,按基本相同条件,对该试样及未经长期水-岩渗流作用同一岩性试样进行了高渗压下的常规三轴试验,提出以试样临近破坏时的有效侧向应力大小进行强度分析,并按上述实际所加侧向压力大小及有效侧向压力大小,进行了常规饱水三轴压缩试验。试验得出,所研究蚀变岩在高渗压下水-岩作用结果与常温、常压条件测试结果类似,蚀变岩与库水的水化学反应微弱,对其自身岩体的渗透性及力学性质影响均较小。     

岩石（体）渗透性测试的体变量法研究

渗透性测试试验一般采用直接测渗流量的方法,难以对低渗透岩有效测定流量。利用新开发的高压渗透仪,采用“体变量法”进行渗透性测试,该法是通过精确计量渗透出水端水体积的变化量（最小有效测试精度可达0.03 mL）度量岩石（体）渗流量的大小。保持渗透水压差不变,当出水端水体积变化与时间呈线性关系时,即该时段渗透速度保持不变,则该时段试样渗透特性符合达西定律,可利用达西公式对试样渗透性指标进行分析计算。采用这种方式,即使是针对超低渗透性岩石（渗透系数小于10-9 cm/s）,在整个渗透端面形成以后,某一条件下渗透性测试仅需十几分钟甚至几分钟,大大缩短了测试时间,提高了测试精度。试验证明该方法是一种有效的测试方法。     

孔隙水压力对岩石裂纹扩展影响的数值模拟

应用岩石破坏过程渗流-应力-损伤(FSD)耦合分析软件F-RFPA2D,通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟,对孔隙水压力大小和梯度对岩石试样中裂纹的萌生和扩展进行了数值模拟研究。模拟结果再现了孔隙水压力作用下裂纹萌生扩展的全过程,表明孔隙水压力大小和梯度对岩石中裂纹的萌生和扩展模式都有很大的影响。     

高围压条件下孔隙介质渗透特性试验研究

为研究不同围压条件下孔隙介质的渗透性能,利用新研制的高压渗流仪,对大尺寸低渗透性软弱岩进行了系统的试验测试。试验渗透压差波动幅度仅为0.02MPa,渗出端溶液体积变化量测试精度可达0.03mL。通过溶液体积变化与时间的线性关系,稳定渗流量大小可以精确测定。以稳定压差、流量法(即稳压法),试验验证了岩石的渗透系数随着围压的增加而下降,当围压降低时,岩石渗透系数回升,但回升路径低于原始路径。根据轴向应变的变化情况,提出了室内试验应力-渗流耦合过程中渗透性的变化主要是侧向压力使孔隙、喉道产生压缩变形所致。     

非达西渗流拟启动压力梯度推算

岩体启动压力梯度的大小是石油开采,工程防渗处理等方面需要考虑的影响因素.非线性渗流现象已被广泛所认同,低渗透性岩渗流存在启动压力梯度,它基本代表了流体产生渗流时的压力梯度大小.试验对试样进水端水压进行长期稳定控制,出水端采用精确测定流出水体积变化量的方法进行流量测定;当渗出端水体积的变化量与时间呈直线关系时,即认为该时...     

岩样密实度对水力压裂特征参数的影响研究

为研究水力压裂在不同致密程度岩样中的压裂效果及其流固耦合作用机理，制作了不同密实度的两种重塑样，利用真密度测试仪、声波测试系统分别测定了两种试样的孔隙比例、声波大小，并结合三轴加载水力压裂监测系统，模拟一定地层压力条件下不同密实度试样的水力压裂试验。分析不同孔隙度下声波试验获得的声波数据得出:试验制得的试样致密程度不同，孔隙大的试样密实度较小，波速大小与试样密实度呈正相关；水力压裂试验中，致密试样的裂缝扩展方向与最大主应力平行。水压曲线变化趋势为:低密实度时，达到峰值压力的时间较峰后段持续时间短，高密实度试样则相反；低密实度试样的破裂压力值低于水力压裂缝内水压曲线的峰值，高密实度试样两压力值相当。结合高、低密实度试样的分析并进行高密实度试样的无围压试验可以得出:较小的流量变化对致密度较大的试样裂缝扩展方向影响较小，说明其渗流作用较弱。应力集中效应在无围压的试样和低密实度试样均表现明显，这说明，水力压裂试验中应力集中现象在低密实度试样中表现明显，这与其渗流作用较强有关，水力压裂渗流作用与注液流量正相关，在低密实度试样表现显著。     

致密砂岩高围压和高孔隙水压下渗透率演化规律及微观机制

深部岩石工程具有高地应力和高水头压力的特点。为了研究岩石在高围压和高孔隙水压条件下渗透率演化规律,选取致密砂岩开展不同围压条件下变孔隙水压的渗流试验。研究结果表明:(1)在所研究的围压范围内(0~50 MPa),随孔隙压力增加,渗透率依次呈现3种不同的变化趋势,即快速增长阶段(围压为10~20 MPa)、缓慢增长阶段(围压为30~40 MPa)和保持恒定阶段(围压为50 MPa);在围压卸载时,由于高围压作用使试样内部产生不可逆变形,导致渗透率具有明显的不可恢复现象,且随围压降低,渗透率恢复存在滞后效应。(2)渗流试验过程中,体积应变和渗透率演化具有较好的一致性。(3)在围压加卸载过程中,高孔隙水压力条件下渗透率对应力的敏感程度和恢复程度均大于低孔隙水压力。(4)偏光显微镜图像从微观角度揭示了试样在围压加卸载过程中产生不可逆变形的内在机制:骨架颗粒相互挤压、错动导致原有微裂隙压缩、孔隙减小甚至坍塌,引起渗透率不可恢复。渗流试验后,纵波波速增大,说明岩石致密性提高,与试样内部微观结构变化具有较好的一致性。     

孔隙水压作用下岩样加载破坏过程的数值模拟

应用自主开发的岩石破坏过程渗流与应力耦合分析软件F-RFPA^2D，通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟，研究了孔隙水压力对岩石强度、应力-应变曲线和破坏模式的影响，再现了受压试件在孔隙水压力作用下破坏过程及其逐步演变的应力场和渗流场。结果表明，孔隙水压力对岩石变形、破裂过程及其破坏模式有很大影响。     

盐穴储气库泥岩夹层渗透性测试新方法

金坛盐穴储气库现场压井试验发现某泥岩夹层密封性欠佳,可能影响储气库运行的密闭性,钻井取芯情况表明,该夹层易破碎,难以开展系统的渗透性测试试验。针对该问题,提出了一种测试易碎泥岩夹层渗透率的新方法,将泥岩夹层岩芯浇筑在环氧树脂中,通过切割打磨等工序制备出符合渗透试验要求的标准试样。为了观测泥岩夹层岩芯与环氧树脂的胶结情况,对人工合成试样进行了镀金电镜扫描试验,发现交界面孔隙较岩石孔隙小、胶结良好,说明夹层岩芯是人工合成试样中的主要渗透通道。利用稳态法对人工合成试样进行渗透率测试,测试结果与其他学者的测试结果吻合,证实了该方法的可靠性。同时开展了理论分析,结果表明,浇筑式方法测得的渗透率与理论结果相符,从理论上进一步证实了其可行性。文中所述的泥岩夹层渗透性测试方法,对测试不规则破碎岩芯的渗透率具有一定参考意义。     

低渗透软弱岩非达西渗流拟启动压力梯度试验研究

利用新开发的高压渗流仪,对大尺寸低渗透性软弱岩进行了系统的试验测试。试验渗透压差波动幅度仅为0.01MPa,渗出端溶液体积变化量测试精度可达0.05ml。通过溶液体积变化与时间的线性关系,稳定渗流量大小可以精确测定。以稳定压差、流量法(即稳压法),试验验证了低渗透岩石的非达西渗流现象。并根据非达西流线性段的渗流特点,采用三种方法推算了拟启动压力梯度值,并通过实例说明"二次平均法"是拟启动压力梯度推算的最有效方法。     

高压水及负压加载状态下三轴应力渗流试验装置的研制

针对目前相关的三轴渗流试验装置缺乏高压水及负压加载功能而不能对高压水及负压加载状态下煤样瓦斯渗流规律进行研究这一问题,研制出了煤样试件出口负压可调并可对其进行高压水加载的新型三轴应力渗流试验装置。该装置主要由三轴应力加载系统、气体渗透系统、水力压裂控制系统、气体流量测试系统、传感与控制系统5部分组成,能够进行高压水及负压载荷下的各种单轴与三轴渗流试验。研究表明,该装置能够模拟抽采钻孔负压状态下煤体内的瓦斯运移规律及考察高压水对煤体的压裂效果,在实验室能完成对煤体试样负压状态下的渗流规律研究以及试件采取水力压裂措施后的增透效果考察。     

等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响

等效水力隙宽和水力梯度是影响岩体裂隙网络渗流特性的重要因素。制作裂隙网络试验模型,建立高精度渗流试验系统;求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在裂隙网络内的流动状态,研究等效水力隙宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响。结果表明,当水力梯度较小时,等效渗透系数保持恒定的常数,流体流动属于达西流动区域,流量与压力具有线性关系,可采用立方定律计算流体流动;当水力梯度较大时,等效渗透系数随着水力梯度的增加而急剧减少,流体流动进入强惯性效应流动区域,流量与压力具有强烈的非线性关系,可采用Forchheimer方程计算流体流动。随着等效水力隙宽的增加,区别线性和非线性流动区域的临界水力梯度呈幂函数关系递减。当水力梯度小于临界水力梯度时,控制方程可选立方定律;当水力梯度大于临界水力梯度时,控制方程可选Forchheimer方程,其参数A和B可根据经验公式计算得到。其研究结果可为临界水力梯度的确定及流体流动控制方程的选取提供借鉴意义。     

隧道衬砌渗漏水病害模型试验系统的研制及应用

随着我国隧道通车里程与运营时间的不断增长,越来越多的隧道进入病害高发期,地下水是导致隧道病害最为严重的因素之一,容易诱发衬砌发生渗漏水等病害,为研究隧道衬砌渗漏水病害发生机制,研制了三维地质力学模型试验系统,开展了不同埋深条件下隧道衬砌渗漏水病害模型试验研究。该系统由可拓展模型试验台架、地应力模拟加载装置、地下水模拟加载装置、多场信息实时监测装置和衬砌渗漏水实时量测装置等组成,利用油压千斤顶和多功能加载水泵,采用分级加载方式可对隧道不同埋深进行模拟。将该系统应用于隧道衬砌渗漏水病害模型试验研究,通过对渗漏水量、渗压和位移等信息进行分析,揭示了不同埋深条件下穿越交叉断层隧道衬砌渗漏水病害的演化规律,并对堵排结合治理方案进行了初步研究,验证了排水对降低衬砌渗漏水量的积极作用,试验结果与运营期开元隧道衬砌渗漏水病害工程实例吻合良好,证明该系统稳定可靠,其研究方法及结果可为相关工程提供一定的参考。     

隧道突涌水机制与渗透破坏灾变过程模拟研究

针对岩体渐进破坏和充填体渗透失稳两种典型突涌水灾害,阐述了动力扰动、开挖卸荷与高水压三者联合作用下岩体渐进破裂机制,以及高渗透压作用下充填体“变强度-变渗透性-变黏度”的渗透破坏机制。针对渗透破坏突涌水的变黏度机制,采用DEM-CFD耦合计算方法,开展了流体黏度对渗透破坏机制影响的定性模拟研究,分析了流体黏度对平均接触力、流量（流速）、孔隙率、颗粒运移过程、运移轨迹以及临界水力梯度的影响规律。结果表明,低黏度条件下的临界水力梯度比高黏度条件下的要小,换言之,低黏度条件下充填体更容易发生渗透破坏;平均接触力对水力梯度临界值的响应最为敏感,而流量难以准确反映该信息。从渗透破坏突涌水的变黏度机制这单一角度出发（不考虑渗透性增大的影响）,随着黏性介质流入水体,流体黏度会增大,但流动速度会降低,两者共同作用下反而阻碍了渗透破坏过程的发展。最后,采用DEM-CFD计算方法,对工程尺度突涌水过程进行了模拟,再现了突涌水优势通道的形成与扩展过程,并指出了实现突涌水灾变机制模拟所需解决的参数选取与定量分析难题。     

高水力梯度条件下颗粒堆积型多孔介质渗流规律试验研究

煤矿开采面临的水文地质条件越来越复杂,尤其是遭遇承压含水层的水压力越来越大,突水灾害发生时必然会带来高水力梯度引起的破碎岩体突水通道内高速非线性渗流问题。据此,研制高水力梯度（最大600）条件下堆积型多孔介质中高速非线性渗流试验装置,采用堆积型钢球模拟破碎岩体,对粒径为1、2、3、4、5、6 mm共6种光滑钢球分别开展了一维均质圆柱渗流试验。试验结果表明：对于由1～6 mm钢球堆积而成的孔隙率为0.44～0.45的多孔介质,当水力梯度大于145时,通过分析水力梯度-平均流速（J-v）曲线和水力梯度-雷诺数（J-Re）关系曲线,将流动状态划分为3个模式：线性层流、非线性层流、紊流,并获得了从线性层流过渡到非线性层流的临界流速为0.23～0.78 cm/s、临界水力梯度为3～8;从层流到紊流转捩的临界流速为1.6～4.8 cm/s、临界水力梯度为90～145。从小粒径多孔介质到大粒径多孔介质的渗流过程中,临界流速越来越大,而临界水力梯度逐渐减小。 渗透率与粒径的平方、非达西流影响系数与粒径的倒数均呈线性正相关,非达西流影响系数随着渗透率的增加呈指数减小。该研究对多孔介质非线性渗流的理论研究以及实际工程中高承压含水层突涌水问题有重要借鉴意义。     

Experimental study of steady seepage in unsaturated loess soil

The complexity of unsaturated soil means that its permeability coefficient and seepage law are important topics in soil mechanics and geotechnical engineering. In this study, a new type of equipment for measuring the seepage of unsaturated soil was used to study the steady seepage of unsaturated loess soil collected from northern Shaanxi province in China. The entire process of the steady seepage of unsaturated soil under different seepage hydraulic gradients was obtained, and the permeability coefficient in the steady seepage state was measured. When the soil water content was low, the soil moisture remained only in small pores or at the junction of soil particles, the effective seepage area of the sample was reduced, and the seepage path was extended. Therefore, the lower the water content, the smaller the permeability coefficient of unsaturated soil and the longer the time required for the seepage to reach a steady state. The matric suction of the unsaturated loess soil was measured under different water contents. With decreasing water content, water remained only in the smaller pores, which provided shrink films with a smaller radius of curvature. This allowed the shrink films to withstand a larger pore air pressure and transmit a smaller pore water pressure, so that the matric suction of the loess soil increased with decreasing soil water content. The Gardner model provided an accurate fit of how the matric suction varied with the volumetric water content of the unsaturated soil. The seepage velocity and seepage hydraulic gradient were correlated well with a linear relationship, indicating that the seepage law of unsaturated loess soil accords with Darcy’s law. The experimental results show that the new unsaturated soil permeameter has good performance and controllability, thereby providing support for studying the steady seepage of unsaturated soil.

     

砂砾石与砂接触冲刷试验研究

渗流作用下土层之间的接触面是较易发生渗透破坏的薄弱环节。在开展砂砾石渗透破坏试验研究的基础上,针对砂砾石与砂的接触面渗流及渗透破坏特性,利用大型竖向渗透仪和自主研制的环状径向水平渗透仪,研究了竖向和水平渗流作用下接触面渗流和渗透破坏的影响因素及接触冲刷的发生、发展过程。研究结果表明,典型的砂砾石与砂的接触冲刷破坏过程可分为稳定渗流阶段、过渡阶段和破坏阶段3个阶段,可用2个特征水力坡降进行划分,稳定渗流阶段与过渡阶段的分界点对应的水力坡降称为启动坡降,过渡阶段与破坏阶段的分界点对应的水力坡降称为破坏坡降;砂砾石与砂组合试样的渗透系数随砂砾石密度的增大、颗粒变细而减小,砂砾石与砂接触冲刷的抗渗坡降则随砂砾石密度的增大、颗粒变细而增大,在水平渗流情况下试样的渗透系数较竖向的大,但接触冲刷的抗渗坡降较竖向的小。