某水工隧洞裂隙岩体高水头作用下的渗透性试验研究

结合某抽水蓄能电站高压引水隧洞裂隙岩体的高压压水试验、常规压水试验和室内试验,分析了裂隙岩体在高水头条件下渗透流量与压力关系所反映的岩体渗透特性变化规律;在定量计算基础上探讨了裂隙岩体渗透系数与压力的相互关系。通过对比高压压水试验、常规压水试验和室内试验得到的渗透系数,分析了环境应力状态和压力变化对渗透系数取值影响的原因。研究结果表明,高水头作用下裂隙岩体的渗透系数明显大于低水压条件下的渗透系数,室内试验渗透系数因应力解除影响而大于原位压水试验渗透系数值。     

三维应力作用下岩体单个裂隙的渗流特性分析

天然岩体中存在着大量的孔隙和裂隙,这些缺陷不仅改变了岩体的力学性质,也严重影响了岩体的渗流特性。在对现有裂隙岩体渗流特性研究成果进行分析的基础上,讨论了岩体单个裂隙的力学性质和渗流对单个裂隙岩体产生的力学作用,研究了岩体单裂隙渗透系数与岩体三维应力的关系,考虑了裂隙粗糙度对渗流的影响以及不同方向应力对渗透性影响的差异,分析了单个裂隙岩体在三向应力作用下的渗流特征,得出了裂隙所受三维应力与渗透系数关系式,认为垂直于裂隙面的应力对岩体渗透性起主导作用,岩体渗透系数随垂直裂隙面应力的增加而迅速减小。通过与渗流规律试验结果对比分析,证明了所得单个裂隙岩体渗透系数表达式的正确性。     

岩体裂隙网络等效渗透系数方向性的数值计算

采用渗流力学理论并结合Monte Carlo方法描述岩体裂隙的随机分布,研究渗流模型的尺寸效应并确定表征单元体积（REV）,得到了3种开口度分布形式的等效渗透系数椭圆曲线,建立了等效渗透系数方向性的判别标准。离散裂隙网络（DFN）模型假定流体只在岩体裂隙内部流动,而不通过岩体本身渗流。基于二维离散元程序UDEC并进行二次开发,建立DFN模型,通过改变流体的流动方向,得到不同流动方向下岩体裂隙网络的等效渗透系数,并分析不同的开口度分布形式对岩体裂隙网络等效渗透系数方向性的影响。计算结果表明,表征单元体积存在的条件是等效渗透系数保持稳定且渗透椭圆比较光滑。等效渗透系数的方向性受开口度分布形式的影响很大：当开口度-长度关联分布时,等效渗透系数各向异性;当开口度对数正态分布时,等效渗透系数各向同性;当开口度恒定分布时,等效渗透系数的特性介于二者之间。变化系数（CV）是否大于5%是判定岩体裂隙网络渗透系数是否具有方向性的判别标准。     

线性加载条件下考虑应力历史的饱和黏土一维非线性固结渗透试验研究

为研究线性加载条件下不同应力历史的饱和黏土的渗透性,利用改装后的GDS三轴仪进行了一维固结渗透联合试验,对陕西洛川粉质黏土重塑样的渗透系数变化规律进行了研究。研究结果表明,正常固结与超固结饱和黏土的渗透系数均随固结应力的增大而呈非线性减小,且两者的孔隙比与渗透系数随固结应力的变化趋势一致。处于超固结状态土体的压缩性和渗透性要比处于正常固结状态小得多。在同一固结应力下,渗透系数和孔隙比均随渗透压差的增大而减小。最后,将实测值与文献[12]中修正后的达西渗透系数公式、修正后的柯森-卡门公式、斯托克斯孔隙流渗透系数公式以及固结度渗透公式计算得到的渗透系数进行了比较。结果表明,用修正后的柯森–卡门渗透系数公式计算得到的渗透系数与实测值吻合较好,因此,推荐使用修正后的柯森–卡门渗透系数公式来预测洛川饱和黏土渗透系数。     

真空预压下软土渗透系数对固结的影响

考虑正常固结状态下前期固结压力对渗透系数的影响,利用ABAQUS软件,将渗透系数随固结应力的变化关系应用于真空预压下单井的三维有限元计算。计算结果表明,考虑渗透系数随固结应力的变化,其表面沉降要比渗透系数保持不变的沉降量小,固结过程较慢,相应的固结时间要长;前期固结压力越大,表面沉降将越小,达到相同固结度时所需固结时间也越长。     

天然沉积饱和黏土渗透系数试验研究与预测模型

为研究天然沉积土的物理特性、结构状态与应力水平对其渗透特性的影响,采用固结渗透联合试验,对太湖湖沼相粉质黏土原状样与具有不同前期固结压力的重塑样的渗透系数变化规律进行了测定。原状样和重塑样的渗透系数均随固结压力的增大呈非线性减小,且两者的孔隙比与渗透系数的变化模式相一致;而前期固结压力仅影响渗透系数大小。试验结果表明：土体渗透系数随孔隙比的变化规律不受土结构性（颗粒间胶结作用）和应力历史的影响;对于同一土体,渗透系数大小主要由孔隙比决定,进而对试验和相关文献中不同土体渗透系数在压缩过程中变化规律进行了分析,建立了线性的lg(1+e)-lgkv渗透模型,并考虑了液限的影响,对渗透指数 的经验关系进行了修正,修正后的 计算结果更接近于实测值。研究结果对准确分析原位地基实际受荷过程中非线性固结性状具有重要意义。     

渗流条件下含裂缝压实膨润土应力及渗透性能试验研究

压实膨润土是放射性废物处置库的理想缓冲/回填材料,但它在失水收缩过程中易产生裂缝,该裂缝在浸水条件下能否愈合是放射性废物处置安全评价中的重要课题。其研究对含纵向单裂缝的压实膨润土样品开展渗透试验,以渗透系数、隙面法向应力及含水率为指标,研究含裂缝压实膨润土吸水膨胀后应力及渗透性能的变化,从而评价裂缝对膨润土屏障层性能的影响。研究结果表明,样品渗透系数随时间逐渐递减,隙面法向应力随时间逐渐递增,且在85 d时两参数达到稳定水平,分别为4.6410~(-10)m/s和2.5 MPa,与完整压实膨润土样品的渗透系数及内部应力处于相同水平,可以认为,此时土体实现了饱和及均一化。该研究从渗透性和应力角度证实了裂缝对压实膨润土渗透系数及应力参数未产生显著影响,膨润土具有较好的自愈合能力。研究建立了膨润土裂缝自愈合效果评价方法,为膨润土作为回填材料的安全性评价提供理论依据。     

正常固结软土渗透系数与固结应力关系研究

从固结系数的定义出发,将压缩系数视为变量,建立了渗透系数与固结应力的微分方程,求得了软土正常固结状态时,考虑前期固结压力的渗透系数随固结应力变化关系表达式。利用室内试验数据,将提出的公式与现有渗透系数与固结应力关系式、试验结果进行对比。研究表明,所提出的公式能较好地反映渗透系数随固结应力变化的特点,比未考虑前期固结压力的计算式更接近于实际情况,从而为实际工程中预估固结变形速率提供了一种较为准确的方法。     

气动试验法测定渗透系数的可行性分析

基于竖管法测定沉积物渗透系数的原理,设计一种以空气作为流体测定沉积物渗透率的试验方法—气动试验法,将沉积物的空气渗透率(k_a)转换成用水当做流体时测定的渗透系数(K_w)。利用气动试验法和竖管法分别测定3组沙漠砂样和7组河漫滩砂样的渗透系数。试验结果表明,气动试验法测定沉积物的渗透系数可行,与竖管法相比更加方便、快捷,可以解决竖管法耗水、耗时的局限性,可应用于干旱-半干旱地区野外沉积物渗透系数的测定。     

膨润土防水毯渗透性能的温度效应

以颗粒状钠基膨润土防水毯为研究对象,采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪开展渗透试验,研究温度和压力对渗透系数的影响。研究表明:低围压下膨润土防水毯的渗透系数随温度的增加而减小,温度较高时趋于平缓或略有增大;围压增为100 kPa时,渗透系数随温度的增加而增大。固有渗透率随温度的增加而减小;低围压下固有渗透率减小更显著,仅考虑流体物理性质变化的渗透系数估算值与实测值有很大差异。膨润土吸附结合水量随温度的升高而减小,不能解释膨润土防水毯渗透系数和固有渗透率随温度的变化规律。当温度升高时,粒间孔隙减小且颗粒状膨润土分解成凝胶态蒙脱石颗粒,在低围压下凝胶态蒙脱石颗粒层间距离减小,是渗透系数和固有渗透率随温度的升高而减小的主要原因。     

天然地应力作用下不同产状岩体裂隙渗流特性研究

为了研究天然地应力作用下裂隙产状等因素对深部岩体裂隙渗流特性的影响,基于单裂隙面渗透性服从负指数变化规律,建立了三维应力作用下不同产状裂隙的渗透系数计算公式,利用Lagrange乘子法分析裂隙面产状变化对其渗透性的影响,并分析了岩体裂隙有、无充填物对其渗透性的影响及敏感性;然后,以我国大陆地区地应力统计规律为例,分析了地表以下5 000 m范围内在天然地应力作用下裂隙渗透性随深度、产状的变化规律。结果表明：裂隙产状的变化对其渗流特性有明显影响,对于浅层岩体,在大主应力大致呈水平方向分布时,随着裂隙面倾角的增加,裂隙渗透系数逐渐降低;但随着深度的增加,在裂隙深度超过约200 m和裂隙面走向与大或中主应力方向大致一致时,裂隙渗透性反而会随着裂隙面倾角的增加逐渐增加,在裂隙面走向与小主应力方向垂直时增加最为明显;对于深部岩体,裂隙的渗透性很小,裂隙面产状的变化对其渗透性影响很弱;对于有充填物裂隙,岩块与充填物的弹模比和充填物泊松比的变化对裂隙渗透性的影响很小。研究结果可为深入研究我国深部岩体渗透特性变化规律提供借鉴意义。     

构造应力作用下流体运动的动力学分析——构造流体动力学

本文从流体动力学的基本规律出发,应用渗流力学、岩土力学及弹性力学的理论及方法,推导出了考虑应力状态的可变形介质中流体运动的动力学方程,由该方程可以看出：应力状态是影响流体运动的一个非常重要的因素,它通过３种方式来影响流体的运动,其一是：应力的作用改变介质的渗透性能,从而影响流体运动;其二是：平均正应力的变化速率影响介质的含流体能力,它以源汇项的形式反映在方程中;其三是：应力的作用影响流场的初始状态及边界状态,通过影响定解条件反映在动力学方程中,从而影响运动特征。构造应力场对流体运动的最终影响是这３方面作用     

岩石渗流-流变耦合的试验研究

通过对试验设备与工艺的改进,发展出一套比较有效的渗流-流变耦合试验方法。以多孔隙石灰岩为对象,研究了不同应力及水压作用下岩石试件的流变力学特性。试验结果显示,试件的应变总体上随偏应力及水压的提高而加大。在低应力作用下,垂向应变的变化量最大。提高应力后,渗流方向应变的增加趋势显著超过垂向。试件的渗透系数与体积变化具有相似规律,在低应力作用下,试件体积不断缩小,渗透系数也随之减小,此时增大水压会使试件进一步压缩。应力增大到某值后,体积逐步扩大而出现扩容,渗透系数也随之增大,此时增大水压会使扩容进一步增大。在各级应力作用下,试件的流变速率均有减速及稳定阶段。当应力较大时,会出现加速流变阶段导致破坏。     

应力作用下三种典型渗流曲线及机理分析

基于不同压力作用下的裂隙渗流试验获得的三种典型的渗流曲线类型,给出了应力作用下影响试样渗透性的主要原因：在正应力作用下裂隙发生变形;在剪应力作用下裂隙可能发生劈裂及扩张。通过分析裂隙变形和劈裂、扩张过程中裂隙渗透性的变化,阐述了在应力作用下,看似异常实则正常的三种典型的渗流曲线类型的机理：在其它条件相同的情况下,试样的渗透性与应力的关系取决于应力与裂隙间的夹角。     

回采工作面围岩采动应变场-渗透系数场耦合

采动岩体变形与渗透特性是工作面突水防治研究的基本问题。采用理论分析和数值模拟计算方法,分析了岩石变形-渗透特征及其三维定量关系,研究了煤炭开采中回采工作面围岩应变场、渗透系数场分布及其控制因素。研究结果表明,采动岩体渗透性变化主要取决于应变状态及应变增量,且随着垂直于裂隙的张应变的增加而增加;工作面后方垮落带和煤壁边缘的剪碎带产生剧烈的采动拉伸变形,渗透系数较采前显著增大,而支承压力区和整体移动带岩层产生较大的采动压缩变形,渗透系数较采前明显减小;工作面围岩垂向渗透系数较水平渗透系数增加的幅度及增加区的范围小,但对水体下采煤工作面涌水起主导作用。加快工作面推进速度、减小工作面斜长和采高能降低采场围岩渗透系数增加幅度,并将渗透系数场变化范围局限在采区附近,能有效减小采动对原始煤岩层渗透性的影响。     

有效应力对保德区块煤储层渗透率影响研究

通过有效应力单因素影响保德区块煤岩气体渗流实验,分析了煤岩渗透率应力敏感性以及割理压缩系数变化特征.结果表明:保德区块煤储层渗透率与有效应力呈负指数函数关系;煤层埋深越深,煤岩渗透率变化幅度越小,渗透率应力敏感性下降。渗透率损害系数的线性函数拟合相关系数较低,应力敏感系数的负指数函数拟合相关系数较高,应力敏感系数比渗透率损害系数更具规律性。在高有效应力阶段,煤岩割理压缩系数更趋近于常数,低有效应力阶段,割理压缩系数应视为变量。     

煤层应力敏感性及其对压裂液滤失的影响

压裂液滤失系数是压裂设计中非常重要的参数。由于煤层中的渗透率、孔隙度等物性对应力极为敏感,在对煤层进行压裂设计时,若直接用试井和测井测得的渗透率和孔隙度值代入滤失系数的计算公式,算出的结果可能与实际情况严重不符。通过实验室内不断改变围压的方式来模拟煤储层上覆压力的变化情况,建立了某盆地煤层应力与渗透率之间的关系,并在考虑煤层物性应力敏感性的情况下,探讨了煤层压裂液综合滤失系数的计算方法。结果发现,压裂液综合滤失系数及岩心渗透率与净围压的关系均符合指数递减规律。另外,通过对动态渗透率的拟合,使得到的综合滤失系数远远大于未考虑应力情况下的综合滤失系数,这样能更准确地反映实际情况。     

A rock test cell with true triaxial capability

Conventional so-called triaxial test cells apply the axial stress to a cylindrical sample using steel platens, with the confining stress developed via an annulus of hydraulic fluid retained by a liner in a pressure cell. This does not allow differentiation between the two principal stresses around the core and inhibits the realism with which the rocks can be tested, for example in determining the effect of the intermediate principal stress on the strength of the sample.This paper describes the development and application of a new test cell – believed to be the first in the world – which enables truly triaxial stresses to be applied to cylindrical core samples, opening up the possibility to test rocks routinely in a more realistic manner. An array of 24 trapped tubes replace the single annulus which usually generates the uniform radial stress. Selective pressurization of the tubes enables differential radial stresses to be generated, while axial stresses are applied as before through steel platens. The first results of multi-state failure and permeability stress sensitivity of samples tested in the cell are presented. These demonstrate the influence of the intermediate principal stress on measured rock properties and the orientation of induced fracture planes.     

不同泥质含量砂岩三轴渗透试验研究

为探讨三向应力状态下不同泥质胶结物含量砂岩渗透力学性能的异同,对泥质含量分别为4%、15%、24%、31%的4组不同泥质含量砂岩进行了三轴压缩渗透试验。试验结果表明:砂岩的强度和弹性模量随着泥质胶结物的增加呈幂函数型减小,随围压的升高而增大,内摩擦角和黏聚力随含泥量增加而逐渐减小;相同围压和泥质含量下,渗透性随加载应力的增大呈先减小后增大、再略微减小的整体趋势,渗透系数在峰值应力附近达到最大值;相同围压和偏应力下,渗透系数随泥质胶结物含量的升高而呈线性减小;同等泥质含量和偏应力下,砂岩的渗透性随围压的升高呈对数型函数减小。基于试验结果,分析得到了一种综合考虑围压、孔隙度以及泥质含量影响的砂岩综合渗透模型,并通过理论与试验数据对比分析验证了模型的合理性。