三轴应力下不同粒径破碎砂岩渗透特性试验

地下工程中破碎岩体往往处于三向应力状态,此类岩体具有孔隙率大、渗透性高等特点,在地应力与高水头作用下易发生渗流失稳破坏,诱发突水灾害。为研究三轴应力下破碎砂岩的渗透特性,运用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,采用稳态渗透法进行5种粒径破碎砂岩的渗流试验,得到了三轴应力下破碎砂岩渗透特性变化规律,推导了有效应力与渗流速度之间的关系。试验结果表明：三轴应力下破碎砂岩的有效应力与渗流速度呈线性关系,且轴向位移越大时,随有效应力的增加渗流速度减小的幅度越小;三轴应力下5种粒径破碎砂岩的孔压梯度与渗流速度服从Forchheimer关系,两者之间的相关系数达0.95以上;轴向位移恒定时,随着围压的增大,破碎砂岩渗透率k减小,非Darcy流β因子增大,各级轴向位移下,破碎砂岩的渗透率与围压之间呈指数函数关系;随着孔隙率的减小,5种粒径的破碎砂岩渗透率呈减小趋势,非Darcy流β因子整体增大,且渗透率量级为10-14～10-11 m2,非Darcy流β因子的量级为106～1012 m-1。     

破碎煤体渗透特性的试验研究

破碎煤体的渗透特性是影响煤矿瓦斯抽放和地下采空区突水灾害预防的重要因素之一。利用一种专用的破碎岩体压实渗透试验装置,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上完成了破碎煤体压实过程中的渗透特性测定,得到了破碎煤体轴向应力、渗透压差、水头梯度与渗流速度的关系,并分析了各种粒径破碎煤体在不同渗透速度下轴向应力对渗透系数的影响。研究表明,(1) 不同粒径破碎煤体的渗透特性与其压实状态密切相关,轴压从5～15 MPa变化时,渗透压差的最大值增加了3.28～166.47倍,渗透系数都相应降低了1个量级以上;(2) 在恒定的渗流速度下渗透压差随轴压变化的规律近似呈指数函数关系;(3) 渗透系数随轴压变化的规律近似呈对数函数关系;(4) 恒定的轴压下水头梯度随渗流速度变化的规律近似呈指数函数关系。     

破碎煤体渗透特性的试验研究

采空区垮落带遗煤区域作为煤、氧低温反应的主要场所,其应变、孔隙率和渗透率演化模型的研究对深入认识煤自燃发展过程与规律有重要意义。基于团队自主研发的承压破碎煤体气体渗流实验装置,开展了单一粒径与混合粒径煤体承压渗流过程应变、孔隙率和渗透率演化规律研究。对不同粒径下的应变、孔隙率和渗透率随应力变化情况进行分析,结果显示：相关变化过程可以分为2个阶段,即轴向应力≤6 MPa时的线性变化阶段与>6 MPa时的指数函数变化阶段,初步表明破碎煤体的变形、孔隙率和渗透率的变化机制一致、同粒径无关,轴向应力=6 MPa时的状态属于关键节点状态,其对应的应变、孔隙率和渗透率分别承接着各自上下2种不同的变化机制;轴向应力≤6 MPa和>6 MPa条件下三者变化的主要原因分别是颗粒的压缩作用和滑移填充作用;轴向应力=6 MPa时不同粒径破碎煤体承压过程中的应变、孔隙率和渗透率分别同各自的应变、孔隙率、渗透率变化路径有一一映射关系,据此建立了相应的应力−应变、应力−孔隙率和应力−渗透率关系的模型;模型对比、验证结果表明,所建模型虽源于多种粒径破碎煤体实验,但摆脱了粒径因素的影响,同实验结果有着良好的匹配性,达到了较为理想的效果。相关研究成果可为采空区煤自燃早期预防与控制提供科学依据。

     

不同围压下破碎花岗岩非线性渗流特性试验研究

随着我国高坝枢纽工程和高水头抽水蓄能电站的大规模兴建,高坝岩基和高压引水系统围岩将承受极高的渗透水压和水力坡降,不仅导致岩体渗流产生强烈的非线性,而且导致岩体发生渗漏、突透水和渗透破坏的风险急剧增大。采用Triaxial Cell三轴试验系统,开展不同围压(1~30 MPa)下阳江破碎花岗岩的非线性渗流试验,研究高水力梯度条件下破碎花岗岩的非线性渗流特性及其表征方法。试验结果表明,随着水力梯度的逐步增大,破碎花岗岩中的水力梯度与渗流流量呈非线性特征;在围压加载过程中破碎花岗岩的非线性渗流特征逐渐减弱。结合花岗岩的破碎形态和渗透率量级,提出了破碎花岗岩非线性渗流3种可能的成因机制即惯性效应、渗透失稳和固液界面效应。在该基础上分别采用二次函数型Forchheimer公式和幂函数型Izbash公式对试验结果进行拟合,结果表明二者均能很好地表征破碎花岗岩的非线性渗流行为。Forchheimer公式非线性系数既能够表征渗流的惯性效应,又能表征渗透失稳机制,其在量值上随着围压的增大呈现正负交替现象,与围压加载过程中破碎花岗岩裂纹的闭合和扩展密切相关;Izbash公式非线性系数则既能够表征渗流的惯性效应,又能表征低渗介质非线性渗流的固液界面效应,其在量值上与围压存在相关性很好的幂函数关系。研究成果对于深化高渗压、大水力梯度条件下断层破碎带和挤压带非线性渗流规律研究具有重要意义。     

多孔介质渗透特性的试验研究

本文通过理论和试验完整地对多孔介质(主要指粒状介质)进行了分析,并认为粒状介质的渗透规律是受外部因素(水力梯度)和内部因素(介质本身和流体)综合构成的属性,其渗透规律乃是一个完整的物理过程。通过理论分析给出了多孔介质的统一表达式,并通过试验着重研究了孔隙率和流态的关系。     

关中平原湿陷性黄土渗透特性试验研究

黄土的湿陷性和渗透性相互影响,黄土的湿陷是由水的渗透浸润引起的,而渗透特性又直接决定着湿陷的发生和发展。本研究采用现场双环渗透试验以及原状样室内变水头渗透试验,对关中平原湿陷性黄土渗透特性进行了研究。研究发现黄土的结构、构造以及土体成分是影响黄土渗透性的重要因素,黄土的干密度和孔隙比对其渗透系数影响较大,黄土湿陷后,渗透系数明显变小。现场渗透试验测得的非饱和渗透系数大于室内试验测得的饱和渗透系数,现场渗透试验更贴近于工程实际。     

泥浆在地层中的渗透特性试验研究

保持开挖孔（槽）的稳定性是泥浆在地下连续墙、钻孔灌注桩及泥水盾构工法等工程中最重要的作用,是通过泥浆在地层表面形成泥皮,使得泥浆压力平衡地层的土水压力实现的。其中,泥皮的形成是泥浆在地层中的渗透问题。为了探讨泥浆在地层中的渗透规律,采用多组性质不同的泥浆在多种渗透性不同的地层中开展泥浆在地层中的渗透试验,系统地展示了泥浆在地层中不同的渗透现象。渗透完成后泥浆颗粒在地层表面的堆积形态可以分为：泥皮型、泥皮+渗透带型、无泥皮或渗透带3种类型,并且泥浆在地层中的渗透曲线的类型与泥浆颗粒在地层表面的堆积形态的类型有一定的对应关系。泥浆在地层中的渗透试验过程中渗透流量的大小,不仅可以反映泥浆的渗透类型,还可以作为判断是否形成泥皮的标准。     

颗粒破碎对煤矸石渗透性能的影响

采用标准试验方法求得筑坝用煤矸石的最大干密度和相应的最优含水量。试验结果表明,击实作用使煤矸石的粗大颗粒发生破碎,导致其粒度组成改变,颗粒级配进一步趋于良好,有利于碾压密实。当粗粒质量分数大于60%时,煤矸石的破碎程度明显提高。当粗粒质量分数小于40%时,煤矸石的工程特性主要由细颗粒的性质决定。煤矸石的渗透系数和孔隙比之间存在指数关系。随细颗粒含量的增加,煤矸石的渗透性将显著降低。     

地下结构混凝土渗透特性试验研究

根据地下结构承受水压及构件存在裂缝的情况,采用自制混凝土试块模具、自制可控开裂混凝土装置、自制可控压力水头装置、裂缝测宽仪组成的试验系统,在不同水压、氯离子浓度、裂缝宽度以及浸泡时间等工况下进行了开裂混凝土渗透特性试验。试验结果表明：当其他试验条件相同时,压力水头下与自然浸泡状态下的氯离子运移规律有明显的差异,压力水头作用下混凝土各层自由氯离子含量均有明显的提高;存在控制氯离子浸泡溶液运移的裂缝宽度阈值,且该阈值不受水头压力大小的影响。该试验方法可作为同类研究的借鉴和参考。     

荆门弱膨胀土的胀缩与渗透特性试验研究

以荆门弱膨胀土为研究对象,开展了完整的胀缩与渗透特性试验,获得了5种不同压实度下膨胀土及其石灰改良土的胀缩与渗透特征。结果表明：膨胀土的膨胀力-干密度关系可用幂函数表达,而无荷膨胀率、有荷膨胀率、体缩率与干密度均非单调关系;由于压实与膨胀效应的耦合作用,95%压实度下膨胀土的无荷膨胀率、有荷膨胀率和体缩率均较小,若直接利用膨胀土进行路基与地基填筑,该压实度下土样不仅具备较大的刚度与强度且胀缩变形较小。经石灰改性后,膨胀力与湿胀变形基本消除,干缩变形大幅降低,胀缩总率仅为0.7%。膨胀土与石灰土渗透系数均很小,且都随干密度的增大而降低,其与干密度的关系仍可用幂函数描述;石灰土的渗透系数大于相应压实度下的膨胀土;而当二者干密度相近时,渗透系数接近。     

劈裂砂岩有、无砂粒填充条件下的多因素对渗流量影响对比分析

采用宜昌劈裂砂岩,在有、无砂岩填充条件下,分别从轴压、围压、劈裂面面积、凹凸高差、迹线长度、劈裂面2D投影面积、进出口长度、结构面粗糙度对渗流量的影响规律进行了对比分析。研究结果表明：有、无砂粒填充下轴压与渗流量均呈线性递增关系;无填充时围压与渗流量呈对数递减关系,有充填时围压与渗流量呈线性关系;无充填时渗流量与流面积呈三次函数关系,而充填后过流面积对渗流量几乎无影响;凹凸高差、2D面积与渗流量的关系也有相似规律,分析认为,这主要是砂粒充填后带来的过流通道要远大于上述三因素对过流通道的改变;无充填时,渗流量随迹线长度线性递减,有填充时该规律被淹没;无论有、无填充,渗流量与过流面粗糙度系数在一定范围内均呈现二次函数关系。这些规律能指导渗流测量时各因素的优先次序,可有效减少对次要影响因素的测量工作,同时可对渗流的数值模拟提供参考。     

不同填充及加载路径下劈裂砂岩渗流特性研究

采用劈裂宜昌砂岩,对中细砂、粗砂及混合砂砂粒填充条件下加载路径、轴压、围压、填充物颗粒粒径及填充物厚度对渗流速度的影响规律进行探讨。研究结果表明,在不同填充物一定的应力情况下,加力路径发生变化,渗流速度也发生变化,这是工程中测量渗流数据离散的原因之一;轴压与渗流速度成线性关系,当围压?3≤1.5 MPa时,围压对渗流的影响较大,当?3＞1.5 MPa时,围压对渗流的影响极小;粒径与渗流速度呈单调递增关系,围压对无填充物的影响大于对有填充物的影响;渗流速度与填砂厚度在一定范围内呈现指数递增关系、研究中给出特定条件下轴压围压与渗流速度的定量分析公式。     

低渗透岩体饱和渗流研究进展

低渗透介质中的水流会影响水文地质系统和地球化学系统的演化,影响石油和矿藏的形成。低渗透介质在废弃物的处置和填埋、工程安全以及环境变化方面都是非常重要的。长期以来,人们在分析中一直以达西定律为基础,却没有在符合实际的低压力梯度下对其进行验证。由于低渗透介质中的水文地质条件的复杂性以及在测量水头和孔隙流体取样上的难度,分析比较困难。通过对低渗透介质饱和渗流研究的回顾,就非达西流、多因素作用下的耦合渗流以及渗透和超滤现象进行了讨论,对影响和阻碍低渗透渗流研究的因素进行探讨,并就开展进一步研究提出了相应的建议。     

堆石坝非达西渗流场分析

坝体的渗流计算常采用近似的线性渗流计算方法,然而对于堆石结构而言,在高水力梯度的作用下,由于流体惯性力与紊流的影响,水力梯度与渗流流速之间偏离了线性的达西定律,堆石体中不同孔隙介质的交界面错综复杂更增加了渗流场形态的复杂性。此时,使用非达西渗流的计算方法,可以提高渗流计算的精度,更加客观地描述渗流场中的渗流行为。基于伽辽金加权余量法推演了Forchheimer方程的非线性有限单元法公式,应用该方法对堆石坝渗流场问题进行了数值模拟计算,并给出了工程实例。研究表明,用该方法可以很好地研究渗流场中的非达西渗流现象。对比达西渗流计算与非达西渗流计算结果之间的差异,得出了非达西渗流计算的意义。对堆石坝结构而言,非达西渗流计算的结构显示渗流场的局部区域可能出现高水力坡降区域扩散的现象。此外,水力坡降峰值对比达西渗流计算结果有所增大,这说明真实渗流场的水力坡降峰值有可能超出材料的临界水力坡降允许值,从而引起坝体的渗透破坏。     

类陷落柱介质渗流突变机制试验研究

岩溶陷落柱是内部结构杂乱无章的特殊地质构造,易成为隐伏于煤层底板下的垂向导水通道,是华北地区石炭二叠系煤田的重大安全隐患。在采动影响下,底板隐伏陷落柱的突水通道通常由底板破坏带和陷落柱共同组成,为了研究其渗流突变机制,利用自行研制的破碎岩体渗透性试验系统,对不同底板破坏带条件下,隐伏陷落柱的渗流特性进行了试验研究。研究结果表明：渗流突变发生的根本原因是大颗粒流失导致破碎岩体孔隙结构改变;发生渗流突变时,流速随渗流边界孔隙直径的增大而增大,同时试样的初始孔隙度均大于0.21;未发生渗流突变时,渗流边界对渗流无显著影响,并且试样的渗透率随孔隙度的增大而增大,渗透率比和孔隙度比存在幂函数关系;非Darcy流 因子为负是渗流突变发生的充分必要条件,非Darcy流 因子的大小决定渗流突变的剧烈程度。     

热处理砂岩微观结构及力学性质试验研究

采用核磁共振、电镜扫描、X射线衍射、单轴压缩等试验手段对某砂岩试样不同温度下(25～900℃)微观结构及力学性质的变化情况进行研究。研究表明:温度对砂岩试样微观结构具有重要影响,试样总孔隙率随温度的升高而升高,在150℃以下,由于中、大孔隙的减少,试样渗透性反而降低;当温度超过600℃时,中、大孔隙快速增加,试样渗透性能大幅增加;温度升高导致砂岩试样弹性模量减小、峰值应变增大以及孔隙压密阶段变长,宏观表现为脆性降低、塑性明显增强;热处理条件下,除微观结构的变化会导致砂岩试样力学强度改变外,试样矿物成分对其力学强度也具有十分重要的影响;450℃以下,由于矿物成分变化较小,试样力学强度主要受到孔隙度增加的影响,表现为强度随温度升高而降低;450～600℃,虽然孔隙率继续增长,但由于主要矿物高岭石发生脱水以及与其他离子形成新相矿物,进而导致试样强度没有随着孔隙增加而降低,反而出现一定的增长;超过600℃后,孔隙尤其是大孔隙的急剧增加,导致强度重新开始降低。     

砂岩高温前后超声特性的试验研究

对焦作砂岩经历不同温度（100 ℃～1 200 ℃）前后超声纵、横波波速和几何尺寸进行了量测,进行了单轴抗压强度试验,计算了超声波纵波经过岩样的衰减系数,应用波速与弹性模量的关系计算了岩样的裂隙密度。比较了经历不同温度前后的岩样体积、超声波速、衰减系数的变化。结果表明,岩样在经历高温后内部微裂隙发展,使结构致密性下降,超声波速降低;对经历不同温度后的岩样波速改变与强度变化规律有明显差异,但超声衰减系数与强度变化规律相似,可以为强度评价提供一定参考。     

膨润土防水毯破损条件下渗流特性试验研究

为了从渗流量和渗透稳定角度深入研究膨润土防水毯破损处的防渗问题,开发了由压力控制系统和模型试验系统两部分组成的渗流试验装置,建立了针对坝体防渗工程中的防水毯破损情况的渗流物理试验方法,并通过膨润土防水毯不同破损工况下的渗流试验,初步探讨了影响破损防水毯与坝身土体联合抗渗的因素。结果表明,对破损防水毯和土体的综合渗透系数的影响,孔洞大小比破损率要敏感;对于孔洞修复能力,主要的敏感的因素包括孔洞直径D及防水毯规格（材料本身性能）。在工程中要做好以下两点：（1）工程中刺破孔洞直径D小于0.5 cm,超过0.5 cm的孔洞应当做修补;（2）局部刺破率不宜大于0.5%,尽量保证防水毯接触面的平整。     

非承压含水层底部单孔疏放水渗流特征

由含水层底部向上施工疏放水孔（井）进行疏水降压是保证煤矿安全开采的重要措施之一,该类疏放水孔与地面抽水井的渗流特征具有显著差别。为了研究井下疏放水孔的渗流特征,以非承压含水层底部单井疏放水孔为例,采用数值模拟的方法对其渗流特征进行研究。研究结果表明,当疏放水井的井长l_w小于临界长度l_c时,即l_w<l_c,疏放水井上部含水层孔隙水压力大于0,且由下而上呈先增加后减小的分布规律,渗流量与井长呈指数函数关系增加;当l_w ≥ l_c时,疏放水非完整井的渗流特征及渗流量与完整井相同;渗流量随井半径增加呈指数关系增加,且指数小于1;将s+l_w代替水位降深s对裘布依（Dupuit）潜水完整井计算公式进行修正,当l_w<l_c时,采用修正的Dupuit潜水完整井计算公式计算疏放水非完整井渗流量更精确。该研究结果对认识井下疏放水井上部孔隙水压力分布特征及合理布置疏放水井具有重要的借鉴意义。