裂隙岩体非线性渗流特性分析

开展了不同围压下的裂隙岩体渗流试验,提出了一种简单的裂隙隙宽测量方法,并研究了渗流过程裂隙的变形特征;基于Forchheimer非线性渗流方程,计算了非线性系数及渗透率,分析了围压与非线性系数及渗透率的关系。研究结果表明,随着围压增大,岩样的渗透率减小,非线性渗流系数增大;裂隙粗糙度越大,越容易引起非线性渗流;裂隙水力开度与力学开度随围压变化趋势一致,水力开度约为力学开度的5%。     

不同粗糙度和隙宽贯通充填裂隙渗流特性试验研究

利用3D打印技术制作出30个含10级粗糙度(JRC=1~20)、3种厚度(1.5、3.0、5.0mm)的裂隙插片,通过模具浇筑成贯通充填裂隙类岩石试件,并对所制备的试件开展渗透性试验,研究在不同围压水平下不同粗糙度、不同隙宽贯通充填裂隙的渗流特性。试验结果表明:(1)不同粗糙度和隙宽贯通充填裂隙渗透率均随围压增加而减小,且在围压加载初期,裂隙渗透率的降低速度明显要高于围压加载中后期,最大渗透率降差达到78%。(2)围压加载初期,隙宽较小时,裂隙渗透率有随粗糙度增加而减小的趋势,且离散性较大;随着围压和隙宽的增加,粗糙度对裂隙渗透性的影响迅速减小。(3)对于10级不同粗糙度贯通充填裂隙,围压加载过程中,均有隙宽越大,裂隙渗透率越大的规律;且在围压较小时,粗糙度越大,不同隙宽贯通充填裂隙渗透率的差值越大,但随着围压的升高,这种影响逐渐被消除。(4)围压对贯通充填裂隙渗透率的影响处于主导地位,两者之间的关系可用幂函数进行描述。     

温度和模拟渗滤液作用下黏土的渗透性能

采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪,分别以自来水和模拟渗滤液为试验用水,开展不同温度和围压下黏土渗透性能试验。研究表明,当温度从20℃升高至50℃时,渗透系数增大,最大增幅为3.5倍;当围压从50kPa增大至200kPa时,渗透系数从10-6cm/s数量级减小至10-8cm/s数量级。在温度和围压一定时,模拟渗滤液作用下黏土的渗透系数略大于自来水试验结果,二者最大比值为2.8。随着温度的升高,土中吸附结合水膜变薄,且土样体积减小,在两种效应的共同作用下,固有渗透率不是定值,相应条件下50℃与20℃固有渗透率的比值在0.72~2.99之间变化。在本试验条件下,渗透系数随温度的变化主要是由水动力黏滞系数的变化引起,但是在低围压、自来水试验时理论推算渗透系数小于实测值,高围压下理论推算值大于实测值。     

不同侧压力系数下裂隙网络岩体非线性渗流特性

基于人工裂隙网络模型,展开一系列不同边界荷载作用下含不同交叉点个数的裂隙网络渗流试验。针对所有试验工况,模型进水口水压力范围均为0～0.6 MPa,侧压力系数均由1.0增加至5.0。试验结果表明：裂隙网络体积流速和水力梯度之间的相关性可以通过Forchheimer函数进行拟合,拟合方程中线性和非线性项系数均随着侧压力系数的增加逐渐增大,而随着裂隙网络交叉点个数的增加逐渐减小;渗流试验过程中,非线性效应系数E和水力梯度J之间的相关性可采用一个幂指数函数进行描述,随着水力梯度的增加,非线性效应系数逐渐增大;随着侧压力系数的增加,裂隙网络临界水力梯度呈现逐渐增大的趋势,对于所有裂隙网络交叉点个数（1～12）,当侧压力系数由1.0增加至5.0,临界水力梯度由0.63～12.13增加至6.01～81.55;提出数学模型 对归一化导水系数 随水力梯度的增大而减小的特征进行分析,随着侧压力系数的增加,两者之间的拟合曲线逐渐上移,拟合系数 整体呈现逐渐增大的趋势。裂隙网络的等效渗透系数随侧压力系数的增加逐渐降低。     

西藏贡觉粉砂质泥岩工程地质特性与蠕变强度研究

川藏铁路在穿越西藏贡觉地区时遇到三叠系粉砂质泥岩,在高地应力条件下容易发生大变形等危害。文章开展了不同围压下的岩石三轴压缩和和三轴蠕变试验,结合PFC数值模拟,研究了粉砂质泥岩在不同围压下的蠕变特性和长期强度研究,结果表明:贡觉粉砂质泥岩流变具有西原蠕变模型特征,蠕变与常规三轴试验条件下,随着围压不断增大,粉砂质泥岩试样均由拉-剪破坏向单剪破坏过渡,剪切破裂面与水平线的夹角逐渐减小,微裂纹数量减少;蠕变试验相较于常规三轴试验,由拉应力引起的压碎带影响范围更广;在高围压条件下,粉砂质泥岩更容易发生流变,随着围压的增大,轴向应变、侧向应变和体积应变均增大,微裂纹数量呈下降趋势;瞬时弹性模量及黏弹性系数与围压呈线性递增关系,黏弹性模量与围压呈对数型增长关系,黏塑性系数与围压呈指数型增长关系。在荷载长期作用下,岩石长期强度低于瞬时强度。     

高围压下砂土的渗透特性试验研究

利用高压三轴渗透试验系统,对某矿区深部的粗砂和细砂进行了高围压条件下的渗透试验。研究了同一水力梯度下渗透系数与围压的关系;同一围压下渗透系数与渗透水力梯度的关系;同一水力梯度下,围压逐级加载的渗透系数与一次加载的渗透系数之间的差别。结果表明,粗砂和细砂在同一水力梯度下渗透系数均随围压的增大而逐渐减小,在同一围压下,渗透系数会随渗透水力梯度的增大而逐渐增大;同一水力梯度下,围压逐级加载下的渗透系数明显小于一次加载条件下的渗透系数。根据围压与渗透系数的关系拟合出了两种砂样渗透系数与围压关系的数学表达式。为探究高围压下渗透系数变化的原因,研究了砂样试验过程中的体积变化和试验前后的粒度成分变化。结果表明,围压的施加过程伴随着试样的体积减小,相应的孔隙度减小,渗透系数降低;高围压条件下,砂土颗粒被挤碎成细颗粒,使得砂土的细粒含量增多,孔隙度减小,导致了砂土渗透系数的降低。     

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。     

断层带不同含石率土石混合体渗流特性试验研究

将断层带现场取出的断层泥及断层角砾混合物制成含石率分别为20%、30%、40%、50%、60%和70%的土石混合体重塑试样,应用GDS饱和-非饱和三轴试验系统测试在不同围压加、卸载条件下土石混合体试样的渗透特性,研究不同含石率土石混合体试样在不同围压水平作用下渗透系数的变化规律。试验结果表明,(1)不同含石率土石混合体(SRM)试样的渗透系数均随围压的增加而减小,且在围压加载初期试样渗透系数的降低速度较快,在围压加载中后期试样渗透系数的降低速度相对减缓;(2)在围压加载和卸载阶段,不同围压水平下土石混合体试样的渗透系数随着含石率的升高,均呈现出先减小后增大的趋势,含石率40%试样的渗透系数最小,含石率70%试样的渗透系数最大;(3)在围压卸载阶段,土石混合体试样渗透系数的恢复程度随着含石率的升高而增大,含石率70%试样渗透系数的恢复率达到50.2%;(4)在围压加载和卸载阶段,随着含石率升高,土石混合体试样渗透系数对含石率变化的敏感系数均呈现出先减小后增大再减小的趋势,在含石率60%时,试样渗透系数对含石率变化的敏感性最强;(5)围压加载和卸载阶段土石混合体试样渗透系数与围压的关系均可用指数函数进行描述。     

高水压力作用下裂隙岩体渗透性的变化研究

渗透系数是表征裂隙岩体透水性能的一个重要参数,当水压力较小时,岩体的渗透系数变化不明显,但在高水压力条件下,岩体的渗透系数会发生明显变化,这给我们在进行渗流分析时带来了一定的困难,因为多数情况下是将渗透系数当作定值来计算的。在高压水条件下,基于非达西流方程,推导了裂隙岩体的渗透系数与水压力之间的表达式,并给出了常规压水或低水压力、高压压水时水力劈裂前后渗透系数的计算公式。现场压水试验结果表明,当岩体发生水力劈裂后,渗透系数增加明显,此时可以通过压水量和水压力的变化量来计算裂隙岩体的渗透系数。通过几个抽水蓄能电站的高压压水试验结果验证了裂隙岩体水力劈裂前后渗透系数的变化规律,并与实际裂隙岩体的渗透系数进行了比较,其误差在10%左右,表明本文给出的渗透系数表达式的合理性和准确性,为水利水电工程的渗流分析及渗漏量的计算提供了渗透系数选择的依据。     

考虑应力历史的岩石单裂隙渗流特性试验研究

通过开展单裂隙花岗岩不同围压加、卸载和不同水力梯度作用下的渗透试验,研究应力历史对裂隙渗透性能演化的影响。试验结果表明：在围压加载过程中,渗流流量与渗透压差大致呈线性关系;在渗透压差相同的条件下,围压越小,流量越大,随着围压上升,裂隙渗流流量持续减小,但随着围压的进一步增大,流量的减小有减缓的趋势。在围压相同以及渗透压差相同的条件下,单裂隙花岗岩在卸载条件下的渗流特性与加载条件下相比,其渗流流量明显降低,且卸载过程中渗流流量与渗透压差开始偏离线性关系。从试验前、后裂隙面粗糙度系数值的对比可以看出,由于法向应力挤压以及渗流流体的冲蚀作用,试验后裂隙面粗糙度系数明显降低。卸载的过程中,裂隙渗透性能的恢复具有明显的滞后效应,表明在法向应力和流体冲蚀的共同作用下,裂隙产生了不可恢复的非弹性变形。     

单裂隙粗砂岩渗流规律试验研究

以石嘴山矿西翼采区为研究背景,通过三轴应力作用下岩石单裂隙渗流试验、裂隙开度与有效压力关系试验和大尺度岩石表面粗糙度量测试验,结合渗流力学基本理论,揭示了三维应力下单裂隙粗砂岩渗流规律,建立了有效压力、裂隙开度与渗透系数的关系式,以期丰富裂隙岩体渗流的理论研究。     

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。     

水-岩作用下单裂隙灰岩渗流特性演化规律研究

针对某水电站地下洞室裂隙灰岩的渗漏问题,现场采集岩样和库水,设计进行了两种方案的水-岩作用试验,历时360 d,其中,方案1在浸泡过程中定期更换浸泡溶液,模拟地下水的长期浸泡和流动更新现象,方案2主要模拟长期浸泡过程。综合水-岩作用下裂隙面微观形貌特征以及浸泡溶液中离子浓度变化,分析水-岩作用下裂隙灰岩的渗流特性变化特征及机制。研究结果表明：在浸泡过程中,单裂隙灰岩的渗透系数呈“先快后慢”的增大趋势,浸泡360 d后,2.5、3.0、3.5、4.0 MPa等4种侧向应力在两种方案下单裂隙灰岩的渗透系数分别增大了729.90%～384.17%、549.04%～297.45%,侧向应力越小,裂隙岩样的渗透系数增大趋势越明显,增长趋势分别在120 d和90 d后趋于稳定。比较而言,方案1裂隙灰岩的渗透系数增长速率和幅度明显较大,为方案2的1.34～2.07倍。方案1定期更换浸泡库水,保持了浸泡溶液的不平衡状态,使得岩样与浸泡溶液间形成了较大的浓度梯度,增加了反应化学势,加快了裂隙表面矿物溶解、溶蚀速率,而方案2中,长期浸泡使得溶液中离子浓度逐渐接近平衡状态,导致裂隙面矿物溶解、溶蚀速率明显低于方案1。长期水-岩作用使得裂隙面粗糙度和波动性明显减小,局部坡度和起伏度逐渐减小,整体溶蚀深度逐渐增加,据此,建立了水-岩作用下单裂隙灰岩渗流通道演化模型,在长期水-岩作用下裂隙岩样的渗流通道逐渐向吻合度低、开度大的方向演化,从而导致了裂隙岩样等效水力开度及渗透系数的大幅度增长。相关研究思路和成果为裂隙岩体的水-岩作用模拟提供了较好的参考。     

微生物灌浆加固裂隙岩体的渗流特性分析

裂隙岩体的防渗加固是影响工程稳定和安全的关键技术问题之一。在以往微生物加固砂土技术基础上,将微生物加固技术应用于裂隙岩体灌浆加固,研究结果表明,(1) 加固前围压对裂隙岩样的水力开度影响很大,加固后裂隙被碳酸钙沉积物充填,岩样的渗流由裂隙渗流转变为孔隙渗流,单位渗流量和渗透系数由围压和渗透水压共同控制;(2) 微生物灌浆加固后,不同围压和渗透水压力作用下裂隙岩样的单位时间渗流量减小了80.12%～90.04%,渗透系数可达到10–6 cm/s数量级;(3) 裂隙岩样灌浆加固过程中微生物诱导产生的CaCO3沉积物具有较好胶结作用,将劈裂岩样胶结为一个整体,达到了加固防渗效果。研究成果可为裂隙岩体的灌浆加固提供较好的参考。     

Experimental Investigation of Seepage Properties of Fractured Rocks Under Different Confining Pressures

The effectiveness of transmitting underground water in rock fractures is strongly influenced by the widths of the fractures and their interconnections. However, the geometries needed for water flow in fractured rock are also heavily controlled by the confining pressure conditions. This paper is intended to study the seepage properties of fractured rocks under different confining pressures. In order to do this, we designed and manufactured a water flow apparatus that can be connected to the electro-hydraulic servo-controlled test system MTS815.02, which provides loading and exhibits external pressures in the test. Using this apparatus, we tested fractured mudstone, limestone and sandstone specimens and obtained the relationship between seepage properties and variations in confining pressure. The calculation of the seepage properties based on the collection of water flow and confining pressure differences is specifically influenced by non-Darcy flow. The results show that: (1) The seepage properties of fractured rocks are related to confining pressure, i.e. with the increase of confining pressure, the permeability $ k $ decreases and the absolute value of non-Darcy flow coefficient $ \beta $ increases. (2) The sandstone coefficients $ k $ and $ \beta $ range from $ 1.03 \times 10^{ - 18} $ to $ 1.53 \times 10^{ - 17} $  m² and $ - 1.13 \times 10^{17} $ to $ - 2.35 \times 10^{18} $  m^?1, respectively, and exhibit a greater change compared to coefficients of mudstone and limestone. (3) From the regression analysis of experimental data, it is concluded that the polynomial function is a better fit than the power and logarithmic functions. The results obtained can provide an important reference for understanding the stability of rock surrounding roadways toward prevention of underground water gushing-out, and for developing underground resources (e.g. coal).     

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。     

深部泥岩渗透率测试方法及数据适用性分析

针对深部地层同一种泥岩,先后采用常规渗透测试、变围压渗透测试和三轴压缩下瞬态法3种方法开展渗透率的测试研究。试验发现,3种方法下泥岩的渗透率差别极大,其中常规渗透测试所得的渗透率高出后两种方法3~5个数量级;变围压法在围压大于5 MPa后与三轴压缩下的瞬态法所测得的渗透率值较为接近;瞬态法下泥岩渗透率随偏应力增加而缓慢 降低,偏应力高达30 MPa时仍未出现扩容现象。测试显示泥岩的渗透率具有强烈的压力敏感性,其内在原因是较高围压下裂隙闭合、孔隙压紧、孔喉连通性减小,进而导致渗透率下降,而制样、烘干处理等对渗透率也有一定影响。基于试验结果与泥岩所处实际地层应力状态,提出可采用变围压法开展油气储集层的盖层的渗透率及其演化规律研究,而三轴压缩下瞬态法则更适用于能源储库盖层及核废料处置室围岩的渗透规律研究;常规渗透方法所得数据的应用则须商榷。研究结论对研究深部泥岩的渗透特性和密封性能有一定参考价值。     

高渗压条件下压剪岩石裂纹断裂损伤演化机制研究

探讨了高渗透压作用下压剪岩石裂纹的起裂规律及分支裂纹尖端应力强度因子的演变规律,建立了高渗压下裂隙岩体发生拉剪破坏的临界水压力值和初裂强度判据,分析了不同渗压作用下裂纹的扩展情况表明,渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展,高渗透压作用下分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展,并导致分支裂纹尖端岩桥剪切破坏,同时考虑分支裂纹的相互作用,建立了高渗透压作用下压剪岩石裂纹体岩桥剪切贯通的断裂破坏力学模型,最后依据裂隙岩体的损伤力学效应研究了岩体的初始损伤及损伤演化柔度张量,提出了高渗压下压剪岩石裂纹渐进破坏的损伤演化方程。该理论为定量研究高渗压下裂隙岩体的失稳破坏提供了理论依据。