垂直交叉裂隙巖體滲透系數(shù)與裂隙特征關(guān)系試驗(yàn)研究

韓 楊， 高新強(qiáng)，張亞鵬

(1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

垂直交叉裂隙巖體滲透系數(shù)與裂隙特征關(guān)系試驗(yàn)研究

韓 楊1， 高新強(qiáng)2，張亞鵬1

(1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

采用巴西劈裂生成垂直交叉裂隙的方法來模擬隧道內(nèi)灰?guī)r張性裂隙。在巖石多功能試驗(yàn)機(jī)上開展垂直交叉裂隙巖體滲透系數(shù)與裂隙特征關(guān)系試驗(yàn)研究，主要研究了裂隙面積、粗糙度系數(shù)對裂隙滲透系數(shù)的影響。試驗(yàn)表明，垂直交叉裂隙滲透系數(shù)與裂隙面積呈n次方關(guān)系，隨著粗糙度系數(shù)的增大，擬合函數(shù)由二次形式過渡到三次形式，且粗糙度系數(shù)靠近10時為過渡拐點(diǎn)，試驗(yàn)成果為裂隙巖體滲流場特征分析奠定了基礎(chǔ)。

垂直交叉裂隙；滲透系數(shù)；裂隙面積；粗糙度系數(shù)；三軸試驗(yàn)

近年來，隨著地下工程建設(shè)的高速發(fā)展，隧道穿越高水壓地區(qū)越來越普遍，隨之而來的滲流問題也日漸突出，例如墨脫公路穿越嘎隆拉隧道，大量的冰川融水透過巖石裂隙噴涌而出形成了隧道內(nèi)大涌水，嚴(yán)重危害了嘎隆拉隧道的工程建設(shè)[1]。太行山隧道施工中遇到富水裂隙帶發(fā)生了大量的高壓噴水事故[2]，這些事故引起了地下工作者對滲流水力學(xué)問題的高度重視，尤其在提倡“以堵為主，限量排放”治水方案的背景下[3]，研究裂隙巖體滲流與裂隙特征之間的關(guān)系成了重要的基礎(chǔ)性研究課題。以往的巖石滲流試驗(yàn)均未涉及交叉裂隙的情況，且大多是選取砂巖進(jìn)行試驗(yàn)研究[4-6]，本文以鐵路隧道灰?guī)r裂隙為研究對象，通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究垂直交叉裂隙巖體滲透系數(shù)與裂隙特征之間的關(guān)系，研究結(jié)果有利于工程建設(shè)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及巖石取樣

垂直交叉裂隙滲流試驗(yàn)主要設(shè)備為TAW-2000M巖石多功能試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的獨(dú)立加載以及試驗(yàn)過程中的出水量、試樣兩端的滲透壓差的實(shí)時監(jiān)測，圖2為試樣在壓力室內(nèi)的安裝方式。

巖體取自某鐵路隧道內(nèi)灰?guī)r，依據(jù)水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程制備標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣[7]，端面平整度及高度方向上的傾斜偏差均滿足試驗(yàn)規(guī)程要求。

圖1 TAW-2000M巖石多功能試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 試樣壓力室內(nèi)安裝

2 裂隙試樣制備

采用巴西劈裂制備人工裂隙可以近似反映自然界中的張拉裂隙[8]，巴西劈裂試驗(yàn)加載裝置及劈裂示意圖如圖3所示。而巴西劈裂法制備人工裂隙的關(guān)鍵是劈裂速度的設(shè)定，對一般灰?guī)r，速度設(shè)定在5～8 mm/min為宜，巴西劈裂垂直交叉裂隙滲透試驗(yàn)試樣如圖4所示。

圖4 巴西劈裂垂直交叉裂隙滲透試驗(yàn)試樣

3 裂隙初始寬度與裂隙面粗糙度系數(shù)的測量

由于裂隙初始寬度的精確測量難度較大，各種測量方法都不可避免會出現(xiàn)較大的誤差，目前應(yīng)用較多的是武漢地質(zhì)科學(xué)研究所采用的CT法及趙芳的基于角點(diǎn)分段算法[9]，本試驗(yàn)中采用了一種簡捷的測算方法(凸起高度表征法)[10]。

該測算方法步驟如下： (1)采用縱剖儀法獲取裂隙端面曲線圖像，同時采用游標(biāo)卡尺量取端面曲線兩端的直線間距離。(2)將步驟(1)獲取的裂隙端面曲線圖像導(dǎo)入AutoCAD中，借助樣條曲線工具將裂隙端面曲線繪制成 .dwg格式文件；由裂隙端面曲線兩端的直線間距離，借助AutoCAD的縮放功能及繪制圖形的LIST功能，測算出裂隙曲線的長度。(3)將端面裂隙進(jìn)行圖像處理，將(1)中獲取的圖像用MATLAB軟件的中值濾波處理，獲得具有較少噪聲的圖像，再運(yùn)用Photoshop圖像處理軟件功能中的濾鏡高反差保留功能及圖層的閾值調(diào)整獲取帶有不同像素點(diǎn)的圖像。(4)將步驟(3)得到的最終圖像導(dǎo)入AutoCAD中進(jìn)行處理，利用獲取的圖像像素點(diǎn)進(jìn)行裂隙的測量工作，此過程會涉及圖像之間不同比例的縮放，最終利用圖形處理的 LIST功能測量出裂隙的面積Ac，再由步驟(2)測算出裂隙曲線長度Lc，最終計算出裂隙的初始寬度Bc=Ac/Lc。

裂隙面粗糙度系數(shù)的測量采用文獻(xiàn)[11]給定的方法。采用縱剖儀法進(jìn)行裂隙表面圖像的描繪，并將描繪結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)粗糙度系數(shù)曲線作對比，選取兩條線最接近的JRC值作為該裂隙面的粗糙度系數(shù)。試驗(yàn)測定的垂直交叉裂隙巖樣裂隙特征基本信息見表1。

表1 垂直交叉裂隙巖樣裂隙特征基本信息

編號JRC裂隙長度均值/mm裂隙初始寬度/mm裂隙初始端面裂隙面積/mm2113．548．610．28813．999210．549．200．31215．3503948．40．29014．0364548．220．27813．40557．548．530．41219．99461248．200．37217．93079．548．740．42820．86186．548．520．32815．915

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及成果分析

根據(jù)經(jīng)典滲流理論，當(dāng)滲透系數(shù)很小，巖樣兩端壓力差基本穩(wěn)定時即達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，計算裂隙巖石滲透系數(shù)的公式為：

式中：k為滲透系數(shù)，m/s；ρ為水的密度；g為重力加速度；Q為流量，m3/s；L為試樣高度，m；A為試樣端裂隙面積，m2；ΔP為試樣端面壓力差，MPa。

以試樣1～8為研究對象，如圖4所示，試驗(yàn)過程中控制軸壓為6.0MPa、圍壓以2.0MPa、4.0MPa、5.0MPa、6.0MPa、8.0MPa逐漸增加，在此僅列出表2所示的試樣1的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)擬合后如圖5所示，垂直交叉裂隙試樣粗糙度系數(shù)及對應(yīng)的擬合函數(shù)見表3。

表2 試樣1在不同垂直交叉裂隙面積下的滲透系數(shù)

圍壓/MPa裂隙寬度/mm隙寬面積/mm2滲透系數(shù)/(m·s-1)2．00．1668．05016．37E-064．00．1336．56645．59E-065．00．1246．02084．95E-066．00．1165．59004．53E-068．00．1045．03013．93E-06

圖5 試樣1～8垂直交叉裂隙面積與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

試樣編號粗糙度系數(shù)擬合函數(shù)R2值113．5y=-8．75E-8x3+1．58E-6x2-8．42E-6x+1．73E-50．9994612y=-1．02E-7x3+3．26E-6x2-3．35E-5x+1．13E-40．9987210．5y=-7．01E-7x3+1．81E-5x2-1．54E-4x+4．33E-40．995879．5y=-4．79E-8x3+1．58E-6x2-1．59E-5x+5．15E-50．993039y=3．25E-7x2-3．23E-6x+1．40E-50．990657．5y=2．76E-7x2-2．09E-6x+6．93E-60．994686．5y=2．95E-8x2+2．25E-7x-7．17E-70．994745y=7．21E-8x2-6．99E-7x+3．46E-60．9761

由表3可知，垂直交叉裂隙的滲透系數(shù)與裂隙面積呈n次方關(guān)系。試樣3、4、5、8擬合函數(shù)均為二次函數(shù)，試樣1、2、6、7擬合函數(shù)均為三次函數(shù)。

隨著粗糙度系數(shù)的增大擬合函數(shù)由二次形式過渡到三次形式。裂隙粗糙度越小，其初始閉合所需的圍壓能較快的使裂隙處于殘余裂隙狀態(tài)。裂隙粗糙度越大，其初始閉合所需的圍壓不能較快的使裂隙處于殘余裂隙狀態(tài)，導(dǎo)致初加圍壓時滲透系數(shù)降低較慢，而隨著圍壓的進(jìn)一步增大，裂隙之間的凸凹部分被壓碎或擠緊，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)急劇下降。

5 結(jié)論

通過改變裂隙面積、粗糙度系數(shù)值域來研究垂直交叉裂隙面積、粗糙度系數(shù)等與滲透系數(shù)之間的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明垂直交叉裂隙巖體滲流與裂隙特征呈現(xiàn)如下規(guī)律：

(1)垂直交叉裂隙的滲透系數(shù)與裂隙面積呈n次方關(guān)系。

(2)隨著裂隙粗糙度系數(shù)的增加，擬合函數(shù)逐漸由二次函數(shù)關(guān)系過渡到三次函數(shù)關(guān)系，說明擬合函數(shù)與粗糙度系數(shù)之間存在一定的關(guān)聯(lián)。裂隙粗糙度越大，其初始閉合所需的圍壓不能較快的使裂隙處于殘余裂隙狀態(tài)，導(dǎo)致初加圍壓時滲透系數(shù)降低較慢，而隨著圍壓的進(jìn)一步增大，滲透系數(shù)急劇下降，此階段類似于粗糙度系數(shù)較小情況時的曲線變化規(guī)律。

(3)垂直交叉粗糙度系數(shù)位于10附近時，滲透系數(shù)與裂隙面積的關(guān)系由二次函數(shù)過渡到三次函數(shù)。

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[11]沈明榮，陳建峰. 巖體力學(xué)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2006.

Experimental study on relationship between permeability coefficient and fracture characteristics of vertical cross fractured rock mass

HAN Yang1，GAO Xin-qiang2，ZHANG Ya-peng1

(1.SchoolofCivilandTransportationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China; 2.SchoolofCivilEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China)

Using the method of the Brazil split to produce a vertical cross fracture to simulate the fracture of the rock mass in the tunnel. Experimental study was studied on the relationship between permeability coefficient and fracture characteristics of vertical cross fractured rock mass on the rock multi-function testing machine, the influence of fracture area and roughness coefficient on the permeability coefficient of the fracture. Test showed that the relationship between the permeability coefficient and the fracture area is n times in the vertical cross fracture, with the increase of the roughness coefficient, the fitting function transits from quadratic form to cubic form, and the roughness coefficient is close to 10 as the transition point. The experimental results lay the foundation for the analysis of seepage field in fractured rock mass.

vertical cross fracture; permeability coefficient; fracture area; roughness coefficient; three axis test

2016-05-03

國家自然科學(xué)基金(51378321)；河北省自然科學(xué)基金(E2014210131)

韓 楊(1988—)，男，河南開封人，碩士，助教。

1674-7046(2016)06-0011-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.06.003

TU 45

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