巖石裂隙滲透性尺寸效應試驗儀器研制①

李世超， 胡云進， 鐘 振， 潘昌青， 陸佳瑩

(紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000)

0 引 言

裂隙巖體的滲透性對于水利工程及地下工程建設等具有至關重要的影響。單裂隙是組成巖體裂隙網(wǎng)絡的基本單元，單裂隙滲透性研究是研究裂隙巖體滲流的基礎和關鍵[1～3]。 單裂隙滲透性的影響因素眾多，如應力、裂隙開度、裂隙面粗糙度、裂隙面充填物及多場耦合等[2]。許多學者針對上述因素展開了大量的研究，取得了重要的成果[1,4-11]，但對于尺寸效應的研究較少。研究表明[12]，巖石裂隙滲透性存在尺寸效應，但尺寸效應的產(chǎn)生機理尚未明了。Kunal Kumar Singh[13]對直徑分別為38mm和54mm的圓柱形劈裂試樣進行了滲透性試驗，結果顯示直徑38mm的花崗巖試樣的滲透性大于直徑54mm的試樣，但由于試樣尺寸較小且尺寸數(shù)據(jù)比較單一，難以確定滲流尺寸效應的規(guī)律。馬秀媛[14]對多種尺寸的碳酸鹽巖芯試樣進行了滲透試驗，結果顯示巖體的滲透率隨尺寸的增大而增大，最終趨于穩(wěn)定；但這是針對完整巖石試樣而非裂隙試樣。傳統(tǒng)研究方式是采用不同尺寸的試樣進行滲流實驗，再比較不同尺寸試樣的試驗結果，但由于不同試樣的裂隙開度、粗糙度等因素對滲透系數(shù)的影響難以消除，試驗結果的可靠性不高。而且試樣尺寸較小難以準確掌握尺寸效應的變化規(guī)律。因此如何消除裂隙開度、粗糙度等因素的影響以及制作大尺寸的單裂隙試樣，已成為巖石裂隙尺寸效應研究的一大難題。

針對上述問題，研制了一套大尺寸單裂隙滲透性尺寸效應試驗儀器及大尺寸試樣。該試驗儀可對1000mm直徑的圓柱形試樣進行法向加載；采用1000mm直徑的同一單裂隙，測量同一單裂隙中不同滲流尺寸下的滲透參數(shù)，這樣可以可靠的進行尺寸效應規(guī)律分析。

1 巖石裂隙滲透性尺寸效應試驗儀

試驗儀器由供水裝置、加載裝置、集水裝置、測量裝置組成。供水裝置由有機玻璃材料制成；加載裝置由高強度金屬框架及液壓缸制成；集水裝置由橡膠圈集水槽、集水導管及量杯組成；測量裝置由電子天平及滲壓計組成。

1.1 供水裝置

供水裝置主要由兩部分組成，如圖1所示，分別為自循環(huán)供水箱和恒壓水箱。自循環(huán)供水箱用于提供水源，恒壓水箱用于提供定水頭。水流由供水管進入恒壓水箱，溢出的水流又通過回水管流回供水箱，形成一個回路，其中的流量調節(jié)閥用于調整流量大?。缓銐核渲虚g用穩(wěn)水孔板分割，以保持水流穩(wěn)定，上端溢流，溢流口帶擋板，用于調節(jié)水位；水流通過恒壓水槽中的入流管進入巖石裂隙試樣。

圖1 供水裝置

1.2 加載裝置

加載裝置由六部分組成，如圖2所示：(1)立柱；(2)液壓缸；(3)加載頂板；(4)加載器；(5)數(shù)字顯示表；(6)承載底板；(7)控制閥。立柱位于四個角點，每根立柱均套有一個液壓缸，四個液壓缸由同一控制閥控制，以保證協(xié)同出力。為實現(xiàn)可視化研究，加載頂板與承載底板均為外徑1000mm，內徑800mm的圓環(huán)，平板光源由試樣底部照射試樣，再用高速攝像機從試樣頂部進行拍攝，觀測滲流的形態(tài)，如圖3液壓缸活塞行程200mm。四個液壓缸與上部加載板總計可提供最大300kN的加載力。在直徑為1000mm的圓盤試樣下，所提供的最大法向應力為0.4MPa。

圖2 加載裝置

1.3 集水裝置

集水裝置由集水槽和導管組成，集水槽緊貼環(huán)繞下盤試樣一周，，在其一側有開口連接導管，導管出口處設有量杯，如圖4所示。

圖3 滲流形態(tài)觀測示意圖

圖4 集水裝置側視圖

從裂隙四周滲出的水流進入集水槽中，再通過導管進入量杯中，以此來收集從裂隙中滲出的水流，如圖5所示。

圖5 集水裝置導水示意圖

1.4 測量裝置

測量裝置包括高精度電子分析天平(4200g/0.01g)，以及布設于上盤試樣的滲壓計。滲壓計布設在上盤試樣中。上盤試樣以圓心為起點，在相互垂直的四個方向上，每隔100mm鉆一個通孔，一共需鉆取16個通孔，如圖6、圖7所示。每個通孔內均布設一個滲壓計，用以獲得該點處的水壓力值，其中每4個與圓心距離相同的測點編為一個測壓組。同一測壓組的4個水壓力值取其平均數(shù)作為該組的水壓力值。

圖6 滲壓計布設俯視圖

圖7 滲壓計布設側視圖

2 大尺寸單裂隙試樣的制作

室內巖石裂隙滲流試驗通常采用天然巖塊或混凝土作為試樣，小尺寸試樣尚可，但對于大尺寸試樣，若采用天然花崗巖(密度：2.79-3.07g/cm3)或混凝土(密度：約2.5g/cm3)等材料制作，則試樣笨重，不便于開展試驗。鞠楊[15]在單裂隙滲流試驗中使用有機玻璃(PMMA)材料，質量大大降低，且可實現(xiàn)可視化研究。有機玻璃具有輕質(密度：約1.2g/cm3)、高強度(抗拉強度5.5～7.7Mpa)[16]、可塑性強等特點，同時具有良好的透光性能，適用于制作大尺寸巖石裂隙試樣，并開展可視化研究。

通過熱壓法，制作兩塊尺寸為1000mm×30mm(直徑×厚度)的圓形有機玻璃板(上盤、下盤)。上盤按前述鉆孔并布設滲壓計。在下盤的圓心處鉆直徑10mm的通孔作為注水孔，板邊緣套一圈集水槽用以收集滲出的水流。疊合上、下盤形成大尺寸單裂隙，如圖8所示。

圖8 大尺寸試樣示意圖

3 試驗原理及步驟

3.1 試驗原理

單裂隙滲流采用輻射流，如圖9所示，即水流從中心孔注入裂隙面，然后向四周輻射狀流出，流入集水槽進行收集。這種方法解決了大尺寸試樣不易密封的問題。

圖9 滲流與集水方式示意圖

光滑平行板滲流的立方定律：

(1)

式中：Q為出流量；ΔH為水頭差；C為常數(shù)；b為裂隙寬度。

(2)

式中：K為等效滲透系數(shù)；μ為水流的動力粘滯系數(shù)，其余各符號的意義同前。

對于輻射流有[1]：

(3)

式中：ri為第i根滲壓計距圓心的距離；r0注水孔的半徑。

聯(lián)立(1)(2)(3)可得：

(4)

式中：hi為第i根測壓管處的壓力水頭；h0為注水孔處的壓力水頭，其余各符號的意義同前。

3.2 試驗步驟

巖石裂隙排氣：打開自循環(huán)供水箱閥門，水流進入水箱后通過下盤注水孔進入裂隙面；施加2倍試驗最大水頭，持續(xù)2h，關閉，再施加，反復多次排除裂隙內氣體。

首先對巖石裂隙施加小的法向荷載，打開閥門向裂隙注水，待滲流過程穩(wěn)定后，記錄各個滲壓計的讀數(shù)，將同一組滲壓計的讀數(shù)取平均值作為該尺寸下的水壓力值，代入公式(4)，計算出不同尺寸裂隙面的滲透系數(shù)。保持法向荷載不變，通過閥門改變注水水壓，記錄不同水壓下裂隙滲透性的變化。保持水壓不變，步進增加法向荷載，研究該法向應力對裂隙滲透性尺寸效應的影響。

為進一步研究粗糙度對巖石裂隙滲透性尺寸效應的影響，在裂隙內布設不同顆粒級配的石英砂，以模擬不同粗糙度，重復上述試驗步驟，觀測巖石裂隙粗糙度對滲透性尺寸效應的影響。

4 結 論

針對目前缺乏巖石裂隙滲透性尺寸效應試驗儀和相應的大尺寸試樣的現(xiàn)狀，研制出大尺寸巖石裂隙滲透試驗儀，試驗儀可開展不同方向荷載、壓力水頭、裂隙面粗糙度下的滲透試驗，最大試樣尺寸達到1000mm，并在試樣上盤距等間距鉆孔布設測壓計，實現(xiàn)在同一試樣下開展?jié)B透性尺寸效應試驗研究。儀器具有功能齊全，操作簡便等特點，可用于觀測不同條件下巖石裂隙滲透性尺寸效應規(guī)律，為進一步揭示尺寸效應的控制機理提供了切實可行的試驗設備。

[1] 王媛，速寶玉. 單裂隙面滲流特性及等效水力隙寬[J]. 水科學進展，2002，13(1):61-68.

[2] 熊祥斌，張楚漢，王恩志. 巖石單裂隙穩(wěn)態(tài)滲流研究進展[J]. 巖石力學與工程學報，2009，28(9):1839-1847.

[3] 張有天. 巖石水力學與工程[M]. 北京：中國水利水電出版社，2005.

[4] 楊金保，馮夏庭，潘鵬志. 考慮應力歷史的巖石單裂隙滲流特性試驗研究[J]. 巖土力學，2013，34(6):1629-1632.

[5] 李博，蔣宇靜. 巖石單節(jié)理面剪切與滲流特性的試驗研究與數(shù)值分析[J]. 巖石力學與工程學報，2008，27(12):2431-2439.

[6] 沈洪俊. 單條裂隙輻向流試驗的初步探討[J]. 河海大學學報，1995，23(2):94-98.

[7] 滿軻，劉曉麗，蘇銳，等. 大尺度單裂隙介質應力-滲流耦合試驗臺架及其滲透系數(shù)測試研究[J]. 巖石力學與工程學報，2015,34(10):2064-2072.

[8] 胡昱,葉源新,劉光廷,等. 多軸應力作用下砂礫巖單裂隙滲流規(guī)律試驗研究[J].地下空間與工程學報，2007，3(6):1009-1013.

[9] 郭保華，蘇承東. 多級加載下巖石裂隙滲流分段特性試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2012，31(2):3787-3794.

[10] 鄭少河，趙陽升，段康廉. 三維應力作用下天然裂隙滲流規(guī)律的實驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，1999，18(.2):133-136.

[11] 速寶玉，詹美禮，王媛. 裂隙滲流與應力耦合特性的試驗研究[J].巖土工程學報，1997，19(4):73-77.

[12] Qian J Z ， Zhan H B ， Luo S H ， et al. Experimental evidence of scale-dependent hydraulic conductivity for fully developed turbulent flow in a single fracture[J]. Journal of Hydrology，2007，339(3-4):206-215.

[13] Kunal Kumar Singh, Devendra Narain Singh, Ranjith Pathegama Gamage. Effect of sample Size on the Fluid Flow Through a Single Fractured Granitoid[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 8 (2016):329-340.

[14] 馬秀媛，芮洪興，王倩. 多尺度巖石滲透特性的試驗研究[J]. 巖土力學，2014，35(8):2191-2196.

[15] 鞠楊，張欽剛，楊永明，等. 巖體粗糙單裂隙流體滲流機制的實驗研究[J].中國科學：技術科學，2013，43(10):1144-1154.

[16] 張濤. 改性有機玻璃的制備、結構和性能研究[D].浙江：浙江大學材料與化學工程學院，2007，3.