圍壓對含裂隙茅口灰?guī)r滲透率的影響*1

王興宏，萬 文，段艷平

(湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

圍壓對含裂隙茅口灰?guī)r滲透率的影響*1

王興宏，萬 文，段艷平

(湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

取煤炭壩茅口灰?guī)r制作成圓柱體試樣，分析圍壓對含裂隙茅口灰?guī)r滲透率的影響.基于MTS多功能巖石試驗系統(tǒng)，研究了同一軸壓不同圍壓作用下，含裂隙茅口灰?guī)r滲透率的變化情況.實驗結(jié)果表明，同一軸壓作用下，試樣滲透率隨圍壓的增大而減少，其中低圍壓作用下滲透率變化比較敏感，高圍壓作用下滲透率變化緩慢，指數(shù)函數(shù)較好地擬合體積應(yīng)力、滲透系數(shù)和滲透壓之間的關(guān)系.

滲透率；圍壓；體積應(yīng)力；滲透壓

巖石滲透性的好壞通常采用滲透率來衡量，滲透率又可以換算成滲透系數(shù)(即水力傳導(dǎo)系數(shù))，在各向同性介質(zhì)中，其物理定義為單位水力梯度下的單位流量，表示流體通過孔隙骨架的難易程度.在各向異性介質(zhì)中，滲透系數(shù)以張量形式表示，滲透系數(shù)愈大，巖石透水性愈強.巖體含裂隙越豐富，巖體的滲透性越強.巖體是由裂隙等不連續(xù)的結(jié)構(gòu)面和巖石組成，裂隙的存在嚴(yán)重影響巖體的滲流特性，巖體的孔隙率小，而巖體的滲透率大，因此，研究裂隙巖體的滲流特性具有一定的現(xiàn)實意義.自從1956年法國Malpasset 拱壩發(fā)生潰壩以來，裂隙巖體的滲流越來越受人們的關(guān)注.

國內(nèi)外很多學(xué)者對裂隙巖體的滲透特性進行了相關(guān)研究.倪紹虎等[1]對裂隙巖體水力學(xué)特性進行了研究,認為巖體的滲透性與應(yīng)力賦存環(huán)境、對應(yīng)力密切相關(guān).梁寧慧等[2]對裂隙巖體卸荷滲透規(guī)律進行了試驗研究，探討了裂隙巖體在卸載過程中滲透系數(shù)的變化規(guī)律，并推導(dǎo)了裂隙巖體的卸荷量與滲透系數(shù)之間的關(guān)系式，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合.劉欣宇[3]進行了含充填裂隙類巖石高圍壓條件下水滲流的試驗研究，分析穩(wěn)定高水壓和不同圍壓標(biāo)準(zhǔn)下，不同類型裂隙試樣的滲透性變化規(guī)律.

筆者分析同一軸壓作用下圍壓的變化對滲透率的影響.為研究方便，將滲透率轉(zhuǎn)化為滲透系數(shù)，并對滲透系數(shù)、體積應(yīng)力與滲透壓進指數(shù)擬合，擬合結(jié)果能很好地反應(yīng)滲透系數(shù)、體積應(yīng)力和滲透壓三者的關(guān)系.

1 試樣制備與實驗方案

1.1試樣的制備

把從煤炭壩取回來的茅口灰?guī)r制作成高H=100 mm,截石直徑R=50 mm的圓柱體試樣(見圖1).使用砂紙對試樣進行光滑處理，防止實驗時巖樣發(fā)生應(yīng)力集中，減少對試驗結(jié)果的誤差影響.為了較好地觀察巖樣的裂隙紋路，通過Photoshop對巖樣照片進行處理得到更為清晰的展開圖(見圖2).

圖1 巖樣

圖2 巖樣展開

1.2實驗方案

把巖樣放入MTS多功能巖石系統(tǒng)三軸腔中，使用蒸餾水對巖樣的滲透率進行測試.

(1)軸向施加應(yīng)力為8 MPa，試樣孔隙壓差為1 MPa(兩端孔壓分別為1，2 MPa)，施加圍壓2.5 MPa，實驗系統(tǒng)以0.5 s間隔自動對試樣兩端孔隙壓差數(shù)值進行采集，直到孔隙壓差降為0.1 MPa.實驗測量結(jié)束后，重復(fù)上述的加載步驟，保持軸壓8 MPa和孔壓1 MPa不變，初始圍壓3.0 MPa，以0.5 MPa逐漸疊加，直到圍壓加載到11 MPa.

(2)把上述軸向應(yīng)力變?yōu)?0 MPa，其他變量不變，初始圍壓為2.5 MPa，最終圍壓加載到11 MPa，加載過程同上.

2 實驗原理

(1)，

(2)

(3)

由(1)式直接得到

(4)

構(gòu)造泛函

由泛函Π的極值條件：

3 實驗結(jié)果與分析

圖3 滲透率隨圍壓的變化曲線

利用瞬態(tài)滲透法對茅口灰?guī)r巖樣進行滲透實驗.取巖樣高度H=100 mm，截面直徑d=50 mm，滲流液體為水，質(zhì)量密度ρ=1.0×103kg/m3，動力黏度u=1.01×10-3Pa.s,壓縮系數(shù)cf=0.556×10-9Pa-1.MTS815多功能巖石實驗系統(tǒng)中，孔隙壓力分系統(tǒng)的穩(wěn)壓器容積B=0.332×10-6m3.根據(jù)MTS815多功能巖石試驗系統(tǒng)所采集的實驗數(shù)據(jù)，計算出茅口灰?guī)r非Darcy流的滲透率k，并通過Origin專業(yè)繪圖軟件得到軸壓8,10 MPa作用下的試樣滲透率隨圍壓的變化曲線,如圖3所示.

從圖3可知，同一軸壓作用下，試樣滲透率隨圍壓的增大而減少，且低圍壓作用下滲透率變化比較敏感，高圍壓作用下滲透率變化緩慢，說明圍壓加載初期，裂隙試樣裂隙發(fā)生了較大程度的閉合，圍壓對于裂隙的張裂產(chǎn)生了較大程度的限制，裂隙的閉合對水的滲流產(chǎn)生了較大的阻力，試樣滲透率發(fā)生比較大下降.當(dāng)裂隙閉合到一定程度以后，滲透率隨圍壓的增大其敏感度下降.

圖4 滲透系數(shù)、體積應(yīng)力與滲透壓的擬合曲線

把滲透率轉(zhuǎn)換為滲透系數(shù)，根據(jù)趙陽升[7]對體積應(yīng)力、滲透系數(shù)和滲透壓三者規(guī)律，筆者給出了滲透系數(shù)、體積應(yīng)力與滲透壓的擬合關(guān)系為k=a×exp(b×Θ+c×p).其中a,b,c為擬合參數(shù)；體積應(yīng)力Θ=σ1+σ2+σ3；k為滲透系數(shù)，單位為m/s；p為平均孔隙水壓，單位為MPa.

軸壓10 MPa作用下的擬合曲線方程為k=1.21×10-6exp(-1.024 5Θ+0.59×10-10)，軸壓8 MPa作用下的擬合曲線方程為k=6.57×10-9exp(-0.293 4Θ+0.75×10-10).滲透系數(shù)、體積應(yīng)力與滲透壓的擬合曲線如圖4所示.

由圖4可知，茅口灰?guī)r裂隙滲透系數(shù)與體積應(yīng)力呈指數(shù)衰減關(guān)系.當(dāng)體積應(yīng)力較小時，巖體的滲透系數(shù)受體積應(yīng)力作用較為敏感，當(dāng)體積應(yīng)力較大時，敏感性降低.

4 結(jié)語

同一軸壓作用下，試樣滲透率隨圍壓的增大而不斷地減少，并且低圍壓作用下滲透率變化比較敏感，高圍壓作用下滲透率變化緩慢.茅口灰?guī)r裂隙滲透系數(shù)與體積應(yīng)力呈指數(shù)衰減關(guān)系，當(dāng)體積應(yīng)力較小時，巖體的滲透系數(shù)受體積應(yīng)力作用較為敏感，當(dāng)體積應(yīng)力較大時，其敏感性降低.

[1] 倪紹虎,何世海,汪小剛,等.裂隙巖體水力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012(3):488-498.

[2] 梁寧慧,劉新榮,艾萬民,等.裂隙巖體卸荷滲透規(guī)律試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2011(1):88-92.

[3] 劉欣宇.含充填裂隙類巖石高圍壓條件下水滲流試驗研究[D].長沙：中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,2012：45-50

[4] 孫明貴,黃先伍,李天珍,等.石灰?guī)r應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程的非Darcy流滲透特性[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006(3):484-491.[5]卜萬奎.圍壓對峰后巖石非Darcy流滲透特性影響的試驗研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2013(4):43-46.

[6] 繆協(xié)興.采動巖體滲流理論[M].北京:科學(xué)出版社,2004：7-12.

[7] 趙陽升.多孔介質(zhì)多場耦合作用及其工程響應(yīng)[M].北京:科學(xué)出版社,2010：99-104.

(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))

InfluenceofConfiningPressureoverPermeabilityofFracturedMaokouLimestone

WANG Xinghong,WAN Wen,DUAN Yanping

(College of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,Hunan China)

The impact of confining pressure on the permeability of fractured Maokou limestone.Maokou limestone sample was cored from coal dam was analyzed MTS815 rock mechanical system was used to research the permeability under different confining pressures and the same axial pressure.The test results showd that permeability decreased with confining pressure increase under the same axial pressure,and when confining pressure was low,permeability of fractured Maokou limestone changed largely with confining pressure increase;on the contrary,the permeability changed relatively little when confining pressure was high.Volumetric stress,permeability coefficient and osmotic pressure were fitted well by exponential function.

permeability;confining pressure;volumetric stress;osmotic pressure

1007-2985(2014)04-0046-04

2014-04-21

國家自然科學(xué)基金資助項目(51174088)

王興宏(1988-)，男，湖南永州人，湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院碩士研究生，主要從事巖土工程研究

萬 文( 1968-),男，湖南衡陽人，湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院教授，博士，主要從事巖石力學(xué)研究.

TU45

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.04.011