隧道單裂隙巖體滲透系數(shù)試驗研究

韓　楊，葛建立，魏艷楠

(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.河南豫路工程技術(shù)開發(fā)有限公司，河南 鄭州 450000)

?

隧道單裂隙巖體滲透系數(shù)試驗研究

韓楊1，葛建立2，魏艷楠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.河南豫路工程技術(shù)開發(fā)有限公司，河南 鄭州 450000)

采用巴西劈裂生成單裂隙的方法模擬隧道內(nèi)灰?guī)r巖體的張性裂隙。在巖石多功能試驗機(jī)上開展單裂隙圍巖滲流與圍壓三軸試驗研究，研究了圍壓、軸壓對單裂隙滲透系數(shù)的影響，采用數(shù)值擬合方法給出了不同軸壓條件下單裂隙滲透系數(shù)與圍壓關(guān)系式。試驗表明：在軸壓、水壓恒定的情況下增大圍壓，單裂隙巖體滲透系數(shù)與圍壓滿足乘冪關(guān)系；在圍壓、水壓恒定的情況下增大軸壓，單裂隙巖體滲透系數(shù)逐漸減??；裂隙開度隨著圍壓的增加而減小，但圍壓增加到一定程度后，裂隙滲流依然存在，且滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于無裂隙巖體的滲透系數(shù)。

裂隙巖體；單裂隙；滲透系數(shù)；三軸試驗

地下水滲流問題已經(jīng)成為各類工程建設(shè)的難題之一，嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計，90%以上的巖質(zhì)邊坡破壞、60%左右的礦井事故及30%～40%的大壩失事均與地下水的滲流有關(guān)。法國設(shè)計精巧的馬爾帕塞拱壩在第一次蓄水時發(fā)生潰壩[1]；長江三峽鏈子崖和黃蠟石滑坡，嚴(yán)重危及到了巴東縣城的安危[2]；渝-懷鐵路圓梁山隧道，施工過程中經(jīng)常發(fā)生高壓涌突水[3]；意大利瓦依昂水庫邊坡失穩(wěn)，使得當(dāng)時世界上最高的雙曲拱壩失效[4]；我國梅山水庫連拱壩壩體出現(xiàn)異常移位[5]。這些事故直接或間接地與滲流作用相關(guān)，也引起了人們對工程巖體滲流水力學(xué)問題的高度重視，并對地質(zhì)環(huán)境各因素相互影響作用機(jī)理展開了深入的研究，尤其是對裂隙巖體滲流與應(yīng)力耦合的研究。

裂隙巖體的滲流特性問題是許多地質(zhì)工程如邊坡工程、水利水電工程、道橋工程、隧道工程、采礦工程、核廢料處理工程亟待解決的課題[6]，有著極其廣泛的工程應(yīng)用前景，尤其在“以堵為主，限量排放”的治水方案背景下[7]。研究裂隙巖體滲流與應(yīng)力之間的關(guān)系顯得十分重要。因此本文以鐵路隧道灰?guī)r裂隙巖體為主要研究對象，通過室內(nèi)試驗，研究單裂隙巖體滲流隨圍壓、軸壓的發(fā)展規(guī)律。

1　試驗設(shè)備及巖石取樣

單裂隙滲流試驗主要設(shè)備為TAW-2000M巖石多功能試驗機(jī)，該設(shè)備主要由密封壓力室系統(tǒng)、伺服應(yīng)力加載系統(tǒng)、自動控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。能夠?qū)崿F(xiàn)在軸向和徑向上應(yīng)力的獨(dú)立加載，試驗過程中可以實時測得巖樣應(yīng)力、應(yīng)變、出水流量及兩端的滲透壓差等各項數(shù)據(jù)。

巖體試樣取自某深埋鐵路隧道洞內(nèi)開挖下的灰?guī)r，借助巖石取芯機(jī)及巖石端面磨平機(jī)對試樣進(jìn)行加工制備，試樣直徑為4.8 cm，高度為10 cm，端面平整度及高度方向上的傾斜偏差均滿足試驗規(guī)范要求。

圖1　TAW-2000M巖石多功能試驗機(jī)及裝配示意圖

2　裂隙試樣制備及試驗注意事項

2.1裂隙試樣制備

采用巴西劈裂法制造人工裂隙。由于該方法具有一定的理論依據(jù)，且試件加工方便，試驗簡單，是目前最常用的抗拉強(qiáng)度測定的試驗方法。將此方法近似地看作自然界中張拉裂隙生成的方式來處理[1、6]，劈裂示意圖及劈裂后巖樣如圖2所示。巴西劈裂法制備人工裂隙關(guān)鍵是設(shè)定的劈裂速度，對一般灰?guī)r，速度設(shè)定在5～8 mm/min為宜。

圖2　劈裂示意圖及劈裂后巖樣

2.2試驗注意事項

(1)試樣的裂隙開度應(yīng)盡量小，以保證試驗過程為滲流運(yùn)動；(2)盡量減少水的二次補(bǔ)給次數(shù)，以保證試驗的連續(xù)性；(3)試樣過水路徑應(yīng)密封良好，以確保水經(jīng)由裂隙面參與滲流；(4)圍壓方向上應(yīng)有足夠的有效應(yīng)力，以保證試樣的密封膠帶不被水壓沖破。

3　試驗結(jié)果及分析

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)，可使用如下公式計算裂隙巖石的滲透系數(shù)：

(1)

式中，k為滲透系數(shù)，m/s；ρ為密度，103kg/m3；g為重力加速度，9.8N/kg；Q為流量，m3/s；L為試樣高度，m；A為試樣端面裂隙面積平均值，m2；△P為試樣端面壓力差，MPa。

以試件1-1-1(Bc=0.21 mm、Ac=6.237 4 mm2、JRC=7.5，其中Bc為裂隙初始寬度平均值，Ac為裂隙面積)為試驗對象，試驗過程中控制軸壓以0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、1.1 MPa分別固定，固定水壓0.2 MPa，圍壓以0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa逐漸增加，得出的滲流結(jié)果見表1～表4。

表1　軸壓0.3 MPa時不同圍壓下的滲透系數(shù)

表2　軸壓0.5 MPa時不同圍壓下的滲透系數(shù)

表3　軸壓0.7 MPa時不同圍壓下的滲透系數(shù)

表4　軸壓1.1 MPa時不同圍壓下的滲透系數(shù)

將不同軸壓下裂隙滲透系數(shù)與圍壓之間的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3　滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系擬合曲線

由表1～表4及圖3可以得出以下結(jié)論：

(1)在水壓、軸壓一定的情況下，隨著圍壓的逐漸增大，裂隙滲透系數(shù)逐漸減小，但圍壓增加到一定程度后滲透系數(shù)趨近于穩(wěn)定，基本不再受圍壓的影響。分析認(rèn)為，破裂后的巖石不可能因圍壓的作用而完全閉合，裂隙滲流每時每刻都是存在著的，即裂隙滲流在較大圍壓的作用下存在殘余隙寬及對應(yīng)的殘余流量，且此時的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于無裂隙巖體的滲透系數(shù)。

(2)在水壓、圍壓一定的情況下，隨著軸壓的逐漸增大，裂隙滲透系數(shù)逐漸減小，分析認(rèn)為，試樣在軸向受壓時，縱向會壓縮，橫向(徑向)會膨脹，由于試樣被劈裂呈兩個相對獨(dú)立的部分，各自都會產(chǎn)生相應(yīng)的徑向膨脹，從而導(dǎo)致裂隙隙寬變小，滲透系數(shù)降低，這種規(guī)律在較低圍壓下表現(xiàn)得尤為明顯。

(3)不同軸壓下，滲透系數(shù)隨圍壓的變化在一定范圍內(nèi)(0.4～1.6 MPa)呈乘冪遞減關(guān)系，滲透系數(shù)與圍壓擬合關(guān)系式見表5。

表5　滲透系數(shù)與圍壓擬合關(guān)系式

將軸壓與系數(shù)、進(jìn)行關(guān)系擬合，結(jié)果如圖4所示，擬合關(guān)系式見表6。

注：系數(shù)a的單位為：1×10-5　　　圖4　系數(shù)a、b與軸壓擬合關(guān)系曲線

系數(shù)系數(shù)與軸壓擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)ay=-0.6696ln(x)+1.68370.9130by=0.4402ln(x)-1.76990.7939

那么滲透系數(shù)k與軸壓和圍壓之間的關(guān)系可以擬合為：

k=(-0.669 6E-5lnσ軸+1.6837E-5)σ圍0.4402lnσ軸-1.7699

(2)

式中，σ軸、σ圍分別為試件加載的軸壓、圍壓(MPa)；k為滲透系數(shù)(m/s)。

4　結(jié)論

滲流荷載與巖體裂隙之間存在著耦合效應(yīng)，而單裂隙滲流與圍壓、軸壓的試驗發(fā)展規(guī)律如下：

(1)在軸壓、水壓恒定的情況下，隨著圍壓的逐漸增大，裂隙滲透系數(shù)逐漸減小，但圍壓增加到一定程度后滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定，基本不再受圍壓的影響，且滲透系數(shù)隨圍壓的變化在一定范圍內(nèi)呈乘冪遞減關(guān)系。

(2)在圍壓、水壓恒定的情況下，隨著軸壓的逐漸增大，裂隙滲透系數(shù)逐漸減小，這種規(guī)律在較低圍壓下表現(xiàn)得尤為明顯。

(3)單裂隙的人工制備與天然形成的單裂隙試驗結(jié)果必定存在誤差，因此，現(xiàn)場對裂隙巖體取樣顯得尤為重要，也是一個亟待解決的試驗技術(shù)難題。此次試驗采用了常用的人工制備裂隙的方法，試驗成果具有一定的理論指導(dǎo)意義。

[1]趙宗勇.砂巖劈裂后滲流試驗與工程應(yīng)用[D].湖北：三峽大學(xué),2012.

[2]路亞妮,李新平,肖桃李.三向應(yīng)力下裂隙巖石力學(xué)特性試驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2013,35(9):91-106.

[3]王建秀,胡力繩,張金,等.高水壓隧道圍巖滲流-應(yīng)力耦合作用模式研究[J].巖土力學(xué),2008,29(s1):237-240.

[4]蔣宇靜,李博,王剛,等.巖石裂隙滲流特性試驗研究的新進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(12):2377-2386.

[5]劉世煌.裂隙巖體滲流模型及滲流參數(shù)的現(xiàn)場試驗研究[J].水力發(fā)電,1996(8):13-17.

[6]侯昭飛,紀(jì)洪廣，王金安，等.三維應(yīng)力作用下砂巖單裂隙滲流規(guī)律試驗研究[J].中國礦業(yè),2011,20(5):107-110.

[7]高新強(qiáng).高水壓山嶺隧道襯砌水壓力分布規(guī)律研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.

Experimental study on permeability coefficient of single fractured rock mass in tunnel

HAN Yang1,GE Jian-li2,WEI Yan-nan1

(1.SchoolofCivilEngineering&TransportationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China;2.HenanYuluEngineeringTechnologyEngineeringCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

Using the method of the Brazil split to produce a single fracture to simulate the tension fracture of the limestone in the tunnel.Experimental study is performed on the relationship between single fracture seepage and confining pressure on the rock multi-function testing machine. Study on the influence of confining pressure on the permeability coefficient of single fracture, the relationship between permeability coefficient and confining pressure of single fracture under different axial pressure is given by numerical fitting method. Test results show that under the condition of constant axial pressure and water pressure, increasing the confining pressure, the permeability coefficient and confining pressure meet the power relationship. Under the condition of constant confining pressure and water pressure, increasing the axial pressure, the permeability coefficient decreases gradually. The crack opening degree decreases with the increase of confining pressure, but the confining pressure increases to a certain degree, the fracture flow still exists, and the permeability coefficient is much larger than that of the non fractured rock mass.

fractured rock mass; single fracture; permeability coefficient; three axis test

2015-11-17

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)03-0020-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.004

TU455

A