單裂隙砂巖滲流破壞特征試驗(yàn)研究

赫云龍 任富強(qiáng) 趙建強(qiáng) 曹景鵬 李昀航

摘要：在研究砂巖中滲流的特性對裂縫的產(chǎn)生會造成什么樣的影響時(shí)，通常會在實(shí)驗(yàn)中利用激光共聚焦顯微鏡對不同種類砂巖的裂縫進(jìn)行表面觀測。然后通過對巖石添加三個(gè)方向的應(yīng)力，以三個(gè)方向列放表面的粗糙度作為參數(shù)。進(jìn)行各種單裂隙巖石滲流破壞特征實(shí)驗(yàn)，例如巖石單裂縫滲流實(shí)驗(yàn)、裂隙的大小與壓力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)力對巖石表面粗糙度影響的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合滲透力學(xué)的基本概念，我們可以發(fā)現(xiàn)在三向應(yīng)力之下單裂隙巖石滲透的規(guī)律，可以建立在一定壓力之下裂隙的大小與滲透系數(shù)的聯(lián)系，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際上有一定的吻合性，因此模型是相對而言比較合理的。

關(guān)鍵詞：單裂隙砂巖;滲透系數(shù);壓力

引言：砂巖作為一種在人類的發(fā)展歷程中與人類生活息息相關(guān)的一種天然材料。對其的研究，在礦山的挖掘，水電水利的開發(fā)，土木工程的建設(shè)，交通的運(yùn)輸?shù)确矫娑加兄e足輕重的作用。不同的巖石因?yàn)椴煌纳森h(huán)境其內(nèi)部往往會產(chǎn)生一定的變化，內(nèi)部往往也會產(chǎn)生各種不同的缺陷，如細(xì)小的裂縫，孔洞，斷層等。這些都會影響一塊巖石的力學(xué)特性。許多相關(guān)的工程往往是因?yàn)閹r石的缺陷而導(dǎo)致最終的失敗。所以對于研究單裂隙巖石的如何被破壞，和在受到破壞時(shí)的變化特征，進(jìn)行不斷的總結(jié)，是防止各種工程災(zāi)害發(fā)生的有效方法。所以單裂縫巖石滲透破壞特征的研究，通常在巖石力學(xué)研究的方向中作為熱點(diǎn)。單裂縫巖體受到應(yīng)力作用和和水滲透力作用時(shí)，這兩方面的力場往往會相互影響，相互耦合，最后達(dá)到一種動態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)，并且應(yīng)力也與滲透場也在此種情況下不停的進(jìn)行耦合。所以在他人研究的基礎(chǔ)之上，在許多角度對單裂縫巖石滲透破壞特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。可以觀察其在破壞時(shí)的演變過程，得出其遭到破壞時(shí)的變化。在巖石災(zāi)害發(fā)生前的預(yù)警和參考。

1、沙巖表面粗糙度的測量

測量粗糙度的常用儀器有，光切顯微鏡和干涉顯微鏡，粗糙度測量儀，掃描隧道顯微鏡，采用無接觸式激光表面形貌掃描儀。在不損害粗糙度的前提下，對表面的粗糙度進(jìn)行高度的測量。從表面的凹凸形狀通過激光掃描轉(zhuǎn)化為光信號，再通過轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為電信號。但是掃描所得的數(shù)據(jù)可能會因?yàn)橥饨绲囊蛩馗蓴_，造成數(shù)據(jù)的誤差。需要在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行誤差消除。出了路的主要目的是算出單裂隙砂巖無壓強(qiáng)狀態(tài)下的平均裂縫寬度。和巖石單裂隙的粗糙度滲流度以及有效壓力進(jìn)行之后的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理算出相應(yīng)的公式。

2、實(shí)驗(yàn)

2.1單裂縫砂巖實(shí)驗(yàn)材料的制作

為了保證砂巖實(shí)驗(yàn)的普遍性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因選取不同種類的砂巖進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)。對于其他因素，比如砂巖的直徑大小，形狀都要保持相同，確?？刂谱兞?。所以我們先用巖石取芯機(jī)將砂眼巖打磨成直徑50毫米×100毫米的圓柱形巖塊，然后使用巖石切割機(jī)將其切成一片片直徑50毫米×20毫米的圓餅形砂巖塊。為了進(jìn)行單裂縫砂巖實(shí)驗(yàn)，在圓餅形巖石塊上進(jìn)行切割，形成深度為兩毫米的凹槽。用巖石壓力機(jī)對圓餅形巖塊施加三個(gè)方面的壓力，觀察圓形巖塊裂縫的變化。為了減小巖塊自身的缺陷所造成的誤差，每種砂巖都選起一個(gè)裂縫面比較好。裂縫的偏差角度較小，顆粒分布均勻且無缺陷的巖石塊。

2.2對砂巖裂縫表面的觀察

為了取得砂巖裂縫表面的相關(guān)信息。其對各種單裂隙砂巖樣本的表面進(jìn)行掃描，以確定初始裂縫的原始信息，對不同的樣本連續(xù)掃描10次取平均值來防止數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。為以后的數(shù)據(jù)計(jì)算提供基本依據(jù)。

2.3單裂隙砂巖滲流實(shí)驗(yàn)

因?yàn)橐屔皫r圓片上的一部分裂縫，保持其原本寬度。所以，在裂縫兩端疊加保護(hù)裝置，材料最好為保鮮膜或者其他塑料。使其他裂縫充分隔水。讓水流從我們所要使用的固定裂縫通過。用保鮮膜的層數(shù)來控制裂縫的大小，進(jìn)而來控制水流的大小?；蚩刂票ｕr膜的厚度，是的，對同一種類的砂巖塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然后按照相同步驟，對不同種類的砂巖塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測量并記錄其裂縫寬度的變化，由變化可推實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而實(shí)驗(yàn)的儀器要包括供水供水系統(tǒng)，穩(wěn)壓系統(tǒng)，滲流系統(tǒng)，觀測及收集系統(tǒng)，供水系統(tǒng)的作用主要是變頻吸水，系統(tǒng)吸水之后，會將所吸之水儲存在儲水器里面。你用穩(wěn)壓系統(tǒng)給水流提供一定的壓強(qiáng)。有系統(tǒng)的作用，主要是使水流只從巖塊的裂縫的相同方位流出。觀察系統(tǒng)主要是用于記錄巖塊的裂縫大小。一共實(shí)驗(yàn)25次，記錄25種不同的數(shù)據(jù)。 選取5種不同的巖塊，控制5種不同裂縫的大小。通過分析這25種數(shù)據(jù)來獲取滲流對單裂隙砂巖裂縫的影響。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1外表數(shù)據(jù)分析

與不同種類砂巖表面裂縫的分析，可以發(fā)現(xiàn)，如果砂巖的顆粒增大。砂巖裂隙表面粗糙度逐漸增大，單裂隙沙巖的表面會呈現(xiàn)起伏狀。因?yàn)樯逞鄣闹饕Y(jié)構(gòu)為二氧化硅顆粒和一些碳酸鈣成分。所以裂隙破壞時(shí)，首先會將碳酸鈣的結(jié)合物開始，并形成裂隙延展。砂巖顆粒的直徑越大，裂隙的粗糙度越高。裂縫的形成的寬度和大小也不同。

3.2砂巖裂隙滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行制表，可以發(fā)現(xiàn)不同種類的砂巖，其裂隙滲流流量會發(fā)生曲線變化。隨著裂隙寬度的增大。裂隙的滲流流量也會逐漸增大。會讓裂隙增大速度，進(jìn)一步的提高?？梢园l(fā)現(xiàn)，若裂隙的寬度處于在一定值之內(nèi)，裂隙砂巖的流量會發(fā)生明顯的變化。雖然很多因素都會引起砂巖裂隙滲流流量。但是裂隙的幾何形狀和滲流流體的粘度會作為主要因素影響。當(dāng)裂隙的大小比較小時(shí)，流體性質(zhì)對于裂隙滲流狀態(tài)的影響比較大。不同種類的砂巖的裂隙滲流速度較小，裂隙的寬度處于一定狀態(tài)之前，流體對于裂隙寬度的影響會大幅的下降。裂隙的寬度和裂隙表面的粗糙程度，會造成那些流量流速變化的主要影響因素。

4、實(shí)驗(yàn)中的問題

制取單裂隙巖樣式，應(yīng)該盡量保證裂隙平面平行于試樣的軸面，該盡量保證裂隙面周圍沒有明顯的裂縫，這樣會影響滲流量的讀取。單裂隙砂巖的開口度應(yīng)該較小，則會造成管流，而不是滲流。單裂隙面應(yīng)該盡量的保持閉合狀態(tài)。保證裂隙內(nèi)沒有其他的雜物，以至于阻礙水流的流動。大尺度的表面粗糙度實(shí)驗(yàn)，要保證實(shí)驗(yàn)中沒有其他光源的干擾。

5、結(jié)束語

對單裂隙巖體滲流問題的研究進(jìn)行推導(dǎo)，并與實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合，建立單裂隙滲流的模型?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)砂巖裂隙相同時(shí)。裂隙的流量會隨裂隙寬度的增大形成增大的形式，裂隙寬度相同時(shí)，電氣的滲流，流量會隨裂隙的增大變小。不同種類的砂巖，相同壓力下裂隙所產(chǎn)生的裂縫是不相同的，在不同的破壞形式。

主要文獻(xiàn)參考：

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