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巖石損傷過(guò)程中的滲流特性

2011-08-11 01:17韓國(guó)鋒王恩志劉曉麗
關(guān)鍵詞:滲透性滲流裂隙

韓國(guó)鋒,王恩志,劉曉麗

(清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)

在采礦、邊坡、隧洞、石油、水利水電等涉及巖石力學(xué)的工程中都存在地下水滲流問(wèn)題。地下同時(shí)存在滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),一方面,流動(dòng)的地下水對(duì)巖石施加浮力和滲透力,滲流場(chǎng)的改變,必然改變巖石的受力狀態(tài)。另一方面,應(yīng)力場(chǎng)的改變,將引起巖石孔隙、裂隙的變化,也就改變了巖體的滲透性能,從而改變了滲流場(chǎng)。這就是滲流應(yīng)力耦合問(wèn)題。由于地下水對(duì)實(shí)際巖石工程安全穩(wěn)定有重要的影響,人們對(duì)滲流應(yīng)力耦合進(jìn)行了大量的研究。包括孔隙滲流和裂隙滲流的耦合研究。但是主要的耦合成果集中在應(yīng)力狀態(tài)的分析[1]。無(wú)論是滑坡、潰壩,還是隧洞突水等實(shí)際的與地下水相關(guān)的工程安全問(wèn)題中都存在一個(gè)巖石體損傷的問(wèn)題,很有必要把耦合從狀態(tài)分析發(fā)展到損傷過(guò)程的分析。

對(duì)滲流應(yīng)力耦合分析的關(guān)鍵是滲透系數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系。損傷過(guò)程中的滲流應(yīng)力耦合分析的關(guān)鍵也在于此。由于巖石損傷本身是一件極其復(fù)雜的問(wèn)題,因此僅從理論上研究損傷過(guò)程中滲流應(yīng)力耦合是很困難的,研究者主要的研究方式是進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)研究的成果,一方面為建立耦合理論提供了基礎(chǔ),另一方面也是檢驗(yàn)所建立理論合理性的依據(jù)。除此外試驗(yàn)的成果也能在沒(méi)有合適的理論模型、簡(jiǎn)化計(jì)算或定量分析的情況下提供有益的參考。損傷過(guò)程滲流特性很復(fù)雜,特別是在應(yīng)力峰值后,已有的試驗(yàn)結(jié)果千差萬(wàn)別,離散性較大,缺乏系統(tǒng)的分析。比如Mordecai等[2]在Darley Dale砂巖的斷裂試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)滲透率增加20%,Zoback等[3]發(fā)現(xiàn)花崗巖達(dá)到峰值應(yīng)力80%時(shí)滲透率增加2/3。而Oda[4]發(fā)現(xiàn)破壞花崗巖比完整時(shí)大2~3個(gè)量級(jí)。Peach等[5]、Stormont等[6]對(duì)巖鹽的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滲透性能增加5個(gè)量級(jí)。Otto等[7]對(duì)巖鹽的試驗(yàn)得出滲透性與膨脹正相關(guān)。而David等[8]對(duì)砂巖的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滲透性變化與孔隙率的增加并不總是正相關(guān)。

1 巖石損傷過(guò)程中滲透性變化特征

巖石滲透性受巖石本身的孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)控制。在變形過(guò)程中,巖石的孔隙、裂隙發(fā)生變化,因此其滲透性也發(fā)生改變。一般巖石的變形經(jīng)歷微孔隙裂隙壓密階段、彈性變形階段、屈服強(qiáng)化階段、峰后軟化階段、殘余強(qiáng)度階段等五個(gè)階段。隨著巖石的變形,滲透性也發(fā)生相應(yīng)的變化。目前試驗(yàn)所涉及的巖石中沉積巖較多,如煤巖[9-11]、砂巖[12-15]、灰?guī)r[15-17]、泥巖[17-18]?;鸪蓭r較少,如花崗巖[20]。就目前試驗(yàn)研究報(bào)道,可以把巖石損傷過(guò)程中滲透性變化大致分為4類(lèi),如圖1-圖4。試驗(yàn)都是在常規(guī)三軸試驗(yàn)過(guò)程中,測(cè)量試件軸向的滲透系數(shù),只是一個(gè)方向的滲透性。

圖1 滲透類(lèi)型1

圖2 滲透類(lèi)型2

圖3 滲透類(lèi)型3

圖4 滲透類(lèi)型4

目前試驗(yàn)中觀察到的絕大部分是圖1所示類(lèi)型。大致可以分為5個(gè)階段[1,20-23]。在第1階段,巖石原有的微孔隙、裂隙被壓密,滲透性降低。在彈性階段微孔隙、裂隙繼續(xù)被壓縮,滲透性進(jìn)一步減小。隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增加,巖石微裂隙開(kāi)始擴(kuò)展,滲透性開(kāi)始增加。隨著微裂隙的相互貫通,滲透性急劇增大。不同種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、圍壓的巖石在到達(dá)峰值以后階段存在一定的差異,有的滲透性緩慢地增加,有的基本不變,有的下降后趨于不變。一般地在軟化階段,巖石的變形存在兩種傾向,一方面,還有部分裂紋繼續(xù)擴(kuò)展,另一方面,一部分裂紋由于承載面積的降低,裂紋面有效應(yīng)力增加,發(fā)生閉合。同時(shí)軸向應(yīng)力減小,某些部分開(kāi)始回彈,也造成裂紋閉合。前一種方式增加滲透性,后一種方式降低滲透性。占主導(dǎo)的傾向決定了滲透性的發(fā)展。因此一般在軟化階段滲透性先增加,后降低。到了殘余強(qiáng)度階段,裂隙面滑移摩擦,剪斷了部分突起,使?jié)B透性有所降低,到一定程度后滲透性趨于平穩(wěn)。滲透峰值滯后于應(yīng)力峰值,滲透峰值大部分在應(yīng)變軟化階段,少部分接近應(yīng)力峰值,還有些到流動(dòng)段還在緩慢增加,但有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。這種類(lèi)型主要出現(xiàn)在孔隙不太大、脆性的巖石,如砂巖[1,21,24-25]、灰 巖[1,18,26]、花 崗巖[19]、煤巖[9,20]、硬質(zhì)泥巖[23,27]。如果巖石特別脆,滲透性開(kāi)始基本不變,接近峰值應(yīng)力才開(kāi)始明顯增加,而且增加很劇烈,在較小的應(yīng)變范圍內(nèi)達(dá)到滲透性峰值。如果孔隙度不是特別低,且脆性稍微弱點(diǎn)的,如砂巖類(lèi),大多在彈性階段滲透性就開(kāi)始呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì),要在更大的應(yīng)變范圍內(nèi)達(dá)到滲透峰值。巖石峰后滲透性的升降很復(fù)雜。一般流動(dòng)段滲透性繼續(xù)有所增加的現(xiàn)象出現(xiàn)在脆性強(qiáng)巖石的試驗(yàn)中,但圍壓增加也會(huì)使峰后滲透性降低[19,28]。圍壓的增大甚至使某些較軟的巖石全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程滲透性只是在很小的范圍波動(dòng)[28]。含泥質(zhì)巖類(lèi)大多到達(dá)滲透峰值后趨于平穩(wěn)或有所降低,沒(méi)見(jiàn)到滲透性峰后一直增加的現(xiàn)象。

圖2所示類(lèi)型出現(xiàn)在某些高孔隙度軟巖的試驗(yàn)中,整個(gè)變形過(guò)程中孔隙一直壓縮,由于微裂隙不發(fā)育或粘土礦物水化膨脹、使微裂隙開(kāi)度減小,微裂隙對(duì)滲透性沒(méi)有太多的影響[29]。另外據(jù)Zhu[30]等人的研究,對(duì)于孔隙度大于15%的巖石,無(wú)論其是脆性破壞還是破碎流動(dòng)破壞,滲透性都一直減小。當(dāng)脆性破壞時(shí),應(yīng)力峰值后發(fā)生剪脹,孔隙率增加,但是滲透性還是減小。圖3所示類(lèi)型出現(xiàn)在某些泥巖[31]、煤巖[32]等顆粒較細(xì),塑性的巖石,一般隨軸向應(yīng)變?cè)黾?,?yīng)力增加,且增加越來(lái)越緩慢,趨于某一極限值,不存在軟化現(xiàn)象。滲透性在彈性階段有所降低,而后發(fā)生體積剪脹,滲透性增加,滲透性也趨于某一極限值。這樣的一般滲透性變化范圍不大。圖4所示類(lèi)型出現(xiàn)在高孔隙度的細(xì)顆粒脆性巖石,如溶蝕發(fā)育的灰?guī)r[17,25,33-34]、砂巖[31]。 本身滲透性較大,彈性階段少量的微裂隙即連通了大的孔隙,使?jié)B透性明顯增加。進(jìn)入塑性階段后,大的孔隙被剪斷、塌縮,滲透性反而減小,滲透性峰值一般出現(xiàn)在應(yīng)力峰值前。

上面的滲透性類(lèi)型,只是依據(jù)目前報(bào)道的常見(jiàn)圍壓條件下的結(jié)果進(jìn)行的劃分。當(dāng)圍壓發(fā)生改變時(shí),巖石會(huì)從劈裂破壞、剪切破壞到延性破壞的轉(zhuǎn)變。其滲透性類(lèi)型很可能不止上面的4種,這需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

2 巖石損傷過(guò)程中滲透性變化幅度

一般人們認(rèn)為巖石破壞后滲透性會(huì)有較大的變化,但是到底有多大的改變,卻沒(méi)有具體的量化研究。根據(jù)上面對(duì)巖石損傷過(guò)程中滲透性的分類(lèi)可以看出,并不是所有巖石破壞后滲透性增大。整理了目前巖石破壞過(guò)程中滲透性的試驗(yàn)結(jié)果,為回答和深化此問(wèn)題提供了依據(jù)。表1整理了目前所見(jiàn)不同巖石全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中滲透性的變化范圍。試驗(yàn)都是在室溫條件下,常規(guī)三軸試驗(yàn)中獲得的。試驗(yàn)過(guò)程中保持圍壓一直不變,當(dāng)軸向加載到某一應(yīng)變后,固定軸向位移,測(cè)量軸向的滲透系數(shù)。

表1 滲透 變化倍數(shù)[9-29,31-49]

表1中的試驗(yàn)圍壓最大達(dá)到40MPa,90%以上是在1~10MPa之間。雖然試驗(yàn)數(shù)據(jù)很零散,同一種巖石同種條件下滲透性差別很大。如文[47]中6 MPa時(shí)花崗巖峰值滲透性?xún)蓚€(gè)試件相差3倍。但我們?nèi)匀荒艿贸鲆恍┯幸娴慕Y(jié)論。85.9%的巖石試樣巖石全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中滲透性的變化范圍不超過(guò)100倍,97%的滲透性變化不超過(guò)1 000倍。一般比較軟的巖石滲透性變化范圍比較小,脆性巖石滲透性變化范圍較大。如泥巖近一半滲透性變化在10倍以?xún)?nèi),80%在30倍以?xún)?nèi)。砂巖63%的變化范圍在20倍以?xún)?nèi),其中泥質(zhì)砂巖變化范圍比較小,中砂巖變化范圍比較大。

圖5 砂巖圍壓與滲透性變化

圖5中去掉了4個(gè)滲透性變化大于700倍的點(diǎn)。雖然細(xì)看起來(lái)點(diǎn)分布比較凌亂,但是總體上有圍壓越高滲透性變化范圍越小的趨勢(shì)。對(duì)于其他種類(lèi)的巖石這種圖表更加凌亂,可見(jiàn)影響巖石破損過(guò)程中滲透性變化的因素很多,很復(fù)雜。

李玉壽[17]對(duì)煤系地層巖石100塊試件,每種巖石10-20個(gè)試件的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)來(lái)看,每種巖石的滲透性變異很大,變異系數(shù)大多在0.65以上。從平均的滲透性上下限比值來(lái)看,泥巖5.1倍,礫巖12.8倍,砂質(zhì)頁(yè)巖7.41倍,石灰?guī)r127.2倍,粗砂巖22.3倍,中砂巖23.3倍,細(xì)砂巖48.8倍。與我們統(tǒng)計(jì)的結(jié)果是基本符合的。

3 圍壓對(duì)滲透性的影響

由于圍壓限制了巖石的側(cè)向變形,減小了孔隙度,限制了裂隙擴(kuò)展及寬度,一般來(lái)說(shuō)隨著圍壓的增大,滲透性降低。目前峰值前圍壓對(duì)滲透性的影響試驗(yàn)研究比較多,得出的結(jié)論也基本一致。但是這些試驗(yàn)主要是在應(yīng)力峰值前。針對(duì)于峰值應(yīng)力后的試驗(yàn)較少[13]。圍壓不僅是類(lèi)似于影響裂隙巖體滲透性那樣影響峰后裂隙的開(kāi)度從而影響其滲透性,同時(shí)也影響巖石破壞方式。對(duì)滲透性的影響可能比峰值前復(fù)雜。

目前研究圍壓對(duì)滲透性的影響大部分都是按照當(dāng)軸向位移加載到一定值后,固定軸向位移或軸壓,加卸載圍壓,研究圍壓加卸載過(guò)程對(duì)滲透性的影響這種方式進(jìn)行的。人們目前對(duì)應(yīng)力峰值前滲透性與圍壓的關(guān)系做的試驗(yàn)研究較多,得出的結(jié)果是滲透性隨圍壓的增加而降低,而且降低的速度越來(lái)越小,最后趨于某一個(gè)穩(wěn)定值[51-55]。對(duì)于滲透性與圍壓的關(guān)系,研究者中有用冪函數(shù)擬合的[56-57],有用指數(shù)函數(shù)擬合的[25,58-59]。滲透性減小對(duì)圍壓的敏感性性與巖石的成巖程度、孔隙大小、裂隙密度等因素相關(guān)。成巖程度低、膠結(jié)程度弱的更加敏感[48,60]。相對(duì)于孔隙,裂隙受壓更容易變形。劉建軍[54]對(duì)低滲透性巖石的試驗(yàn)得出裂隙性巖心應(yīng)力敏感性低于基質(zhì)性巖心的結(jié)論。裂隙性巖心孔隙度降低13%,滲透性降低80%,而基質(zhì)性巖心孔隙率降低3%,滲透性降低60%。

一般來(lái)說(shuō)卸載圍壓后,巖石滲透性有所恢復(fù),但不是完全恢復(fù)到原來(lái)的值[50,56-57,52-54]。李相臣[53]對(duì)煤巖卸圍壓時(shí)滲透性只能恢復(fù)25%~35%。賀玉龍[58]對(duì)砂巖和花崗巖裂隙進(jìn)行了試驗(yàn),花崗巖卸載圍壓滲透性恢復(fù)很少,滲透性喪失98%,砂巖喪失35%。徐德敏[52]對(duì)蝕變巖的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雖然軸向位移恢復(fù),但是滲透性沒(méi)有恢復(fù)。

當(dāng)巖石軸壓接近峰值強(qiáng)度時(shí),卸載圍壓會(huì)造成巖石的破壞,滲透性變化又與卸載不造成巖石破壞時(shí)有所不同。梁寧慧[61]對(duì)風(fēng)化砂巖在接近破壞狀態(tài)進(jìn)行卸圍壓試驗(yàn),當(dāng)卸載位移接近最大卸載位移80%時(shí),滲透性急劇增加。且隨孔隙壓力增加,滲透性增加,破壞過(guò)程中滲透性增加更大。破壞后滲透性增加8-12倍。

李小琴[13]對(duì)砂巖進(jìn)行了峰后卸除圍壓的試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)滲透性隨圍壓的減小,先增加,而后減小。但是試驗(yàn)的最后一個(gè)點(diǎn)是孔隙壓力從3MPa減小到1.8MPa的結(jié)果,而前面的點(diǎn)都是在3MPa的孔隙壓力下進(jìn)行的。按照有效應(yīng)力原理,相當(dāng)于有效圍壓增大。因此試驗(yàn)的最后一個(gè)點(diǎn)是要去掉的。這樣,四塊試樣中兩塊的結(jié)果是滲透性隨圍壓的減小而增加(繼續(xù)減小圍壓,滲透性是否減???),另外兩巖塊的試驗(yàn)結(jié)果是滲透性先增加,而后減小。滲透性的減小說(shuō)明峰后有裂隙繼續(xù)在擴(kuò)展,降低了側(cè)向剛度。如果試驗(yàn)?zāi)茏寚鷫航档胶艿?,是否能得出這種滲透性先增加后減小的現(xiàn)象具有普遍規(guī)律,還是只有部分適合?到了流動(dòng)階段降低圍壓,滲透性又會(huì)怎么樣?這時(shí)圍壓是不是僅僅像圍壓對(duì)裂隙滲透性那樣只是影響裂隙開(kāi)度?這些需要試驗(yàn)的進(jìn)一步研究。

研究圍壓對(duì)滲透性的影響主要采用巖石發(fā)展到某一階段后固定軸位移或向軸壓,加載卸載圍壓的方式進(jìn)行的。對(duì)于同種巖石,各項(xiàng)參數(shù)接近的情況下,不同圍壓對(duì)全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的影響研究較少。由于巖石各項(xiàng)參數(shù)離散性一般較大,各種因素都可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成很大的影響。要想獲得可靠的試驗(yàn)結(jié)果,必須保證選取的試樣各種參數(shù)接近。這種情況下巖石的破壞模式可能發(fā)生根本性的變化,滲透性也可能發(fā)生很大的改變[35]。陳宏敏[21]對(duì)不同圍壓下砂巖的CO2氣體滲流試驗(yàn)、尹志光[32]對(duì)煤巖進(jìn)行的瓦斯?jié)B流試驗(yàn)表明,圍壓越大,滲透性峰值越小,滲透性變化范圍越小。

4 影響滲透性變化特征的因素

巖石的滲透性與巖石的孔隙和裂隙直接相關(guān)??紫督Y(jié)構(gòu)、裂隙密度、方向、尺度、連通度以及孔隙與裂隙的關(guān)系決定著巖石的滲透性。能引起這些參數(shù)發(fā)展的條件都成為影響巖石滲透性變化的因素。研究者在研究巖石滲透性演化的方程式時(shí)多用指數(shù)[35]、對(duì)數(shù)函數(shù)[25]、多項(xiàng)式[20,44]進(jìn)行擬合。從數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō),一般各種函數(shù)都能用多項(xiàng)式來(lái)逼近,但是不一定能反映其物理本質(zhì)。這些擬合一般只是在巖石發(fā)展的某一階段比較適合。因此有些研究者對(duì)巖石滲透性的不同發(fā)展階段進(jìn)行分段擬合[13,22,24]。這是因?yàn)樵诓煌l(fā)展階段巖石的孔隙、裂隙特征發(fā)生了根本性的改變。這種擬合一般來(lái)說(shuō)不具有普遍性。巖石孔隙、裂隙的發(fā)展是巖石內(nèi)因、外因共同作用決定的。

巖石孔隙裂隙的變化宏觀上來(lái)說(shuō)表現(xiàn)為巖石的變形。這也是為什么一些與巖石側(cè)向變形或者體積應(yīng)變擬合的結(jié)果在某些階段比較好。而影響巖石變形的外因是應(yīng)力,因此很多研究者利用圍壓[25]、軸向變形[20]、平均應(yīng)力[59]、平均有效應(yīng)力[62]進(jìn)行滲透性演化方程的擬合。徐德敏[52]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)軸壓與圍壓相差5MPa對(duì)滲透性影響不大,可見(jiàn)在軸壓造成巖石較大損傷以前,軸壓并沒(méi)有圍壓對(duì)滲透性敏感。這是因?yàn)樵谌S試驗(yàn)條件下,決定巖石軸向滲透性的主要是裂隙、孔隙的側(cè)向尺寸及其連通情況,而圍壓對(duì)其影響更大。一般滲透性隨圍壓、平均應(yīng)力、有效平均應(yīng)力的增加而減小進(jìn)而趨于某個(gè)穩(wěn)定值,這在前面已經(jīng)詳細(xì)論述過(guò)。滲透性隨體積應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變的增加而增加。巖石孔隙壓力也能影響孔隙裂隙的變形。滲透性演化方程應(yīng)該考慮孔隙壓力的影響。有效應(yīng)力代替應(yīng)力應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)更好的選擇。朱珍德[47]對(duì)花崗巖的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)10MPa圍壓、9 MPa孔隙壓力比6MPa圍壓、5.8MPa孔隙壓力時(shí)滲透性大,花崗巖和灰?guī)r大約為后者的5倍以上。何偉鋼[63]對(duì)多個(gè)礦區(qū)煤層實(shí)測(cè)滲透率與最小主應(yīng)力成冪指數(shù)關(guān)系,而與有效應(yīng)力相關(guān)性更強(qiáng)??堤旌蟍64]對(duì)18個(gè)煤礦主采煤層巖樣的滲流試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出滲透性隨體積應(yīng)力增加呈負(fù)指數(shù)降低,隨孔隙水壓呈正指數(shù)增加。這些結(jié)果證明了這一點(diǎn)。

從內(nèi)因來(lái)說(shuō)巖石的孔隙度及孔隙結(jié)構(gòu)、巖石的裂隙特征、巖石的脆性、塑性、巖石顆粒的大小都影響巖石損傷過(guò)程中的滲透性??紫抖却笄掖嘈圆皇呛軓?qiáng)的巖石,滲透性主要由孔隙滲流決定。變形過(guò)程中孔隙壓縮變形、塌陷,因此滲透性一直減小??紫抖却蟮^脆的巖石,開(kāi)始滲透性主要由孔隙決定,隨變形發(fā)展,微裂隙產(chǎn)生,微裂隙貫通了孔隙,滲透性增大很快。但而后孔隙塌陷,滲透性減小??紫抖炔皇翘貏e大,而且孔隙尺寸較小,脆性不是特別強(qiáng)的巖石,如砂巖,開(kāi)始主要發(fā)生孔隙滲流,隨孔隙裂隙的壓縮,滲透性減小。還在彈性階段,少量的微裂隙擴(kuò)展就使?jié)B透性開(kāi)始明顯增加。而脆性較好的低孔隙巖石如石灰?guī)r、花崗巖等,接近峰值才開(kāi)始明顯的滲透性增加。對(duì)于孔隙不太低,顆粒比較小的軟巖,巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線沒(méi)有軟化段,開(kāi)始隨著巖石的壓縮,滲透性減小。而后隨著剪脹,滲透性增加,微裂隙對(duì)滲透性影響不大,到了塑性階段滲透性趨于平穩(wěn),滲透性沒(méi)有降低。當(dāng)孔隙與裂隙的作用不存在哪一方明顯占優(yōu)時(shí),應(yīng)力作用下孔隙與微裂隙的不同發(fā)展使巖石滲透性演化復(fù)雜化。劉彩平[65]對(duì)紅砂巖進(jìn)行全應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn),總體來(lái)說(shuō)滲透性隨軸向應(yīng)變減小。但出現(xiàn)了峰值前滲透性有先增加的現(xiàn)象。這是因?yàn)殡m然該實(shí)驗(yàn)中主要是孔隙控制滲透性,但是峰值前產(chǎn)生的裂隙還有很大的影響,還不能完全忽略。

另外巖體其他物理、化學(xué)性質(zhì)等內(nèi)因也影響巖石的滲透性發(fā)展。如張守良[66]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在孔隙壓差大時(shí)滲透性隨壓差增加而減小,在孔隙壓差小時(shí)滲透性增加。這是因?yàn)楦咚俚乃魇辜?xì)顆粒流動(dòng)堵塞了孔隙。同時(shí)發(fā)現(xiàn)疏松的弱膠結(jié)砂巖在峰值前滲透性一直隨軸向應(yīng)力減小,而中等膠結(jié)砂巖在接近峰值時(shí)開(kāi)始增大。有些巖石遇水發(fā)生膨脹,造成孔隙裂隙的堵塞也影響滲透性。張傳鳳[26]對(duì)碳酸巖鹽的試驗(yàn)中,含石膏的巖石由于石膏吸水膨脹而是破壞后滲透性急劇降低,破壞過(guò)程中滲透性起伏很大。

5 損傷過(guò)程中的非達(dá)西流

對(duì)于低滲透性的完整巖石塊體,存在低速非達(dá)西流的現(xiàn)象。當(dāng)巖石破壞后,滲透性增加,相同水力梯度情況下,滲透水流速度較大,雷諾數(shù)較大,可能出現(xiàn)雷諾數(shù)超過(guò)達(dá)西定律實(shí)用范圍的現(xiàn)象。有文獻(xiàn)[41,67-68]報(bào)道巖石破壞前后達(dá)西定律都不適用。對(duì)于致密的完整巖石,低速非達(dá)西流有比較公認(rèn)的結(jié)論。巖石破壞后是否總是非達(dá)西流,值得商榷。巖石峰后滲流試驗(yàn),改變水力梯度的時(shí)候,往往也改變了裂隙水壓力,在圍壓一定的情況下,有效圍壓也就改變了,這意味著實(shí)際上是在不同裂隙開(kāi)度的情況下進(jìn)行的試驗(yàn),不符合達(dá)西定律一點(diǎn)也不奇怪。如果是保持側(cè)向位移不變,而不是圍壓不變,結(jié)果可能就不一樣的。當(dāng)然,當(dāng)圍壓較小時(shí),破壞后巖石裂隙開(kāi)度較大,出現(xiàn)高速非達(dá)西流也是可能的。在圍壓較高的情況下,破壞后裂隙較小,滲透性可能是符合達(dá)西定律的。

孫明貴[41]等研究者認(rèn)為巖石峰后的非達(dá)西流可能出現(xiàn)滲流失穩(wěn)。但我們必須區(qū)分滲流失穩(wěn)與滲流作用下整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。滲流作用下巖體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn),應(yīng)該說(shuō)是結(jié)構(gòu)受到滲透力及其他荷載共同作用下的失穩(wěn),滲流失穩(wěn)不一定造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。在室內(nèi)進(jìn)行全應(yīng)力應(yīng)變滲流試驗(yàn)時(shí),由于受到圍壓及上下加載頭的限制,在位移控制加載的情況下,是不可能失穩(wěn)的。這也是為什么在試驗(yàn)室情況下即使發(fā)現(xiàn)非達(dá)西滲流,而且非達(dá)西因子出現(xiàn)負(fù)值也沒(méi)有發(fā)生失穩(wěn)的原因[68-69]。在野外發(fā)生失穩(wěn)是由于實(shí)際過(guò)程不是位移控制加載,而且圍壓很低。

6 問(wèn)題與討論

目前進(jìn)行了不少巖石損傷過(guò)程中的滲透性試驗(yàn),取得了大量的成果。由于巖石損傷過(guò)程中滲透性的變化是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題,還存在很多的問(wèn)題值得繼續(xù)深入研究。

1)目前中國(guó)的試驗(yàn)研究還不夠系統(tǒng)、完整。發(fā)表的試驗(yàn)成果往往提供的數(shù)據(jù)不夠充分,如提供體積應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變的結(jié)果很少。很少有系統(tǒng)研究各個(gè)影響因素單獨(dú)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響??蓪?duì)比性的試驗(yàn)結(jié)果較少。往往造成試驗(yàn)結(jié)果差別的因素很多,造成分析的困難。

2)室內(nèi)試驗(yàn)與實(shí)際工程的差別。目前的試驗(yàn)研究是在小試件上進(jìn)行的,要應(yīng)用的實(shí)際過(guò)程中存在尺度效應(yīng)。試驗(yàn)上研究這個(gè)問(wèn)題非常困難。目前滲透性試驗(yàn)中無(wú)論是瞬態(tài)法還是穩(wěn)態(tài)法,水力梯度都特別大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)際工程中的水力梯度,試驗(yàn)結(jié)果能否適用于實(shí)際情況,值得研究。實(shí)際工程中巖石破壞的圍壓可能比較小,破壞過(guò)程中存在圍壓卸載,不是試驗(yàn)中的圍壓保持不變,巖石大尺度的破裂滑動(dòng)可能造成比小尺寸室內(nèi)試驗(yàn)更大的裂隙開(kāi)度,滲透性變化可能比室內(nèi)試驗(yàn)滲透性更大。

3)滲透性變化的不同應(yīng)力路徑、時(shí)間因素、各向異性。巖石破損造成的是滲透的各向異性,目前的試驗(yàn)只能測(cè)量一個(gè)方向的滲透性。巖石破裂可能是在拉應(yīng)力作用下發(fā)生的,而這方面還沒(méi)有見(jiàn)到試驗(yàn)。實(shí)際巖體破壞存在時(shí)間因素,目前考慮巖體蠕變破壞下的滲透性變化研究很難見(jiàn)到。

4)峰值后復(fù)雜的滲透特性。目前的滲透性變化的數(shù)學(xué)模型基本是在應(yīng)力峰值前,對(duì)于峰值后還沒(méi)有很好的模型。巖石滲透性發(fā)展極其復(fù)雜,Zhu[30]等人發(fā)現(xiàn)高孔隙度的巖石脆性破壞時(shí)雖然孔隙度增加,但是滲透性減小。對(duì)于低孔隙度的巖石峰值后也往往出現(xiàn)滲透性有所降低的現(xiàn)象。這些都沒(méi)有得到很好的解釋。只有從巖石破壞過(guò)程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化來(lái)分析才可能研究清楚。目前巖石損傷時(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)與滲透性演化的結(jié)合還不夠。Heiland[70]等對(duì)低孔隙度砂巖的試驗(yàn)后指出峰后滲透性的降低與剪切帶的形成相關(guān),在偏光鏡中觀察到剪切帶中巖石糜棱化,滲透性應(yīng)該很低。筆者也曾觀察到飽水砂巖三軸破壞后剪切帶中出現(xiàn)大量近似泥質(zhì)的微細(xì)顆粒。因此巖石脆性破壞峰后滲透性有所降低與剪切帶中出現(xiàn)低滲透性介質(zhì)密切相關(guān)。

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