宋偉杰 陳海濤 鄧美旭 杜貽騰
(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)
巖石微裂隙滲流特性研究的新進(jìn)展
宋偉杰 陳海濤 鄧美旭 杜貽騰
(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)
對(duì)國(guó)內(nèi)外巖石微裂隙滲流特性的最新研究成果進(jìn)行綜述,并分析討論相關(guān)微裂隙結(jié)論的適用性與可靠性。分析表明:在微裂隙滲流特性研究中,力學(xué)開度、節(jié)理粗糙度系數(shù)等參數(shù)的有效確定對(duì)于理論研究、實(shí)驗(yàn)開展以及數(shù)值模擬方面起到了至關(guān)重要的作用,微裂隙的試驗(yàn)研究還處于探索階段,高精度的測(cè)量?jī)x器在裂隙領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用研究還有待加強(qiáng),本文的結(jié)論也為微裂隙滲流特性的研究提供了一定的借鑒和方向。
巖石力學(xué);微裂隙;力學(xué)開度;滲流特性;綜述
在深部地下工程中,沖擊地壓、圍巖大變形、突水等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生,究其原因,其發(fā)生的共同條件均是由于圍巖內(nèi)部的微小裂隙發(fā)展直至貫通而引發(fā)的。巖體內(nèi)由于裂隙而產(chǎn)生的缺陷,使得巖體的滲流特性發(fā)生嚴(yán)重變化。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)裂隙的深入研究,發(fā)現(xiàn)在深部礦井中,微裂隙在高壓水條件下有著極好的透水性,并且無(wú)法通過(guò)注漿技術(shù)解決,這嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)。因此,對(duì)巖石微裂隙滲流特性開展研究,具有很重要的實(shí)際意義[1]。
裂隙主要是由于構(gòu)造變動(dòng)和風(fēng)化所形成,這里所指的微裂隙張開寬度是在0.1~10μm之間,當(dāng)然,目前而言,國(guó)內(nèi)外對(duì)于巖石裂隙滲流特性的研究尚未達(dá)到深入階段。微裂隙作為裂隙的一個(gè)分支,對(duì)其相關(guān)的研究相對(duì)較少,因此,開展對(duì)巖石微裂隙滲流特性的研究勢(shì)在必行。本文旨在通過(guò)對(duì)微裂隙的水力學(xué)性質(zhì),滲流特性理論及實(shí)驗(yàn)方面的進(jìn)展進(jìn)行分析,以期為微裂隙滲流特性變化規(guī)律的進(jìn)一步探索提供依據(jù)。
2.1 微裂隙的開度
裂隙的開度包括力學(xué)開度和水力等效開度[2]。力學(xué)力度是指裂隙在幾何上測(cè)量到的開度,其定義通常等同于均值開度,水力等效開度是指通過(guò)滲流計(jì)算分析得到的且符合立方定律的裂隙開度。
由于水力等效開度需通過(guò)實(shí)驗(yàn)由立方定律計(jì)算獲取,受實(shí)驗(yàn)條件、方法影響較大,故此處重點(diǎn)對(duì)微裂隙的力學(xué)開度開展討論。
與裂隙不同的是微裂隙的力學(xué)開度是處于微米級(jí)的,由力學(xué)開度定義可知,其是由物理方法測(cè)量出來(lái)的,因此如何采用行之有效的方法對(duì)微裂隙開度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量是至關(guān)重要的,目前主要采用的是核磁共振和CT掃描這兩種方法來(lái)對(duì)為裂隙的力學(xué)開度進(jìn)行描述。
核磁共振在醫(yī)學(xué)診斷、石油勘探等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用,具有無(wú)損、快速檢測(cè)的顯著特點(diǎn),使其在巖石物理檢測(cè)中發(fā)揮著重要作用,通過(guò)核磁共振可以對(duì)巖石試件的微裂隙開度、粗糙度、滲透率、接觸面積等重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè),有效解決了微裂隙力學(xué)開度難以檢測(cè)的技術(shù)瓶頸。其中趙杰等[3]通過(guò)核磁共振技術(shù)對(duì)巖石的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,獲得了轉(zhuǎn)換模型系數(shù)與孔滲比之間的關(guān)系;潘一山等[4]利用核磁共振技術(shù)對(duì)煤體的裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè),得到了煤樣主裂隙的分布情況??梢?jiàn)核磁共振技術(shù)在巖石微裂隙的檢測(cè)方面已初步得到了較好的應(yīng)用。
CT掃描技術(shù)同核磁共振類似,可以無(wú)損快速對(duì)巖石試樣的開度進(jìn)行檢測(cè)。但CT掃描技術(shù)的精度相對(duì)較低,一般可以達(dá)到微米級(jí),核磁共振可以達(dá)到納米級(jí),CT在具有一定局限性的同時(shí)也具有著針對(duì)性,使實(shí)驗(yàn)更加快速高效地完成。其中,Verhelst F.通過(guò)CT掃描技術(shù)對(duì)巖樣的微裂紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析;葛修潤(rùn)等在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下,通過(guò)CT對(duì)巖石裂隙細(xì)觀擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描??梢?jiàn)CT掃描技術(shù)已在巖石微裂隙的檢測(cè)中發(fā)揮著重要作用。
2.2 微裂隙的粗糙度
目前,對(duì)于微裂隙粗糙度的評(píng)價(jià)體系尚不完善,主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)為:節(jié)理粗糙度系數(shù)(JRC)、分?jǐn)?shù)維(D)和裂隙面起伏差等[5],由于 JRC與裂隙的力學(xué)特征聯(lián)系密切,故其被廣泛采納,現(xiàn)主要對(duì)JCR進(jìn)行介紹。
JRC是巖石節(jié)理表面幾何形態(tài)的定量描述參數(shù),其對(duì)微裂隙滲流特性具有重要影響。
JRC的確定方法主要有兩種:一種是剪切實(shí)驗(yàn)法;另一種是對(duì)比法。當(dāng)然這兩種方法就不能精確確定裂隙的JRC。1977年N.Barton和V.Choubey[6]提出了劃分為10個(gè)等級(jí)的典型粗糙度剖面圖,所以現(xiàn)有的試驗(yàn)方法都是在此基礎(chǔ)上人為制作的裂隙,對(duì)于天然或未知的裂隙形態(tài)尚無(wú)法有效去獲得精確的JRC值。
由于巖石裂隙的差異性與復(fù)雜性,最早的室內(nèi)試驗(yàn)是采用兩塊光滑的平行板代表裂隙來(lái)開展研究的。最具代表性的是1951年M. Ломизе等[7]提出的立方定理,即通過(guò)裂隙的流量與隙寬三次方成比例,然而在實(shí)際情況當(dāng)中,裂隙表面很少是光滑的,因此許多學(xué)者越來(lái)越關(guān)注粗糙裂隙的試驗(yàn)研究,在立方定理的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正,主要還是集中在因粗糙度引起的裂隙過(guò)流能力的研究上,為解決粗糙度造成的偏差,TSANG Y W等提出了采用一個(gè)調(diào)整參數(shù)去解決并得到了很好的驗(yàn)證。隨著滲流實(shí)驗(yàn)的不斷深入,Barton等學(xué)者發(fā)現(xiàn)通過(guò)裂隙的流量與隙寬不是三次方的關(guān)系,隙寬指數(shù)n遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3,而Lomize等學(xué)者則通過(guò)紊流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了隙寬指數(shù)n小于3的情況。目前,天然粗糙裂隙滲流的基本規(guī)律還沒(méi)有得到完全統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),對(duì)于滲流量與隙寬之間明顯存在3種不同的關(guān)系,許光祥[8]將其歸納為:立方定律、超立方定律和次立方定律。
對(duì)于水力學(xué)開度和力學(xué)開度的關(guān)系,許多學(xué)者進(jìn)行了廣泛的探討,目前認(rèn)可度較高的是Y. W. Tsang和P. A. Witherspoon[9]在釘床模型和洞穴模型的基礎(chǔ)上提出的洞穴 凸起結(jié)合模型,當(dāng)然所有模型建立的前提都依賴于對(duì)節(jié)理粗糙度系數(shù)(JRC)的確定,因此對(duì)于JRC的確定顯得尤為重要。
就目前而言,微裂隙的粗糙度并未有引起廣泛的關(guān)注,在此作者認(rèn)為,微裂隙由于其力學(xué)開度的局限性,其JRC也勢(shì)必具有其獨(dú)特之處,大量工程實(shí)踐表明,深部地下工程中微裂隙的JRC值不會(huì)超過(guò)8。
由于巖石微裂隙滲流特性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)于巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系、物質(zhì)組成及缺陷狀況的高精度要求,可進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)的儀器極為有限,而且核磁共振和CT掃描技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域起步較晚,目前該方面的相關(guān)實(shí)驗(yàn)并不是很完善,相關(guān)核磁共振理論以及CT掃描的精度還有待進(jìn)一步探究。
其中潘一山等利用核磁共振成像技術(shù)獲取水飽和煤樣的核磁共振圖像,觀察研究煤樣的主裂隙及水在煤樣流體通道中的流動(dòng)情況;謝和平等借助CT掃描獲得單軸壓縮破壞過(guò)程中巖石材料內(nèi)部的密度分布信息和統(tǒng)計(jì)特征,通過(guò)統(tǒng)計(jì)密度變化特征和分形指標(biāo)描述研究微裂隙的演化行為??梢?jiàn)微裂隙滲流特性實(shí)驗(yàn)在高精密儀器的輔助下是可以很好地實(shí)現(xiàn)。
巖石微裂隙滲流特性研究還處于探索階段,現(xiàn)有的相關(guān)成果均是建立在大量的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)之上,通過(guò)理論推導(dǎo)以及數(shù)值模擬加以驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行分析,可得出結(jié)論如下:
(1)微裂隙的力學(xué)開度在 0.1~10μm之間,這決定了其力學(xué)開度的測(cè)量依賴于高精密檢測(cè)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn);
(2)微裂隙的粗糙度的評(píng)價(jià)體系尚不健全,通過(guò)現(xiàn)有的方法尚無(wú)法精確獲取微裂隙的JRC值,大量工程實(shí)踐表明,微裂隙的JRC值在0~8之間。
(3)微裂隙滲流特性理論在立方定律的基礎(chǔ)上不斷得到完善和發(fā)展,在水力學(xué)開度和力學(xué)開度的關(guān)系方面取得了一定的進(jìn)展,但均需對(duì)節(jié)理粗糙度系數(shù)(JRC)進(jìn)行確定;
(4)大量實(shí)驗(yàn)表明,微裂隙滲流特性實(shí)驗(yàn)在核磁共振以及CT掃描技術(shù)等高精密儀器的輔助下是可以很好地實(shí)現(xiàn)。
[1]謝和平,PARISEAU W G. 巖石節(jié)理粗糙系數(shù)(JRC)的分形估計(jì)[J].中國(guó)科學(xué)(B輯),1994,24(5):524-530.
[2]蔣宇靜,李博,王剛,等. 巖石裂隙滲流特性試驗(yàn)研究的新進(jìn)展[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27:2377-2386.
[3]趙杰,姜亦忠,王偉男,等.用核磁共振技術(shù)確定巖石孔隙結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 測(cè)井技術(shù),2003,(03):185-188+265.
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