（地质工程专业论文）不同jrc单裂隙渗流特征的试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 裂隙岩体的水力学特性对岩土工程活动产生重要影响，如地下洞室开 挖的涌突水，大坝坝基修建，石油、地热开采，化学物品、核废料的埋藏， 矿井设计等，都不可避免地涉及到裂隙水运动的问题。目前，对裂隙岩体 渗流特性的研究，基于平行板模型导出的立方定律已广为岩土工程界所接 受，许多学者进一步对立方定律的有效性做了大量研究，通过隙宽和粗糙 度对立方定理进行修正。由于隙宽和粗糙度的工程现场不易获得，其推广 应用也受到局限。因此本文提出用j r c 来表征裂隙渗透规律，用试验方法 研究j r c 对裂隙渗流一应力耦合的影响。 本试验基于平行板模型理论，类比前学者试验方案，提出运用石油部 门的r c c p 联测系统测试不同j r c 裂隙在不同应力下的渗透性。试样的制 备首先根据b a r t o n 提出的十条j r c 标准剖面轮廓曲线，运用数控电火花线 切割技术加工出j r c 模板，然后用水泥浇注并钻取出十组圆柱形含有不同 j r c 裂隙的试样。试验模拟各种粗糙度下的裂隙，更接近实际工程，所测 参数在工程现场易于得到，研究成果更具有实用性和推广性。 分析试验结果，主要得出以下三点结论： ( 1 ) 单裂隙的渗透率随有效应力增大呈负指数减小，表现出明显的非 线性特征，低有效应力阶段试样渗透率随有效应力改变的变化速度大于高 有效应力阶段。j r c 对单裂隙的渗透率随有效应力增大呈负指数规律减少 影响很小。 ( 2 ) 在中低有效应力状态，有效应力相同条件下，单裂隙渗透率有随 j r c 增大而减小的趋势，但规律性不是很强，出现较多往复现象，离散性 较大，表明j r c 对裂隙渗透性影响不是很大。 ( 3 ) 随有效应力增大( 不使岩体产生破坏的应力条件下) ，裂隙岩体 逐渐趋于完整岩体，j r c 对裂隙渗透率影响减小。 关键词：j r c ：单裂隙；水力耦合；试验研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t h y d r a u ii cb e h a v i o ri nfr a c t u r e dr o c kh a sa ni m p o r t a n te f f e c to n g e o t e c h n i c a ie n g i n e e r i n g s u c ha sw a t e r g r u s h i n g i ne x c a v a t i o no f u n d e r g r o u n dc h a m b e r sa n dt u n n e is c o n s t r u c tio no fd a mf o u n d a tio n ， e x p i o i t a t i o no fo i ia n d t e rr e s tr i a ih e a t b u r i a io fc h e m i c a im a t e r i a i a n dh u g i e a rw a s t e ，d e s i g no nm i r ea n ds oo n a tp r e s e n t c u b i ci s w b a s e do np ar a ii e i p i a t em o d e ih a sb e e na c c e p t e di ng e o t e c h n i c a i e n g in e e r i n g f i e i d ，a n dm a n ys c h o i a r sh a v e d o n em u c hr e s e a r c hw o r k t om o dif yc u bicia wina p e r t u r ea n dr o u g h n e s s f o rt h ea p e r t u r ea n d r o u g h n e s sw e r ea c q u ir e dd i f f i c u i t i y t h ea p p ii c a t i o no fm o d i f i e d c u b i ci a ww a sii m i t e d s ot h ea u t h o rp r o p o s e dt or e p r e s e n th y d r a u ii c b e h a v i o ri nf r a c t u r e dr o c kw i t hj r c ( j o i n tr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t ) a n dr e s e a r c h e dt h ei n f i u e n c eo fj r co nt h ec o u p ii n go ff f u i df f o w a n ds t t e s sw i t he x p e ri m e n t b a s e do nt h ep a r s ii e i p t a t em o d e l a n a i o g ；z e dt h ef o r m e r s c h o i a r s e x p e ri m e n t s t h ise x p e r i m e n tu s e dr c c po fp e t r o i e u ms y s t e m t ot e s tt h ep e n e t r a b il i t yo f j o i n t sw j t h d i f f e r e n t j r cu n d e r d i f f e r e n ts t r e s sc o n d i t i o n s t h em a k i n go ft h es a m p i ew a sf ir s tb a s e d o nt h et y p i c a lr o u g h n e s sp r o f li e sb yb a r t o n 。m a c h i n i n g e dt h e j r c t e m pia r e su sin gt h en u m e ri c aic o n t r o1w ir ec u te d m t h e np o u r e dt h e s a m p i ew i t hc e m e n ta n dd r ili e dt e nc o i u m n i f o r mc o n c r e t ec o r e sw i t h d i f f er e n tj r c t h ee x p e r i m e n ta p p r o a c h e dt op r a c t i c a i e n g i n e e r i n g p r o j e c tm u c hb e t t e rw i t hs i m u i a t i n gd i f f e r e n tr o u g h n e s sj o i n t s t h e m e a s ur e dp a r a m e t e r sw e r ea c q u ir e dm o r ee a s ii ya n dt h ep r o d u c t i o n s h a dab e t t e rp r a c t i c a b iii t ya n dp o p u ia r iz a b ii i t y a n a i y z e dt h er e s u i t s t w om a i nc o n c i u s i o n sw e r ee d u c e d ： ( 1 ) t h ep e r m e a b ii i t yo faa i n g i ej o i n td e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n g e f f e c t i v es t r e s s ，f o ii o w i n gt h ei a wo fn e g a t i v ee x p o n e n t a n dj r c h a ds m a | ie f f e c to nt h isi a w 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 ( 2 ) t h ep e r m e a b ili t yo fas i n g i ej o in th a dat r e n d o fd e c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s i n go fj r cu n d e rs a m ee f f e c t i v es tr e s sc o n d i t i o n sa t m i d d i e i o we f f e c t i v es t r e s si e v e i b u tt h er e g u i a r i t yw a sn o te v i d e n t e n o u g h a n dt h ef i u c t u a t i o nw a se x t e n s i v e i y ，w h i c hs h o w e dj r c h a d n o tb e e nv e r yg r e a te f f e c to np e n e t r a b ii i t y ( 3 ) f r a c t u r e dr o c kc a l l l et oaw h o i er o c ka st h ee f f e c t i v es t r e s s n c r e a s e d a n dt h ein fiu e n c eo fj r co np e r m e a bi iit yh a dd e c r e a s e d k e yw o r d s ：j r c ；as i n g i ej o i n t ：c o u p li n go ff i u i df i o wa n ds tr e s s e x p e ri m e n t ais t u d y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 选题依据及研究意义 地下水首先是作为一种资源进行研究的，随着水利、边坡等岩土工程 越来越普遍和越来越大型化，地下水对该类工程的安全和稳定的影响就越 来越突出，其力学问题就成为研究的主要课题。地下水渗流对人类活动有 着巨大的影响，如地下水的开发导致地面沉陷，地下水是坑道施工的主要 障碍和威胁，地下水是石油迁移和累积的有效载体，地下水是传输地热的 有效介质，地下水运动可诱发地震，地下水与大坝安全密切相关，地下水 是决定岩土边坡稳定的重要因素等。 岩体渗流是自然界最为常见的地下水流状态，在采矿、水利、石油， 交通、边坡、地下工程、基础等工程中普遍存在，并且是各工程必须研究 和解决的问题，由于其深藏地下，影响因素复杂，预知性极差，所以也是 有关工程研究和设计中的难点。尤其是近2 0 年来，石油、天然气、地热等 能源的开发，深埋长大隧道和引水隧洞的开挖，大型水利枢纽工程的建设， 核废料的安全填埋、贮存以及环境工程中污染物的迁移等实际工程，一般 均通过或建筑在岩石地区，对岩体水力学提出更高的要求。 一般岩体具有纵横交错的张、压、扭性等结构面，它是由空隙性好而 导水性差的岩块孔隙系统和空隙性差而导水性强的裂隙系统组成，具有典 型的孔隙一裂隙双重介质。岩块渗透系数相对于裂隙相当微小，三峡工程 永久船闸区的花岗岩岩块渗透系数不到裂隙的1 0 r 6 倍i 。所以，岩体渗流应 属于裂隙渗流，与孔隙渗流的土体相比，具有其独有的特点。其渗透系数 非均匀性十分突出，各向异性非常明显，应力环境对岩体渗流场的影响显 著，岩体渗透系数的影响因素复杂、众多，影响因子难以确定。 岩体裂隙的渗流特性受应力、变形以及裂隙面几何参数的影响，荷载 作用下引发的岩体变形主要体现在裂隙变形，而渗流量与裂隙张开度的高 次方成正比，较小的裂隙交形会引起较大渗透系数和渗流量的改变，渗流 体积力也会发生重大变化，从而又反过来影响岩体的应力场渗流与应力 之间存在的这种相互作用关系，即称为耦合特性。正确把握裂隙岩体的固 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 一液耦合特性，对于地下水运动的预测预报、洞室开挖的稳定性评价、坝 基渗流及其稳定性问题、预防人为诱发地震等均有很大的帮助。 单一裂隙( 组) 渗流与应力关系的建立，是裂隙岩体渗流场与应力场耦合 分析研究的基础和关键环节目前，对裂隙岩体渗流特性的研究，基于平 行板模型导出的立方定律已广为岩土工程界所接受，许多学者进一步对立 方定律的有效性做了大量研究。提出在考虑粗糙度的基础上，可用一系数 对立方定律进行修正。有关法向应力作用下，裂隙的渗流特性也进行了相 当多的实验工作但是，由于裂隙具有复杂的物质成分、结构构造及物理 力学特性，这些研究偏重于裂隙隙宽或绝对( 相对) 粗糙度等参数方面的 研究，这些参数在工程实际中不易直接获得，故其推广和应用还存在差距。 基于此，笔者考虑选用容易直接得到的参数来表征裂隙的应力一渗流耦合 特性，而避开隙宽等现场不易得到参数。巴顿1 2 l 提出的节理粗糙度系数( j o i n t r o u g l m c s sc o e f f i c i e n t - - j r c ) 是一个与岩体的力学性质和水力学性质有密切 关系的参数，它相对裂隙隙宽或粗糙度来说更易于测得，本课题就设计了 在不同粗造度下裂隙的应力一渗流耦合特性的试验。研究j r c 对裂隙的渗 流一应力耦合的影响，对工程应用具有重大的理论和现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 裂隙岩体渗流的研究 地下水在孔隙介质( 均质土体) 中的渗透规律研究始于十九世纪中叶。 1 8 5 6 年，法国水力学者达西通过在砂柱中水的渗透试验，总结出著名的达 西定律，与随后另一位法国水力学者裘布依提出的裘布依微分方程和1 9 0 4 年布西涅斯克提出的非稳定微分方程，成为地下水动力学的理论基础。从 此以后，到二十世纪初，法国、德国、前苏联等学者对地下水动力学作了 进一步发展，得出了许多具体的计算公式【3 1 。1 9 3 5 年美国学者泰斯利用前 人的试验资料和热传导方程第一次提出了实用的非稳定井流公式，印著名 的泰斯公式。五十年代，雅可比、汉图什等对非稳定渗流作了进一步发展。 虽然我国在几千年前就懂得掘井取水的道理。但形成理论系统也是近几十 年的事情。 虽然近百年来地下水动力学得到了迅速的发展，取得了丰富的成果， 但其应用范围却有限。这段时问的地下水理论多用于地下取水，而在分析 边坡、大坝稳定性方面应用得甚少，即岩体水力学方面的研究基本没有涉 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 及，直到2 0 世纪7 0 年代还一直沿用土壤渗流力学来解决岩体渗流问题。 岩体不同于土体，它不是由散粒体组成的多孔介质，而是被裂隙切割 的岩石块体构成的实体。对大多数岩石块体来说，渗透性很弱，与裂隙相 比可以认为是不透水的，裂隙系统构成岩体的透水系统。岩体中的裂隙主 要是因为构造作用而生成，裂隙常可以分成若干组，每组裂隙有大体相同 的产状，因此裂隙岩体渗透有着明显的各向异性，另外岩石的弹性模量与 岩体的变形模量有较大的差异。岩体的变形主要是裂隙变形，裂隙的开度 是岩体渗流的重要参数岩体应力的变化是裂隙开度改变的敏感因素，岩 体渗透特性与岩体的应力场有关。而岩体应力场又与渗流场有关，如此构 成了十分复杂的耦合关系 虽然早在上世纪四、五十年代，前苏联的一些学者b o j x o 姗和j i o m m 等就对裂隙介质( 岩体) 的水力学问题进行了试验研究，并提出了最早的成 果。但真正对岩体渗流特殊的实质性研究始于m a l p a s s e t 拱坝失事以后 挣2 j 【5 孤，从此，国外学者们作了大量的研究，获得了丰富的研究成果，对岩 体渗流理论及其应用做出了重大贡献1 7 1 1 9 1 0 0 ! 。上世纪7 0 年代中期以来，裂 隙岩体渗流已开始作为“岩体水力学”进行研究，基本研究内容包括：( 1 ) 水对岩石的软化作用：( 2 ) 岩体和水流的耦合本构关系；( 3 ) 岩体力学参数和 水力参数的耦合关系等。其中第三方面是将渗流力学和岩体力学联系在一 起的纽带，是岩体水力学的关键问题。与均质土体及完整岩石相比，岩体 富含节理面，节理面的方向性、连续性、密度、连通性、开口度、充填物 和粗糙度对裂隙岩体渗流有重大影响。换言之，由于天然岩体是多相的不 连续介质，由于裂隙岩体渗流的不均匀性、各向异性和非连续性，使裂隙 岩体水力模型研究难度大，因而裂隙岩体渗流模型研究进展缓慢。岩体的 渗流主要沿岩体结构面进行，岩体可视为不透水介质，l o u i s 把岩体渗流抽 象为裂隙网络渗流。 迄今，研究裂隙岩体的渗流模型有三种趋势 4 1 ：( 1 ) 等效连续介质模型， 认为裂隙岩体是一种具有连续介质性质的物质，以渗透率张量为基础、用 连续介质方法描述岩体渗流问题的数学模型；( 2 ) 裂隙网络介质模型，把裂 隙介质看成由不同规模、不同方向的裂隙个体在空问相互交叉构成的网络 状系统，成为裂隙网络。地下水沿裂隙网络运动，该模型忽略岩块韵孔隙 系统，把岩体看成单纯的按几何规律分布的裂隙介质。( 3 ) 双重介质模型， 是由b a r r e n b l a t t 于1 9 6 0 年提出的，假定岩体是孔隙介质和裂隙介质相重叠 的连续介质( 即孔隙一裂隙二重性) ，孔隙介质储水，裂隙介质导水。我国田 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 开铭【1 1 l 、张有天【1 2 1 、杜延龄【1 3 垮较早开始裂隙岩体渗流研究，近年来，这 一领域的研究成果迅速增长。 1 2 2 裂隙岩体应力一渗流耦合的研究 世界上处于同一个系统中的任何两个或两个以上的物体都是相互作用 和彼此影响的，即耦合现象和问题是普遍存在的。例如建筑工程中高层结 构同风的作用：航道、海洋，铁路工程的高速运输系统，车引起的桥梁震 颤、流体引起的管振动等，都存在耦合效应。岩土的变形和流体之问也存 在相互影响的耦合作用。 耦合现象和耦合问题越来越受到许多领域的学者和专家的重视，耦合 理论从上世纪5 0 年代国外水库诱发地震分析而萌芽，到7 0 年代的 w i t h v r s p o o n ! 1 4 l 正式提出，直至以来n o o r i s h a d | 5 6 】的完善发展，这期间主 要是由b a r t o n ”j 针对岩体的稳定性和冻土地区隧道涌水问题进行了地下水 渗漉场、应力场与温度场之间的耦合作用进行了探讨性研究。进入9 0 年代 中期，结合放射性废物处置问题的研究，瑞典核能研究所学者j i n g ! l 7 】给出 了相对较系统的岩体地下水渗流场、应力场、温度场耦合作用的研究模型， 不过模型的简化实用性不是很好。黄涛等1 1 8 j 从场性能等效原则出发，分别 研究了双场耦合机理及相应的数学模型，经过对双场耦合数学模型的合理 组合，提出了饱和工程岩体渗流场、应力场与温度场耦合数学模型。贺玉 龙1 19 j 基于实验和理论研究发展并完善了温度场、渗流场和变形场两两耦合 作用强度的6 个量化参数。这6 个量化参数为三场耦合数学模型的合理简 化提供了一种依据，对推进三场耦合理论的工程应用具有一定的现实意义。 渗流场与应力场耦合是多场广义耦合的重要内容，在力学领域中渗漉 场与应力场耦合作用又被称之为“流一固耦合作用”，而在地球科学领域中 常称之为“水一岩( 土) 相互作用”。简单来说，“流一同耦合”研究的焦点在 于固体介质和流体问的力学耦合基本规律。由于裂隙岩体渗流可概化为裂 隙网络流，而应力场的变化主要导致岩体的裂隙变形，所以裂隙面对岩体 渗流具有决定性的影响。裂隙的渗透能力取决于裂隙的平均开度，渗透张 量受应力场的影响。水对岩体具有力学的，物理的、化学的等各种作用， 这些作用会影响岩体的强度和变形特性，侵蚀岩体，并且在岩体中以体积 力的形式作用一个渗流力场渗流水对岩体具有两方面的作用：其一是各 种作用导致岩体强度的降低，其二是附加的渗流力使岩体的变形发生变化， 应力调整，降低岩体的稳定性。而在岩体上修筑工程结构物后，边坡开挖 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 卸荷，地基回弹等应力系统调整使岩体所发生的变形，也会导致岩体渗流 特性的变化，从而又导致岩体渗流场的变化这种岩体应力与渗流之间形 成的相互作用关系，称作渗流一力学耦合作用。 1 2 3 单一裂隙渗流规律的研究 单一裂隙( 组) 渗流与应力关系的建立，是裂隙岩体渗流场与应力场耦合 分析研究的基础和关键环节。 l o m i z e 2 0 l ( 1 9 5 1 ) ，r o m m l 9 1 ( 1 9 6 6 ) ，l o u i s l 2 1 l ( 1 9 6 9 ) 等通过平行板 裂隙的水流实验，提出了著名的立方定律，证明通过裂隙面的渗流量与隙 宽的三次方成正比，可见隙宽的微小改变将引起渗流量的重大变化基于 平行板模型导出的立方定律已广为岩土工程界所接受，然而天然岩体裂隙 均为租糙裂隙，很难满足平行板裂隙的假定。许多学者进行了仿天然裂隙 的试验研究，对立方定理提出了各种各样的修正，如l o m i z e 。l o u i s ， p d a m e i 2 s ! 速宝玉l 拍1 等。b a r t o n 1 5 】通过大量试验提出j r c 修正法，将等效 水力隙宽与力学隙宽联系起来。由于裂隙粗糙面的复杂多样性和各自试验 条件的差别，各个研究者给出的修正立方定律各不相同，王嫒等【27 l 对立方 定律修正方法进行了总结，大致有以下几种： ( 1 ) 裂隙面粗糙性修正系数修正法。该法通过对仿天然裂隙的试验研 究，以凸起高度来描述裂隙面租糙性，建立修正公式。 ( 2 ) 隙宽密度分布函数修正法。该法基于隙宽只沿垂直水流方向变化， 而沿平行水流方向不变的假定，通过数学推导而提出。 ( 3 ) 隙宽函数直接修正法。该法指出当隙宽函数已知时，可以直接采 用隙宽函数来修正。 ( 4 ) 节理粗糙度系数j r c 修正法。根据试验得到等效水力隙宽与节理 粗糙度系数( j r c ) 的关系，由j r c 就可得到等效水力隙宽。 ( 5 ) 面积接触率修正法。根据面积接触率来对立方定律进行修正。 变形岩体中单裂隙渗流是指岩体受正应力或剪应力作用时，岩体中裂 隙发生交形，主要是裂隙隙宽改变，从而影响裂隙渗流规律。应力环境对 裂隙隙宽影响的情况有：在沟谷或河流岸坡上的岩体，由于沟谷或河流下 切，造成边坡岩体应力释放回弹丽产生卸荷节理，这种应力环境的改变引 起裂隙隙宽增大；岩体从地表向地下深处，自重应力逐渐增加，岩体裂隙 隙宽逐渐变窄。以至闭合；在工程活动作用下，岩体应力场发生改变，从 而使岩体裂隙隙宽改变。因此，研究变形岩体中单裂隙渗流特征，具有重 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 要的理论和实际意义i 竹l 。应力作用下单裂隙面的渗流特性是人们近年来研 究的重点，人们起初主要研究法向应力下裂隙面的渗流特性，考虑到实际 岩体裂隙中存在的复杂应力状态，后来h i c k 5 嘲、赵阳升f 2 9 p o l l 3 1 1 、刘才华1 3 2 】 【3 3 l 等又进行了剪切应力下和二维应力作用下裂隙渗流特性的研究。 l o u i s ( 1 9 7 4 ) 瞄l 根据均质裂隙岩体不同深度的钻孔压力实验，得出岩 体渗透性与法向应力负指数关系； c o o k ( 1 9 9 2 ) p q 基于试验研究认为，低应力状态下渗流与裂隙面的开 度无关，即立方体定律不再适用；但在高应力状态下则关系密切水流是 裂隙面有效应力和开度的函数。 赵阳升、郑少河等对天然裂隙作了大量三维应力作用下的渗流试验， 认为单裂隙岩体渗透系数与有效应力之间存在幂指数关系 l a u r a jr y r a k ，李广平p 8 l 等研究认为渗透系数与应力作用下裂隙闭合量 成幂律关系。 以上的研究工作未对其机理进行深入研究。为了解释应力作用对裂隙 面渗透性的影响机理，人们提出一些理论模型如洞穴模型，凸起模型以及 洞穴一凸起结合模型。6 a n g i 首先提出钉床模型，w a l s h 则将描述裂隙力学 变形性质的洞穴模型进行了推广，但由于这两种模型具有一定的局限性， 不能兼顾解释高应力下裂隙面的渗流、力学性质。t s a n g 和w i t h e r s p o o n 在 上述两种模型的基础上提出了洞穴一凸起结合模型，该模型将裂隙面看成 是由两壁面凸起部分之间的洞穴构成的集合体，以洞穴模型反映裂隙面的 变形性质，以凸起模型反映裂隙面的渗流性质，认为随着应力的增加，不 仅引起洞穴直径的减小。还引起凸起接触面积的增加，该模型很好地解释 了单裂隙面渗流、力学及其耦合特性。 以上模型一般只考虑正应力作用下的裂隙渗流水力特性，而未考虑剪 切变形的影响。j e s a k i 就岩体的剪切渗流耦合进行过试验，并对参数取值 进行了研究。t a k a h a s h i 在砂岩、花岗岩的剪切和渗流耦合分析方面也做出 了成就。国内耿克勤1 3 4 】【3 5 l ，刘才华等对剪切变形与渗流耦合也进行了试验 探讨，结果认为# 在不同压应力作用下裂隙面由于剪切变形会使渗流量发 生先减少( 相应于剪缩) 、后来又增大( 相应于剪胀) 的变化。裂隙面剪切变形 对渗流系数的影响取决于裂瞑e 面的几何形态、剪切位移和法向匝力的大小。 天然裂隙并非完全光滑平直，它具有复杂的物质成分、结构构造及物 理力学特性，其水力特性非常复杂。对于单裂隙的渗流应力耦合研究，一 方面应进一步加强实验研究，特别是在复杂应力状态下的耦合实验。设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 出能真实反映实际情况的实验模型，目前国内的实验工作还不多；另一方 面以上的研究所要求的条件和参数在实际工程中的应用和推广还存在差 距 通过对现有成果的总结和分析，可以得出以下几点认识： ( 1 ) 描述裂隙水流运动规律的立方定律是建立在平行板裂隙模型基础上 得出的，对于粗糙裂隙，需对立方定律进行修正，若仍采用立方定律，必 须采用等效水力隙宽代替公式中的隙宽。 ( 2 ) 单裂隙面渗流与应力耦合特性可以按以下三种思路去研究：直接 通过试验探求渗透性与应力的经验公式；利用单裂隙面的水流运动规律 和力学变形性质，问接地推导出渗流与应力的关系； 提出某种理论概念 模型来解释渗流与应力的耦合规律。 ( 3 ) 对于实际粗糙裂隙，平均隙宽，力学隙宽和等效水力隙宽3 种隙宽 值是3 个完全不同的概念，在采用间接方法建立渗流与应力耦合关系时， 需将这3 个概念区分开来。 ( 4 ) 裂隙面法向压应力的作用会使裂隙面渗透性降低，但是，即使法向 应力达到很大的时候，渗透性都不可能为零。 ( 5 ) 裂隙面剪切应力的作用和三维应力状态对裂隙面渗透性的影响不可 忽视的。 1 3 主要研究内容及研究思路 单裂隙面渗流一应力耦合特性的研究是裂隙岩体渗流一应力耦合分析 的重要基础，该方面取得的成果不仅可以应用于水利工程岩基、岩坡、地 下洞室等裂隙岩体结构的渗流力学分析，而且可以应用予地下核废料的处 理、地下石油的开采等领域。对于这一基础性课题，人们己进行了许多研 究，取得了较为丰硕的成果，提出了多种多样的经验或理论公式。在运用 这些公式时，需根据实际具体情况谨慎选用。一方面要注意公式中所包含 的参数是否容易获得，另一方面需对近似公式的合理性作进一步验证，这 一点可队通过试验或数值模拟的手段来实现。 在对于裂隙渗流特征的研究中，基于裂隙开度e 的修正方向，e 的实测 及准确程度都有一定的局限性，因l | ：本论文选用j r c 来表征裂隙的渗流特 征。笔者运用试验手段研究瓜c 对裂隙渗流一应力耦合的影响，首先基于 巴顿提出的j r c 标准剖面轮廓曲线，设计出能更加真实反映实际工程情况 的十组不同j r c 等级的仿岩石裂隙，然后在运用r c c p 联测系统研究其在 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 不同应力条件下的渗流特征。 本文试验研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 论证试验的可行性。在分析总结以前学者对裂隙渗流应力耦合 模型试验研究的基础之上，通过分析类比提出本试验方案。 ( 2 ) 结合机械知识，运用数控电火花加工技术，切割出j r c 模板，用 水泥浇筑出含有不同j r c 裂隙的试样。 ( 3 ) 制定试验方案，运用石油部门的r c c p 联测系统进行试验。 ( 4 ) 对试验结果进行整理分析。 1 4 论文创新性 本论文主要创新点有以下三个方面： ( 1 ) 将j r c 引入裂隙渗流一应力研究中，研究j r c 对裂隙渗流一应 力的影响。 ( 2 ) 结合机械知识，基于b a r t o n 提出的十条j r c 标准剖面轮廓曲线， 制备出相对应的十组圆柱形含有不同j r c 裂隙的水泥浇筑试样。 ( 3 ) 将石油系统的r c c p 联测系统引入裂隙渗流一应力耦合模型试验 研究，为以后的研究者提供一种新的试验设备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章岩体单裂隙渗流规律的理论研究 2 1 单裂隙面的水流运动规律研究 自从1 9 6 5 年s n o w 通过n a v i c r - - - s t o c k s 公式导出理想单一裂隙( 两裂隙 面为平行光滑平板1 的渗流规律一立方定律以来【锝l 。立方定律就成为岩体 裂隙渗流研究的基础，几乎所有岩俘渗流领域的研究均基于该定律。其表 达式为： 窖- 甓歹 c 2 舢 式中，q 为裂隙单宽渗流量；g 是重力加速度：e 是裂隙开度；l j 是水 的运动粘滞系数，j 是水力比降。如将理想平板裂隙的渗透系数记为k o ， 则根据达西定律有： x o - 鼍 眩2 ， l o m i z c ( 1 9 5 1 ) ，r o m m ( 1 9 6 6 ) ，l o u i s ( 1 9 6 9 ) 等通过平行板裂隙的 水流实验，验证了著名的立方定律的成立，证明通过裂隙面的渗流量与隙 宽的三次方成正比，可见隙宽的微小改变将引起渗流量的重大变化。 由于理想的平板裂隙在自然界是不存在的，天然裂隙面不仅存在小范 围的不平整和大范围的起伏以外，还存在吻合，连通程度等问题。实际岩 体裂隙的隙宽是变化的，影响裂隙隙宽的因素有：裂隙隙面粗糙度、裂隙 的充填程度以及岩体所处的应力状态。处于一定应力环境下的裂隙面两壁 是凸凹不平的，两壁面的形状是不一样的，否贝畸，压力的存在早使这些裂 隙闭合。因此，在实际工程中，需要对粗糙裂隙渗流问题进行处理，对立 方定理进行修正。 许多学者在采用上述公式中乘以一个折减系数( 1 ，c ) 来反映裂隙粗糙度 对渗透系数的影响。即天然粗糙裂隙的渗透系数珞为： 鬈，篓鱼 ( 2 3 ) 1 2 ( jc 由该式可以看出天然粗糙裂隙的渗透系数珞与裂隙的开度和粗糙度有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 很大关系，国内外的学者在对立方定理的修正研究主要集中这两个方面， 如： l o m l z c ( 1 9 5 1 ) 提出： c 1 + 稚r l 石， 咖b 龇c m 8 d 笥， 速宝玉提出；c t + t 文舍) 删 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 知a 础出：c 山。玎 眩7 ， 为裂隙绝对粗糙度，o 。为隙宽均方差，虿为平均隙宽。 1 w a i ( 1 9 7 6 ) h o 通过试验首先发现裂隙面粗糙性对裂隙水流规律的影响 住要与隙面面积接触率( 隙面凸起接触面积与总面积之比) 有关： 旦旦 ( 2 8 ) o ol + q o ” 式中，q 为相应于接触面积率6 3 的流量，q 0 为。= 0 时的流量，f i 为经验系 数。w a l s h 4 1 l 和周刨兵【4 2 1 分别通过模拟热传导理论和数学推导得出相似的结 论。 以上经验公式都是基于假定裂隙流为层流的基础上建立起来的。s h a r p 和m a i n i 5 1 】在进行宽裂隙试验研究后，提出了非达西流的存在，l o m i z e 2 0 l 和l o u i s l 1 等一些学者一提出了紊流范围的计算公式，但目前仍广泛采用的 是达西线性流公式【哪。天然裂隙水流大多为层流，l o u i s 和w i t t k e 也认为： “在裂隙中遇到紊流，但实际上可以不考虑这种紊流状态而按层流问题处 理。这样，使计算显著简化而带来的却只有一个可以忽略的误差。” 切尔内绍夫曾对3 个裂隙岩样裂隙试验发现：考虑裂隙粗糙度并没有 提高裂隙流量的计算精度，表明采用粗糙度的方法有很大的局限性，它淡 化了裂隙面起伏的阻力作用例。 根据h u i t t 的实验和梁尧驰( 1 9 8 8 ) 野外单裂隙水力试验成果，在层流状 态下，单裂隙中渗流与隙壁性质关系不大，无论壁面的相对粗糙度多大， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 在雷诺数小于1 8 0 0 范围内，实验结果与用光滑裂隙渗流公式计算结果基本 吻合，在天然岩体单裂隙试验中也得到证明。当裂隙的渗流在层流范围内 ( r e 一 2 3 0 0 ) ，裂隙渗流满足立方定律，这己被许多学者证明。但对于微裂隙 渗流来说，水流运动不再满足立方定律，这是因为水力梯度增大时，微裂 隙中渗流速度的增加高于线性递增，呈现类似非牛顿流体特性。当裂隙隙 宽很小时，流体与固体壁之间除了通常意义下的摩擦阻力作用之外，还存 在固体壁面吸附作用力，恧通常意义下的摩擦阻力在层流范围内与水力梯 度是线性关系，由于吸附力的存在，且吸附力随着动能增大，其增长速率 降低p 9 l 。 2 2 单裂隙水力耦合研究 裂隙岩体处于一定应力场中，在应力的作用下，岩体中裂隙发生变形， 主要是裂隙隙宽改变，从而影响裂隙渗流规律 l o u i s ( 1 9 7 4 ) 据一些钻孔压力试验结果建立了岩体渗透系数k f 与正应力 的经验关系式： 露，t 量护。7 ( 2 9 ) 式中；k o 为初始渗透系数；o 为法向压力；a 为参数。可以看出渗透系数 随正应力的增大而变小，两者之间呈负指数关系。 刘继山【孔2 5 悃试验方法研究了单裂隙和两正交裂隙受正应力作用时的 渗流公式，对于单裂隙，与l o u i s 的类似，如式2 1 0 示： p l 击u m * e x p 【巩y h 。h o ) j 。o x p ( 一百2 0 ) c 2 加， 式中，h ”为结构面最大压缩变形量；墨为结构面当量闭合刚度；嚣。为 压水井中稳定水头；r 为影响半径；，o 为压水并半径；口为结构面上的法向 应力。 刘亚晨 4 4 1 等通过单、正交裂隙花岗岩的试验，研究了高温、高压下的 裂隙岩体渗透特性，表明在轴压、水压差一定时，裂隙渗透率k f 与法向应 力和温度的关系可用指数函数表示； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 k ，4 麟p ( - t z t 7 3 一) ( 2 1 1 ) 式中to ，为法向压应力；t 为温度；a ，a ，b 均为系数，可通过试验 获得若不计温度影响则同2 9 式 也有学者提出渗透系数与压力呈幂乘关系。如n e l s o n | 4 3 1 针对砂岩裂隙 提出的渗透系数经验公式： k ，一+ b p l ( 2 1 2 ) 式中p 为有效压力，a 、b 、n 均为常数。 郑少河、赵阳升等通过大量天然裂隙渗流实验，揭示了三维应力裂隙 渗流规律，提出了裂隙闭合量与岩体三维应力，岩体渗透系数与裂隙闭合 量的关系式： k t = k o 【a r 2 一 ，【c _ + 吒j p 厂 ( 2 1 3 ) 式中：k f 为天然单裂隙渗透系数；o 。、o ：、o 。为三向主应力，其中o ：垂 直裂隙面，o 。、o 。平行裂隙面：v 为泊松比；p 为裂隙水压力；a 取决于 裂隙面的粗糙度，其试验所取得天然裂隙j r c - - 6 1 2 。 分析式2 9 砣1 3 ，均反映了法向应力对裂隙渗透性的影响。在法向应力 豹作用下，裂隙的透水性随着应力或变形的增加而减小，在低应力阶段试 样渗透率随法向应力改变的变化速度大于高应力阶段。在高应力阶段是， 随应力的增加，式2 9 、2 1 0 、2 1 1 、2 1 3 均认为渗透率趋近零，而1 w a i 通过试验发现，当应力达到2 0 m p a 时，裂隙岩体的力学特性已接近于完整 岩块，但其渗透性却远远大于完整岩块，式2 。1 2 包含了这一规律。 2 3 裂隙特性的研究 裂隙的几何参数，如张开度、粗糙度、起伏度、连通度、接触面积率、 吻合度、填充物特性等对裂隙渗透特性的影响十分显著，对渗透系数及渗 流量的影响非常大，所以在岩体水力学中，裂隙的几何参数是必须研究的 课题。 ( 1 ) 水力隙宽和平均隙宽亭 水力隙宽e ，是一种等效隙宽，它是根据裂隙实测的单宽流量q 和水 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 力比降j 按照立方定律式( 2 1 ) 反算获得的隙宽。由于水力隙宽为一理想的隙 宽，很难用于实际计算，所以现有研究工作者通常采用平均隙宽虿或机械隙 宽，代替立方定律中c 平均隙宽或机械隙宽的采用，使得立方定律不再 适用。 ( 2 ) 裂隙面粗糙度 在裂隙几何参数方面，裂隙面粗糙度是人们研究得较为全面的一个参 数。起伏差是表示节理粗糙度最简单的方法，但其受测量标准、起伏频 率和代表性不强等的限制目前采用得较少 相对粗糙度是用于立方定律修正系数较多的表征裂隙面粗糙程度的参 数，l o u i s 提出用租糙面凸起的绝对高度与裂隙弯度的关系表示水流阻力： a 去如一岛。) ( 2 1 4 ) 以一l 争一 式中，为绝对租糙度；席为测定隙宽值的次数；e j 为i 测点的隙宽 值。对于一面光滑一面粗糙的裂隙，或者两个隙壁彼此对着弯曲不平的裂 隙，a 应为上式的一半。然后用无量刚的相对粗糙度2 e ( 2 e 为水力直径) 作为变量对立方定律进行修正。l o m i z e 、日连可夫【捌、速宝玉( 1 9 9 5 ) 即l 和 a m a d e i & l 粕g a s c k a r e ( 1 9 9 4 ) i 篮等也采用了类似方法 将裂隙面各测点相对于某基点的高程的均方差来表示隙面绝对租糙度 也是十分实用的，耿克勤( 1 9 9 4 ) 等采用了x 和y 两个方向的均方差s 。和s ， 表节理面的起伏差、用自相关长度风和& 表示起伏颓率、用起伏角o l 和钆 表示起伏坡度的三维指标对节理几何形态进行了较为全面的描述。由于不 同租糙度的节理有可能获得同样的均方差，单用均方差仍不能描述出起伏 高度的分布范围。 用分数维来描述节理粗糙度，对这一领域的研究带来了许多方便之处1 5 4 l i s 5 】i 删。光滑的平面是2 维，极度粗糙的隙面为3 维，天然裂隙介于二者一 之问，为一分数维。对于削面。光滑的为1 维，极度粗糙的为2 维，实际 节理为1 与2 之间的分数维。 ( 3 ) 几何参数的测量方法 目前进行裂隙几何参数施测的方法主要有两大类：机械方法和光学方 法，此外，还有投影法和电感应法等。机械方法常采用千分表等精密仪器 逐点量测裂隙面各点的高程，然后进行统计分析获得裂隙的开度、粗糙度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 等几何参数，这种方法虽然工作量较大，但由于其施测思路清晰、直观、 简便、精度高，已被越来越多的研究工作者采用1 4 7 l 5 4 j 。 用放射性指示剂研究裂隙形状，前苏联学者在这方面研究较多例。该 方法是根据指示剂的相对浓度与裂隙出水体积之问建立关系式，然后推算 出裂隙的平均体积开度。切尔内绍夫将用机械方法测得的结果与指示剂方 法推算的平均隙宽进行了比较，结果十分一致e l s w o r t h ( 1 9 8 6 ) 1 4 9 j 应用压水 试验确定裂隙几何参数也有其独到之处。 光学方法中的云纹法，其精度较低，很少采用王金安等( 1 9 9 7 ) f 7 】提出 的激光技术法较为先进，该方法的原理是根据激光发射后遇到障碍物再返 回接受器的距离，间接推算出裂隙形状及粗糙度等。该方法的优点是不接 触试件，对试件无伤害，同时施测精度较高、施测速度较快 关于裂隙其它几何参数的研究也较广泛，如赵坚( 1 9 9 7 ) 睁b j 研究了节理吻 合系数对裂隙力学和水力学特性的影响；1 w a i ( 1 9 7 6 ) 【柏】等模仿热传导理论， 研究了裂隙两壁面接触面积对渗流量的影响：田开铭、万力等研究了裂隙 连通率对渗透特性的影响；n e u z l l ( 1 9 8 1 ) p g ，l o n g ( 1 9 8 5 ) t e e ，e l s w o r t h & g o o d m a n ( 1 9 8 6 ) 6 1 1 ，t s a n g ( 1 9 8 7 ) 6 2 l 等对隙宽沿渗径方向的统计变化规律进行 了研究 2 4 节理粗糙度系数( j r c ) 的研究 野外大量的岩体裂隙面表面形态详细调查发现。裂隙面表面形态由三 个要素组成： ( 1 1 宏观几何轮廓。宏观几何轮廓是裂隙面表面最大一级的几何轮廓反 映裂隙面宏观总体的几何形态，它由次一级的形态要素表面起伏形态 的峰谷包络线( 面) 来表征。宏观几何轮廓与岩石的构造、应力在岩体中的传 播待点以及裂隙面扩展贯通方式有关。 ( 2 ) 表面起伏形态。表面起伏形态是岩体裂隙面表面常见的形态构成 裂隙面表面常见规模的峰谷起伏轮廓。体现了裂隙面表面的起伏程度。表 面起伏程度通常用爬坡角或起伏角来表征，是影响裂隙面力学性质的主要 因素。表面起伏形态是裂隙面壁岩岩石构造以及矿物集合体、各种砾石、 结核等粗大颗粒物质的大小、形状和分布形式在裂隙面表面的具体表现、 同时又是裂隙面形成过程中应力在岩体中分布相传播方式、裂隙面扩展相 连通型式在裂隙面表面的真实记录。 ( 3 ) 微观粗糙度微观租糙度是岩体裂隙面表面最小一级的粗糙起伏形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 态反映表面起伏形态峰谷坡面上的次一级微小几何特征是矿物颗粒或 细小品体在结构面表面的分布排列情况的具体体现。岩石中的应力分布和 裂