（岩土工程专业论文）深部岩体渗透张量计算分析及应力渗流耦合的试验研究.pdf

摘要 裂隙岩体的渗流对于工程的稳定和安全有着十分重要的意义，而渗透系数的 确定及渗透张量的描述一直是研究的重点和难点。本文以甘肃北山某地区深部地 质研究为背景，开展了现场裂隙调查及渗透张量的计算分析研究，主要研究内容 及成果如下： 1 在甘肃北山某地进行了水压致裂法地应力测量和高压压水试验，得到了该地 区的地应力值和沿钻孔深度的各段渗透系数值，然后通过非线性回归分析获 得了该地区的水力特性与应力的耦合关系。 2 运用v i s u a lf o r t r a n 编制了裂隙岩体渗透系数张量的计算程序，程序根据岩体 裂隙的水力参数可以方便地计算得到岩体的渗透张量，同时获得渗透主值和 渗透主轴的方位。还可以绘制出任意两个渗透主轴的渗透椭圆。 3 通过钻孔岩芯裂隙编录和钻孔超声波成像技术获得了某钻孔岩体裂隙的产状 和水力参数，分析统计了岩体裂隙各参数的分布规律并进行了有效的分组。 然后运用所编制的渗透张量计算程序计算出了钻孔岩体的渗透张量，同时与 高压压水试验所取得的岩体渗透系数值进行对比修正。 4 运用窗口统计法测量了该钻孔周围1 5 k r n 2 范围内6 3 个露头的节理的产状、 迹长和隙宽。计算得到了各露头岩体的渗透张量，分析了该区域的渗透规律。 关键词：裂隙岩体，渗透张量，计算程序。应力渗流耦台，现场试验 a b s t r a c t t h ei n v e s t i g a t i o no ft h es e e p a g eo ff r a c t u r e dr o c k - m a s si so fg r e a ti m p o r t a n c e t oe n s u r et h es t a b i l i z a t i o na n ds a f e t yo fe n g i n e e r i n g t h ec o n f i r m a t i o no fs e e p a g e c o e f f i c i e n ta n dt h ed e s c r i p t i o no f p e r m e a b i l i t yt e n s o rh a v e b e e nt h ef o c u sa n da l s ot h e m o s tc h a l l e n g i n gp a r to ft h er e s e a r c h b a s e do nt h ed e e pg e o l o g i cr e s e a r c ho fa g i v e n r e g i o ni ng a n s h up r o v i n c e ，t h ei n - s i t ui n v e s t i g a t i o no ff r a c t u r e sa n dt h ec a l c u l a t i o no f p e r m e a b i l i t yt e n s o ra r cc a r r i e do u t t h i sa r t i c l em a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 i n - s i t ug e o - s t r e s sm e a s 咖e n t sb yh y d r a u l i cf r a c t u r i n ga n dh i g l lw a t e rp r e s s u r e t e s ta r ec a r r i e do u ti nag i v e nb o r e h o l e a c c o r d i n g l y , t h es t r e s sv a l u eo f t h i sr e g i o n a n dd i s t i n c tv a l u eo f t b es e e p a g ec o e f f i c i e n tc o r r e s p o n d i n gt od i s t i n c td e p t ho f t h e b o r e h o l ea r eo b t a i n e d t h e n ，t h ec o u p l ee q u a t i o nb e t w e e nh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s a n ds t l e s so f t h i sr e g i o ni sc a l c u l a t e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so f n o n l i n e a rr e g r e s s i o n 2 ac a l c u l a t i o np r o g r a mo fs e e p a g et e n s o rw r i t t e ni nv i s u a lf o r t r a ni sd e v e l o p e d t h es e e p a g et e n s o ro ft h er o c k - m a s sc a nb e e a s i l yc a l c u l a t e db yi n p u t t i n g h y d r a u l i cp a r a m e t e r so ft h ef r a c t u r e dr o c k - m a s s m e a n w h i l e ，t h ep r i n c i p l ev a l u e o fs e e p a g ea n dt h eo r i e n t a t i o no ft h ep r i n c i p l ea x i so fs e e p a g ea r eo b t a i n e d ；t h e p e r m e a b i l i t ye l l i p s eo fa n yt w op r i n c i p l ea x i sc a nb ed r a w n 3 t h eo r i e n t a t i o na n dh y d r a u l i c p a r a m e t e r so fb o r e h o l ef r a c t u r e a r co b t a i n e d t h r o u g hl o g oo fb e m h o l ef r a c t u r ea n db e r e h o l ei m a g e t h e nt h ed i s t r i b u t i o nl a w o f p a r a m e t e r so f b o r e h o l ef r a c t u r ea r ea n a l y z e da n dc l a s s i f i e di na ne f f e c t i v ew a y b yu s i n gt h ec a l c u l a t i o np r o g r a mm e n t i o n e da b o v e , t h es e e p a g et e n s o ro f b o r e h o l e f r a c t u r ei sc a l c u l a t e d m e a n w h i l e 。t h es e e p a g et e n s o rc a nb em o d i f i e db yr e f e r r i n g t ot h ev a l u eo f t h es e e p a g ec o e f f i c i e n to b t a i n e di nh y d r a u l i c j a c k i n ge x p e r i m e n t 4 t h eo r i e n t a t i o n t r a n s l e n g t ha n da p e r t u r eo ft h ej o i n t so f 6 3o u t c r o p sc o v e r i n gt h e a r e ao f1 5k m 2a r o u n dt h eb o r e h o l ea r ec a l c u l a t e db yw i n d o ws t a t i s t i cm e t h o d t h es e e p a g et e n s o ro fe v e r yo u t c r o pi sc a l c u l a t e da n dt h es e e p a g el a wi n t h i s r e g i o ni sa n a l y z e d k e y w o r d s ：f r a c t u r e dr o c k - m a s s ，s e e p a g et e n s o r , c a l c u l a t i o np r o g r a m ，c o u p l e ds t r e s s a n df l o w , i n - s i t ut e s t 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表的和撰写过的研究成 果，也不包含为获得中国科学院武汉岩土力学研究所或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 日期：加岁年多月，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉岩土力学研究所关于保留、使用学位论文 的规定，即该所有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅 和借阅；可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩影 或其他复制手段保存论文。 作者签名：淑弛 日期：) 卯r 年z 月i - 日 导师签名：物瓜融 日期：c ) 。吟年5 月g o 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 流体通过多孔介质或裂隙介质的流动，即渗流是一种与人类的工程活动密切 相关的现象。对于渗流的研究最早始于土体中。十八世纪中叶，d a r c y 通过试验 总结出了著名的达西定律，1 0 0 多年来，基于达西定律建立的经典渗流理论发展 迅速，已经成为流体力学的一个重要分支。然而经典的渗流理论是以连续介质假 定为基础的，而众多的工程实例和科学研究表明，岩体渗流与土体等连续介质的 渗流有着本质的区别。 1 1 1 裂隙介质 天然岩体经长期、多次的地质作用后均发育有大量的各项异性、尺寸各异且 相互切割的裂隙面。基本的几种裂豫介质如图1 。l 所示，但最常见的是( b ) 不规 则形状的岩体。本文所研究的花岗岩体就是这种裂隙介质。 ( a ) 块状：( b ) 不规则形状；( c ) 板状：( d ) 柱状 图1 1 裂骧介质素描图( 据陆兆漆，1 9 8 9 ) 正是由于这些裂隙的存在，使褥岩体不同于其他的工程材料，存在着强烈的 非均值性和各向异性。裂隙不仅大大改变了岩体的力学特性，而且更加显著地改 变着岩体的渗透特性。在岩体渗透特性方面，一般情况下岩块本身的渗透系数很 小，与此相比裂隙岩体的渗透系数却很大，相差约1 0 4 1 0 7 倍之多吲。之所以 造成这么大的差距，除了裂隙本身的渗透性很大外。还有个很重要的原因是岩体 裂隙往往互相连通构成了裂隙网络，形成了良好的透水通道，因此相对裂隙而言， 岩块本身的渗透性可以忽略不计。另一方面从岩体的力学特性来看，裂隙面显然 是岩体中强度的薄弱面，它显著地控制着岩体的整体力学行为，影响着岩体的交 深部岩体渗透张量计算分析及应力渗流耦合的试验研究 形模量、强度参数，从而导致了裂隙岩体强烈的各向异性及变形的不连续性。 随着社会经济的发展，愈来愈多的工程如水电、矿山、核废料地下处置及溶 质运移等都建设在岩体中，而对工程安全起重要作用的地下水渗流问题就突出地 摆在了人们面前。裂隙岩体水流动问题是一个非常复杂的问题，影响水流状态的 因素很多，除了裂隙系统的几何因素外，由于工程的实施会导致地下应力环境的 改变，也将对渗流场产生影响，反过来渗流场的改变也会引起应力场的改变，这 一机制就是所谓的渗流应力耦合作用。 雇 图1 2m a l p a s s e t 拱坝失事分析示意图 对这一问题的特殊性及其重要性的认识始于二十世纪5 0 年代，1 9 5 9 年法国 设计精巧的m a l p a s s e t 拱坝在初次蓄水就遭溃坝，造成4 0 0 余人丧生，这次事故 使工程师们十分困惑，因为当时该坝的设计、施工都十分优良，在随后的反复研 究中一致认为：破坏是由于应力环境改变后导致了岩体的渗透特性的改变而诱发 的。1 9 6 3 年意大利的v a j i o n t 拱坝库水位上升到7 0 0 m 高时，左岸发生约2 5 x1 0 3 的大型滑坡，引起水库涌浪致使下游一村庄被毁，约2 5 0 0 人丧生。事后分析表 明，库水的渗透压力引起了岩体的变形和破坏是造成这次灾害的主要原因。这就 揭示了裂隙岩体渗流与应力耦合作用的重要性。同样我国梅山连拱坝右岸基岩出 现大量漏水险情f 3 3 】以及很多岩体滑坡事故都与渗流应力耦合问题有直接关系。这 些工程事故真正引起各国岩土工程学者对岩体渗流场与应力场耦合问题的关注。 目前我国正在进行丈规模的工程建设，很多工程都会涉及到岩体渗流场与应 力场的问题，人们对于渗流问题对工程安全的影响非常关心。 1 2 单裂隙水力特性、力学特性及其耦合的研究 单裂隙的水力特性和力学特性是研究裂隙岩体水力和力学特性的基础。国内 外学者对单裂隙的水力力学特性展开了广泛的研究。由于实际的裂隙面总是粗糙 第一章绪论 不平的，因此首先要对裂隙表面的粗糙性进行描述，描述的方法通常可归纳为三 类删：凸起高度表征法、节理粗糙度j r c 表征法和分数维表征法。 凸起高度表征法是直接以裂隙表面的凸起高度函数或凸起高度的概率密度 函数来描述裂隙表面的粗糙性，该法需要精确测量裂隙面上每一个测点的凸起高 度。因此很难适合于实际工程中。 b a r t o n 于1 9 7 7 年提出了确定j r c 的1 0 条标准剖面，并经国际岩石力学学 会推荐而被广泛采用。j r c 的确定就是采用标准剖面对照法。但是实际工程中结 构面是很复杂的。很难用l o 条标准剖面完全表述。 分数维表征法是随着分形几何理论的发展而兴起的一种新兴的方法，由于光 滑的裂隙为二维，极端粗糙的裂隙接近三维，因此实际的裂隙的维数应该在二与 三之间，即是一个分数维，因此可以采用分数维的大小表征裂隙面的粗糙程度。 随着测定分数维维数的发展，该方法是一种很有应用前景的方法。 1 2 1 单裂隙水力特性研究 岩体的水力研究包含单裂隙面水力特性的研究和裂隙岩体渗流模型的建立 及其分析研究。作为岩体水力学的基础，单裂隙水力特性至关重要。单裂隙面水 流特性的研究始于二十世纪5 0 年代初，前苏联学者率先对单一裂隙进行了水力 试验，提出了最早的单裂隙计算理论。随后法国学者l o u i s 【2 9 , 3 0 等也进行了平行 平板裂隙的水流试验。早期的研究是把单裂隙简化为等隙宽、裂隙面光滑且无限 延伸、裂隙壁无水流交换的平行平板，且研究的是粘性不可压缩的流体，他们通 过试验提出了著名的立方定律，并且证实：当水流处于层流运动时，立方定律是 适用的，即裂隙中的流量与隙宽的三次方成正比。立方定律是描述光滑平行板裂 隙面水流运动规律的一个著名的定律，由此可以看出隙宽是对渗流影响最大的水 力参数。r o m m 3 3 】还研究了微裂隙( 1 0 1 0 0 | lm ) 和极微裂隙( 0 2 5 4 3l lm ) 的情况，认为只要隙宽大于o 2 | lm ，立方定律总是成立的。 国内速宝玉等对单裂隙水流运动做了较系统的试验研究：单个光滑裂隙水流 试验，仿天然岩体裂隙渗流特性试验交叉裂隙水流试验，充填裂隙水流渗流特 性试验，裂隙网络模型试验，单裂隙渗流与应力耦合特性试验，给出了以上几种 情况的改进计算公式，得出了一些有参考价值的结论。另外由于天然情况下裂隙 面大多是粗糙不平的，很难满足平行板裂隙的假定因此许多学者相继对粗糙裂 深部岩体渗透张量计算分析及应力渗淹耦合的试验研究 隙的水流特性进行了试验研究，根据对粗糙性定义的不同，分别提出了相应的修 正立方定律。l o u i s 、l o m i z c 2 9 j 2 1 通过对仿天然裂隙的试验研究，提出了裂隙面 粗糙性修正系数修正法，并指出裂隙面粗糙性修正系数与裂隙面的凸起高度分布 情况有关。n e u z i l d l 】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，通过数学推导提出了隙宽密度分布函数修正法。b a 哟n f 3 刀通过大量试验， 提出了节理粗糙度系数j r c 修正法。国内周创兵【1 川等考虑了天然节理的地质属 性及渗流与变形的耦合效应，提出一个适用于一般节理渗流的广义立方定律。由 于人们习惯了采用立方定律来描述实际裂隙的水流运动规律，所以对于粗糙裂 隙，如果仍采用立方定律，则其中的隙宽含义不再是几何平均隙宽的含义了，而 是等效水力隙宽，等效水力隙宽是为了应用立方定律而提出的一个概念，即将试 验所得裂隙的渗流量代入立方定律反求得到的裂隙宽度。 1 2 2 单裂隙力学特性研究 岩体行为的一个关键问题是不连续结构面的变形行为。所有岩体都是不连续 体，其行为是否可以看作连续体取决于不连续结构面的变化。实际上不管是用连 续介质方法还是用非连续介质分析方法，都需要对不连续结构面的行为给予一个 适当的描述。不连续面的力学特性影响岩体的强度、刚度和渗透性，即岩体行为 的主要方面。从物理上看不连续面影响岩体行为的因素就是裂隙面上的租糙体 ( 粗糙度) 。当加载时，粗糙体的影响本质上取决于他们的变形特性。 在单裂隙的力学变形特性分析方面。g o o d m a n ( 1 9 8 0 ) 、b a n d i s ( 1 9 8 3 ) 、 b a r t o n ( 1 9 8 5 ) 、孙广, 忠( 1 9 8 3 ) e 3 8 1 等通过试验研究，获得了有关结构面法向压缩量、 剪切变形、法向刚度、剪切刚度等多方面的经验公式。g o o d m a n 在试验的基础 上提出了应用甚广的节理面单元。p l e s h 还建立了单节理的本构关系并通过试验 加以证实。r o k o 也分析了节理粗糙体的变形并进行了力学意义上的解释。l i n 也对裂隙岩体的不连续结构面变形分析。卓家寿等把大的地质结构面当作软弱夹 层建立了弹塑性本构关系。 1 2 3 单裂隙耦合特性研究 人们一开始就着重关心法向应力对裂隙水力特性的影响。单裂隙渗透性与法 向应力关系有以下几个方面的工作： 4 第一章绪论 1 直接通过试验总结出渗透特性与应力的经验公式 l o u i s 根据一些钻孔压水试验成果直接总结出裂隙渗透性和应力的关系式。 s n o w 、j o n e s 、k r a n z 、g a l e 等通过实验研究直接得到了渗透性和应力的关系式。 国内也有一些学者开展了这方面的试验研究工作，速宝玉等人通过对圆柱形试件 的实验研究后提出一些经验公式。这些公式都是在特定条件下得出的，他们的适 用性尚需要进一步的验证。 2 根据裂隙面的法向变形公式间接地导出渗透特性与应力的关系 在法向应力作用下，裂隙面将发生一定的闭合，根据已有的法向变形经验公 式，再利用等效水力隙宽b 。与机械隙宽b 之间的关系来建立渗透性与应力的关 系式。b a r t o n 、刘继山等利用单裂隙面的变形规律间接的得出渗透性与应力的关 系式，周创兵等将一般的岩石节理概化为厚度为b 的界面层，在法向应力和剪切 应力的作用下导出广义立方定理。 3 提出某种理论概念模型来解释渗流应力的耦合规律 为了解释应力作用对裂隙面渗透性的影响机理，人们提出了一些理论模型： 洞穴模型、钉床模型以及洞穴一粗糙体结合模型。g a n g i 首先提出钉床模型，将 裂隙面上的凸起比拟成具有一定概率密度分布形式的钉状物，并以钉状物的压缩 来反映应力对渗流的影响。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，用来描述应力对裂隙面的渗流特性的影响。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粗糙体结合模型，该模型将裂隙面看成是 由两粗糙体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， 以粗糙体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，还引起粗糙体接触面积的增加，该模型较好的解释了单裂隙面渗流、力 学及其耦合特性。 以上工作较多地考虑正应力作用下裂隙渗流的水力特性，近年来人们开始关 注剪切变形对裂隙水力特性的影响。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 s k a h a s h i 在砂岩、花岗岩的剪切和渗流耦合分析方 面作了相应的工作。国内刘才华、陈从新等通过对规则、均匀、粗糙裂隙的渗流 剪切实验，结合裂隙面受剪时的力学机理，研究了岩体裂隙在剪切荷载作用下的 深部岩体渗透张量计算分析及应力渗流耦合的试验研究 渗流特性，实验结果表明，剪切荷载作用下，渗透性在裂隙剪动前随剪应力的增 加而降低，且渗透系数与剪应力有十分明显的线性关系。耿克勤对剪切变形与渗 流耦合也进行了试验探讨。裂隙面剪切变形对渗透系数的影响取决于裂隙面的几 何形态、剪切位移和法向应力的大小。进来，r e n s h a w 通过试验和数值分析方法 分析了粗糙裂隙力学变形与裂隙水力开度之间的关系。6 e n t i e r 则分析了裂隙在 剪切应力作用下裂隙水流的各向异性及其与剪切方向和注水压力的关系。 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，特别是在复杂应力环境下，其水力特性更趋复杂。对于单裂隙的渗流应力 耦合研究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，设计出 能真实反映实际情况的试验模型，进一步完善立方定理。 1 3 裂隙岩体渗流模型研究 裂隙岩体渗流模型的建立是进行裂隙岩体渗流分析的基础，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，因而研 究进展缓慢已有不少学者提出了各种各样的裂隙渗流模型，但每种模型都有其 不足之处，如何建立和选择一个较为完善的裂隙岩体渗流模型仍是需进一步探讨 的课题。目前已有的模型主要是沿两个方向发展起来的，一是考虑了岩体中裂隙 系统和岩块孔隙系统之间的水交替过程，即所谓的“裂隙一孔隙双重介质模型”， 认为裂隙岩体是由孔隙性差而导水性强的裂隙系统和孔隙性好而导水性弱的岩 块孔隙系统共同构成的统一体。该模型首先基于达西定律分别建立两类系统的水 流运动方程，再利用两类系统之间的水交替方程将其联系起来。 另一种是忽略了岩块的渗透性，着重研究裂隙的导水作用。由于岩块的渗透 性和裂隙的相比一般相差几个数量级，因此可以作出这样的假定。该类模型能够 反映裂隙岩体渗流的非均匀、各向异性等特性、这是目前研究最多、应用最广的 模型。此类模型主要包括等效连续介质模型、离散裂隙介质模型以及结合两者优 点的等效一离散模型。 1 等效连续介质模型 该模型是将裂隙中的水流等效平均到整个岩体中，将裂隙岩体模拟成具有对 称渗透张量的各向异性连续体，然后利用经典的连续介质理论进行分析。裂隙岩 体表现出与多孔连续介质相似的渗透特性，水头随空间点连续分布，渗流场的求 6 第一章绪论 解以渗透张量为基础。 等效连续介质模型的突出优点是可以沿用各向异性连续介质理论进行分析， 无论在理论上还是在解题方法上均有雄厚的基础和经验，但等效连续介质模型在 应用时尚存在两方面的困难：一是裂隙岩体等效渗透张量的确定，二是等效连续 介质模型的有效性问题。 2 离散裂隙介质模型 该模型是在搞清每条裂隙的空间方位、隙宽等几何参数的前提下，以单个裂 隙内水流基本公式为基础。利用流入和流出各裂隙交叉点流量相等的原则建立方 程，然后通过求解方程组获得各裂隙交叉点的水头值。这种模型接近实际，但处 理起来难度较大，数值分析工作量大。 3 等效一离散模型 该模型是结合了前两模型的优点而提出的一种新的模型。当裂隙密度较小时 运用离散裂隙介质模型克服了等效连续介质模型的有效性问题；当裂隙密度较大 是可以运用等效连续介质模型从而克服了离散裂隙介质模型计算量的缺点，然后 根据两者交界处的水头相等以及结点流量平衡来建立方程。 1 4 等效渗透张量的确定方法 在渗流理论及渗流控制研究过程中，渗流场分析的正确与否取决于控制方程 中的各项参数，其中最困难、也是最为重要的为渗透系数的确定。裂隙岩体渗透 系数的求得主要有：实验室法、反演法、现场测试法、和等效连续介质渗透张量 法。 对于实验室法，由于人造裂隙与天然裂隙的差异，使得室内试验往往很难满 足工程应用的要求。 反演法是根据地下水动态观测资料或抽水试验资料等已经获得的各处地下 水面或水头分布，反过来确定渗透系数、给水度等水文地质参数。可分为直接法 和间接法两类。直接法计算稳定性差，对实测资料要求过高，因此通常采用间接 法。由于渗透张量具有6 个独立参数，参数较多，在应用该方法确定渗透张量时 可能会遇到不唯一和不稳定等问题，同时，渗透张量参数初值及一些优化系数的 选定在很大程度上依赖于经验，选择不当不仅影响计算速度，甚至会影响结果的 收敛性。 深部岩体渗透张量计算分析及应力渗流耦合的试验研究 现场测试法就是根据野外压水试验及少量抽水试验来确定岩体的渗透系数， 它包括单孔压水试验、三段压水试验( l o u i s ，1 9 7 2 ) 、修正渗透张量的压水试验 ( r o e h a ，f r a n c i s s ，1 9 7 8 ) 、三孔交叉压水试验( h s i e h ，n e w n a n ，1 9 8 3 ) 等。由于裂 隙岩体的渗透性的离散程度大，使得现场测试法试验结果具有尺寸效应。 等效连续介质渗透张量法即根据裂隙水力参数( 隙宽、隙间距、产状) 的统计 计算渗透张量，其理论基础是完备的。但这种方法认为每一系统的裂隙方向、密 度和宽度都是绝对稳定的。这种假设同裂隙网络实际存在的不均一性并不符合， 故完全通过裂隙宽度、间距以及其方位统计而求得渗透张量的方法也具有一定的 局限性。但通常情况下在短时间内就可以较廉价地获得大量节理裂隙的水力参 数，从而获得需要的渗透张量，并且其结果可以同其他方法一起修正。相比较而 言等效连续介质渗透张量法是种切实可行的方法。 1 5 等效连续介质模型的有效性研究 有效性是合理使用等效连续介质模型的一个重要条件，有效性问题也就是裂 隙介质是否存在岩体表征单元体积r e v ( r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a r yv o l u m e ) 的 问题。 b e a r 和b a e h m a t ( 1 9 9 0 ) 给出了裂隙介质表征单元体的定义：表征单元体是 指能够宏观地反映研究区域渗透特性的最小区域。在进行岩体渗透特性试验过程 中，当试样体积超过某一定值后，所测得的渗透系数不再有明显的变化，而是趋 于一个稳定的值，此值就是岩体的渗透特性表征单元体。 图1 2 裂晾岩体典型单元体的定义 ( 据b e a r 和b e 噍o w i t z ，1 9 9 0 ) 8 第一章绪论 岩体的空隙度由岩块孔隙度n d 和裂隙空隙度n f 组成，设p 点为裂隙介质中 的一个数学点，它可能落在岩体的任何部位。以p 为中心，任取一体积v ，求出 t ， 其中空隙所占的体积v ，则空隙度为啊= 罟，当所取的体积v i 大小不同时，空 r 隙度n i 的值有可能变化，如图1 2 所示。 对于r e v 的研究是很有意义的，因为它是衡量岩体等效连续介质模型适用 性的重要标准。许多学者对此作出了研究，提出了一些判别准则，如h 喊s 认为， 在所研究的工程体范围内，岩体中裂隙数目在1 0 0 0 条以上对，可以采用等效连 续介质模型；m a i m i 认为，若岩体中的平均裂隙间距与构筑尺寸之比小于1 2 0 时，可以采用等效连续介质模型；w i l s o n 和w i t h e r s p o o n 认为，如果岩体中的最 大节理间距与构筑尺寸之比小于1 5 0 时，可以采用等效连续介质模型，但所有 这些判据都是由某一具体的工程或理论分析得出的，还不具备普遍性。 1 6 本文主要工作 1 分析了单裂隙的水力特性、力学特性及其与应力的耦合关系。并且在甘肃北 山某地进行了水压致裂法地应力测量和高压压水试验，得到了该地区的地应 力值和沿钻孔深度的各段渗透系数值，然后通过回归分析获得了该地区的水 力特性与应力的耦合关系。 2 研究了等效连续介质模型等效渗透张量的计算方法。运用v i s u a lf o r l r a n 编制 了裂隙岩体渗透系数张量的计算程序，程序根据岩体裂隙的水力参数可以方 便地计算得到岩体的渗透张量，同时获得渗透主值和渗透主轴的方位，还可 以绘制出任意两个渗透主轴的渗透椭圆。 3 通过钻孔岩芯裂隙编录和钻孔电视获得了莱钻孔岩体裂隙的产状和水力参 数，分析统计了岩体裂隙各参数的分布规律并进行了有效的分组。然后运用 所编制的渗透系数张量计算程序计算出了钻孔岩体的渗透系数张量，同时与 高压压水试验所取得的岩体渗透系数值进行修正。 4 首先讨论了露头测量面积的确定，然后运用窗口统计法测量了该钻孔周围 1 s k i n 2 范围内6 3 个露头的节理的产状、迹长和隙宽。分析了各个参数的分布 规律，计算得到了各露头岩体的渗透张量。分析了该区域的渗透规律。 9 深部岩体渗透张量计算分析及应力渗流耦台的试验研究 第二章渗流应力耦合的现场试验研究 2 1 引言 自从人们认识到裂隙在岩体中的重要性以来，作为基础性的单裂隙面渗流、 力学及其耦合特性首先成为人们理论和试验研究的重点。在单裂隙面的渗流、应 力耦合机理方面，l o u i s ( 1 9 7 4 ) 吼州，j o n e s ( 1 9 7 5 ) m 1 ，n e l s o n ( 1 9 7 5 ) 嘲，k r a n z ( 1 9 7 8 ) b 叮等通过试验研究直接得到了渗透性和应力的关系 式，b a r t o n ( 1 9 8 5 ) 汹_ 3 ”，刘继山( 1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) 慨捌等利用单裂隙面的变形援律间接 地得出渗流与应力的关系式，还有学者试图提出某种理论概念模型来解释渗流与 应力的耦合规律。 2 1 1 直接经验公式 目前，已有部分国外学者对单裂隙渗流一应力的耦合关系进行了探索性的试 验研究，主要成果有： l o u i s 啪3 町首先对单裂隙面渗流与应力的关系进行了探索性的实验研究，提 出了指数型的经验公式： k 。= k o e 一” ( 2 一1 ) 式中：为初始渗透系数，0 为法向应力，a 为常数，k p 为裂隙渗透系数。 j o n e s 。”通过试验针对碳酸岩类提出了对数型的岩石裂隙渗透系数经验公 式： k ，= k o 1 0 9 ( p h 剀3 ( 2 - 2 ) 式中p 为法向有效应力，1 3 。为使i ( p = 0 时的闭合法向有效压力，k 。为试验常 数。 n e l s o n 1 通过试验提出n a v a j o 砂岩裂隙渗透系数的经验公式： k 。= a + b p “ ( 2 3 ) 式中p 为有效压力，a ，b ，n 为常数。 k r a n z n 帕得出b a r r e 花岗岩的裂隙渗透系数经验公式： 1 0 第二章渗流应力耦合的现场试验研究 k ，爿= 玩( p 。一p i ) 1 ( 2 4 ) 式中a 为过水面积，p 。为总压力，p f 为内部孔隙水压力，r l 为常数。 2 1 2 间接公式 支i j 继出根据孙广忠提出豹指数型o 。一v 。曲线，建立单裂隙的渗流公式对 按裂隙开度的平均值来计算导出了如下公式： 牛器e + 鲁 ( 2 _ 5 ) 式中 。= b 。k ，k 。为初始法向剐度。 古德曼给出了节理变形单元矿= 0 一三) 匕， 式中：w 为节理闭合变形量；e 为常数：k 为节理最大闭合变形量。据 此可以导出： q = c o 一” ( 2 - 6 ) 式中，q 为流量，c ，i l l ，n 为常数。 b a r t 。n 根据b a n d i s 提出的双曲线型o - a v a 曲线，y p 提出b , = 芴叁万得出 如下公式 妒蛊( 1 + 丧) _ 6 ( 2 _ ，) 可以看出，间接公式的导出，均是基于如下思想，即在一定的法向应力作用下， 裂隙面会发生一定的闭合，即裂隙宽度减小了，从而使裂隙的渗流量发生了变化。 也就是说，间接公式是根据已有的法向变形经验公式( 未考虑渗流作用) ，间接地 导出渗透性与应力的关系。 上述经验公式都揭示出了裂隙的透水性随着法向应力的增加而减小的趋势， 但是对于不同地区不同岩性的裂隙岩体来说还是存在着较大的差别的。本文在甘 肃北山的花岗岩地区中的一个钻孔中进行了水压致裂法地应力测量试验和高压 压水试验，该钻孔深5 0 0 m 、直径为9 6 m m ，然后分析该地区花岗岩裂隙岩体的 渗透系数与该地区地应力之间的关系。通过非线性回归分析得出了渗透系数随应 力的增加呈负指数递减的关系。 深部岩体渗透张量计算分析及应力渗流耦合的试验研究 2 2 1 测区地质概况 2 2 水压致裂法地应力测量 试验地区地貌为低山丘陵区，海拔1 4 4 0 2 0 7 0 m ，相对高差很小，地势低缓。 该区为典型内陆干旱性气候，大部分为干旱戈壁或基岩裸露的低山。该区位于北 山南带中段，大地构造位置处于塔里木板块东端。属二级大地构造单元塔里木地 台和北山古生代褶皱带的衔接部。研究区南北两侧以区域性东西向断裂、褶皱和 韧性剪切带为主，中部以北东向断裂为主导的构造格局。钻孔岩石的岩性主要为 似斑状二长花岗岩、云英闪长岩及黑云母花岗岩。 图2 1 区域地质图 2 2 2 水压致裂法地应力测量原理 水压致裂法地应力测量是一种地应力的直接测量法，在2 0 世纪5 0 年代被广 泛应用于油田，通过在钻井中制造人工的裂隙来提高石油的产量。后来哈伯特 ( m k h u b b e r t ) 和威利斯( d g w l l i s ) 在实践中发现了水压致裂裂隙和原岩应 力之间的关系。这一发现又被费尔赫斯特( c f a i r h u r s t ) 和海姆森( b c h a i m s o n ) 用于地应力测量 水压致裂法地应力测量原理是：利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测 试深度封隔一段钻孔。然后泵入液体对这段钻孔施压，根据压裂过程曲线的压力 特征值计算地应力。水压致裂系统如图2 3 所示： 第二章渗流应力耦台的现场试验研究 图2 , 2 水压致裂测试现场 图2 3 水压致裂系统示意图 。龟 斗i 一挺i o l 1 日r ，畔l i l 一j o o 1 3 唧 图2 4 舍圆孔无限大平面的应力状态 水压致裂法确定地应力时，对岩体作了下列假定：围岩是线性、均匀、各向 同性的弹性体；围岩为多孔介质时，注入的流体按达西定律在岩体孔隙中流动。 深部岩体渗透张量计算分析及应力渗流耦台的试验研究 另外，当钻孔沿铅直方向时( 如本次测试孔) ，假定铅直向应力av 为主应力之一， 大小等于上覆岩层的压力，则水压致裂法地应力测量的力学原理可以简化为弹性 平面问题。如图2 4 ，含有圆孔的无限大平板受两向应力a a 和a b ( a a o b ) 由弹性力学分析可知破裂缝产生在钻孔孔壁最薄弱的部位，在那里拉应力最 大。因此，围岩二次应力场中最小应力出现的部位最为关键。 孔周附近的二次应力状态为： , 一- t o a + o b ( - + 多一半c + 等细s z 目 z = 半( 一多+ 学( + 7 3 q 4 4 q 2 s 2 口 ( 2 - s ) 咖一孕”等+ 等s i n ” 式中：a 为钻孔半径，r 为径向距离，0 为极径与轴x 的夹角，o ，、o 。和t i e 分别为径向应力，切向应力和剪切应力，g a 和口b 分别为钻孔横截面上最大和最 小主应力。 在孔周岩壁( f a ) 的应力状态如式( 2 - 9 ) ： o - ；= p + o - 8 ) 一2 ( a j o - 日) c o s 2 6 o - ：= 0( 2 - 9 ) f m = 0 在水压致裂测量时，施加液压p w 产生的附加应力如下式： 在孔周岩壁( r _ a ) 的附加应力为： 盯i 一 ( 2 - 1 1 ) o - ：1p 。 因此，水压致裂法地应力测量钻孔岩壁上的应力状态为： = 西+ 一= p ，) 一2 p _ 一o - b ) c o s 2 # 一易( 2 - 1 2 ) 水压致裂法试验选在较完整的测段进行，试验步骤为： 1 座封：通过钻杆将两个可膨胀的橡胶封隔器放置到选定的压裂段，加压使其膨 p r = = 第二章渗流应力耦合的现场试验研究 胀、座封于孔壁上，形成承压段空间见图2 3 。 2 注水加压：通过钻杆推动转换阀后，液压泵对压裂段注水加压( 此时封隔器压 力保持不变) ，钻孔孔壁承受逐渐增强的液压作用。 3 岩壁致裂：在足够大的液压作用下，孔壁沿阻力最小的方向出现破裂，该破裂 将在垂直于横截面上最小主应力的平面内延伸。与之相应，当泵压上升到临界破 裂压力p b 后，由于岩石破裂导致压力值急剧下降。 4 关泵：关闭压力泵后，泵压迅速下降，然后随着压裂液渗入到岩层泵压下降缓 慢。当压力降到使裂缝处于临界闭合状态时的压力，即垂直于裂缝面的最小主应 力与液压回路达到平衡时的压力，称为瞬时关闭压力p s 。 5 卸压：打开压力阀卸压，使裂缝完全闭合，泵压记录降为零。 6 重张：按2 至5 步骤连续进行多次加压循环，以便取得合理的压裂参数，判断 岩石破裂和裂缝延伸的过程。 7 解封：压裂完毕后，通过钻杆拉动转换阀，使封隔器内液体通过钻杆排出，此 时封隔器收缩恢复原状，即封隔器解封。 8 破裂缝方向记录：以上步骤仅能获得地应力的大小，而它们的方向则要通过破 裂缝方位来判断。本次采用定向印模器，通过扩张印模胶简外层的生橡胶和能自 动定向的定向器记录破裂缝的长度和方向。 图2 6 典型压裂曲线示意圈 m 一 模 一 深部岩体渗透张量计算分析及应力渗流耦合的试验研究 2 2 3 水压致裂法地应力测量基本公式 由于深孔围岩存在着孔隙压力，实际上岩体的地应力由有效应力o ( 岩石 晶格骨架所承受的应力) 和孔隙水压p o 组成，即盯片2 乃+ ，2 + r ， oh 和oh 为钻孔横截面上最大和最小主应力。在水压致裂测试过程中，随着压 力段的液压增大，孔壁上有效应力逐渐下降，最终变为拉应力，当切向有效应力 值等于或大于岩石的抗拉强度o 。时，孔壁上开始出现破裂缝。( 本次试验中，破 裂压力p b 、关闭压力p 。、和重张压力p r 为直接测量，最大、最小水平应力值是 通过直接测量值计算获得的，由于p b 、p s 、p r 是由压力表在地面测得的，故在参 与计算时还应考虑测段中心到地面钻杆中水头 压力的影响p h ，地下水位取为6 0 米) 即： ( 2 - 1 3 ) 地下水面 - p o 蕊 渊段， 圈2 7 应力测试段示意图 最小水平主压力的计算 根据破裂缝沿最小阻力路径传播的原理。在岩体破裂后关闭压力泵，维持裂 隙张开的瞬时关闭压力只，就等于垂直破裂面方向的压应力，即最小水平主应 力： 2 只2 ( 只+ 只) ( 2 1 4 ) 最大水平主应力的计算 岩石破裂出现的临界压力( 忍) 已由海姆森公式给出： 爿一r = 半 1 5 ) 1 6 只只只 + + + 只只只 一一 = = p。p， ，j、【 第- - 章潘流应力耦合的现场试验研究 式中：k 为孔隙渗透弹性系数，可在试验室内确定，其变化范围为1 k 2 。 对非渗透性岩石，k 值近似等于1 ，故上式可简化为： 最= 3 i x 日一盯 + q + p o ( 2 1 6 ) 若以地应力代替上式中的有效应力，可得出： 矗= 3 0 h 一盯h + q 一异 ( 2 1 7 ) 即： 仃5 3 口 一只+ q 一蜀 ( 2 一1 8 ) 根据上式计算最大水平主应力oh 时，还需要知道ot ( 岩石的抗拉强度) 的 值，而利用重张压力来计算就不需知道o 。的值。在试验中，在第一次加压循环 过程中，使完整的孔壁围岩破裂，出现明显的破裂压力五，而在以后的加压循 环过程中，因岩石已破裂，故其抗拉强度o t = 0 ，则重张压力p ：为： 寥2 3 一一晶 ( 2 1 9 ) 因此采用重张压力来计算最大水平主应力更为快捷，计算如下： 盯= 3 a h 一牟一只 ( 2 2 0 ) 另外根据此次试验还可以计算得到岩石的抗拉强度值，比较式( 2 1 7 ) 和式 ( 2 - 1 9 ) 可近似得到孔壁岩石的抗拉强度： o 1 = 矗一只 ( 2 - 2 1 ) 水压致裂破裂面一般沿垂直于横截面上最小主应力方向的平面扩展( - - 般形 成平行于钻孔轴线的裂缝) ，其延伸方向就是钻孔横截面上的最大主应力方向。 然后根据所测得的临界破裂压力p b 、瞬时关闭压力p 。与最大、最小水平地 应力的关系即可计算得到水平应力值。 2 2 4 水压致裂法地应力测试结果及分析 本次试验在5 0 0 m 深钻孔中共选择了2 6 个测段进行测试，成功地获得1 6 个 测段的压裂曲线资