垂直交叉裂隙岩体渗透系数与裂隙特征关系试验研究

韩 杨， 高新强，张亚鹏

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036；2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

垂直交叉裂隙岩体渗透系数与裂隙特征关系试验研究

韩 杨1， 高新强2，张亚鹏1

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036；2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

采用巴西劈裂生成垂直交叉裂隙的方法来模拟隧道内灰岩张性裂隙。在岩石多功能试验机上开展垂直交叉裂隙岩体渗透系数与裂隙特征关系试验研究，主要研究了裂隙面积、粗糙度系数对裂隙渗透系数的影响。试验表明，垂直交叉裂隙渗透系数与裂隙面积呈n次方关系，随着粗糙度系数的增大，拟合函数由二次形式过渡到三次形式，且粗糙度系数靠近10时为过渡拐点，试验成果为裂隙岩体渗流场特征分析奠定了基础。

垂直交叉裂隙；渗透系数；裂隙面积；粗糙度系数；三轴试验

近年来，随着地下工程建设的高速发展，隧道穿越高水压地区越来越普遍，随之而来的渗流问题也日渐突出，例如墨脱公路穿越嘎隆拉隧道，大量的冰川融水透过岩石裂隙喷涌而出形成了隧道内大涌水，严重危害了嘎隆拉隧道的工程建设[1]。太行山隧道施工中遇到富水裂隙带发生了大量的高压喷水事故[2]，这些事故引起了地下工作者对渗流水力学问题的高度重视，尤其在提倡“以堵为主，限量排放”治水方案的背景下[3]，研究裂隙岩体渗流与裂隙特征之间的关系成了重要的基础性研究课题。以往的岩石渗流试验均未涉及交叉裂隙的情况，且大多是选取砂岩进行试验研究[4-6]，本文以铁路隧道灰岩裂隙为研究对象，通过室内试验，研究垂直交叉裂隙岩体渗透系数与裂隙特征之间的关系，研究结果有利于工程建设。

1 试验设备及岩石取样

垂直交叉裂隙渗流试验主要设备为TAW-2000M岩石多功能试验机，如图1所示，该设备能够实现轴向应力和径向应力的独立加载以及试验过程中的出水量、试样两端的渗透压差的实时监测，图2为试样在压力室内的安装方式。

岩体取自某铁路隧道内灰岩，依据水利水电工程岩石试验规程制备标准岩石试样[7]，端面平整度及高度方向上的倾斜偏差均满足试验规程要求。

图1 TAW-2000M岩石多功能试验系统

图2 试样压力室内安装

2 裂隙试样制备

采用巴西劈裂制备人工裂隙可以近似反映自然界中的张拉裂隙[8]，巴西劈裂试验加载装置及劈裂示意图如图3所示。而巴西劈裂法制备人工裂隙的关键是劈裂速度的设定，对一般灰岩，速度设定在5～8 mm/min为宜，巴西劈裂垂直交叉裂隙渗透试验试样如图4所示。

图4 巴西劈裂垂直交叉裂隙渗透试验试样

3 裂隙初始宽度与裂隙面粗糙度系数的测量

由于裂隙初始宽度的精确测量难度较大，各种测量方法都不可避免会出现较大的误差，目前应用较多的是武汉地质科学研究所采用的CT法及赵芳的基于角点分段算法[9]，本试验中采用了一种简捷的测算方法(凸起高度表征法)[10]。

该测算方法步骤如下： (1)采用纵剖仪法获取裂隙端面曲线图像，同时采用游标卡尺量取端面曲线两端的直线间距离。(2)将步骤(1)获取的裂隙端面曲线图像导入AutoCAD中，借助样条曲线工具将裂隙端面曲线绘制成 .dwg格式文件；由裂隙端面曲线两端的直线间距离，借助AutoCAD的缩放功能及绘制图形的LIST功能，测算出裂隙曲线的长度。(3)将端面裂隙进行图像处理，将(1)中获取的图像用MATLAB软件的中值滤波处理，获得具有较少噪声的图像，再运用Photoshop图像处理软件功能中的滤镜高反差保留功能及图层的阈值调整获取带有不同像素点的图像。(4)将步骤(3)得到的最终图像导入AutoCAD中进行处理，利用获取的图像像素点进行裂隙的测量工作，此过程会涉及图像之间不同比例的缩放，最终利用图形处理的 LIST功能测量出裂隙的面积Ac，再由步骤(2)测算出裂隙曲线长度Lc，最终计算出裂隙的初始宽度Bc=Ac/Lc。

裂隙面粗糙度系数的测量采用文献[11]给定的方法。采用纵剖仪法进行裂隙表面图像的描绘，并将描绘结果与标准粗糙度系数曲线作对比，选取两条线最接近的JRC值作为该裂隙面的粗糙度系数。试验测定的垂直交叉裂隙岩样裂隙特征基本信息见表1。

表1 垂直交叉裂隙岩样裂隙特征基本信息

编号JRC裂隙长度均值/mm裂隙初始宽度/mm裂隙初始端面裂隙面积/mm2113．548．610．28813．999210．549．200．31215．3503948．40．29014．0364548．220．27813．40557．548．530．41219．99461248．200．37217．93079．548．740．42820．86186．548．520．32815．915

4 试验数据及成果分析

根据经典渗流理论，当渗透系数很小，岩样两端压力差基本稳定时即达到稳定渗流状态，计算裂隙岩石渗透系数的公式为：

式中：k为渗透系数，m/s；ρ为水的密度；g为重力加速度；Q为流量，m3/s；L为试样高度，m；A为试样端裂隙面积，m2；ΔP为试样端面压力差，MPa。

以试样1～8为研究对象，如图4所示，试验过程中控制轴压为6.0MPa、围压以2.0MPa、4.0MPa、5.0MPa、6.0MPa、8.0MPa逐渐增加，在此仅列出表2所示的试样1的试验结果。试验数据经数据拟合后如图5所示，垂直交叉裂隙试样粗糙度系数及对应的拟合函数见表3。

表2 试样1在不同垂直交叉裂隙面积下的渗透系数

围压/MPa裂隙宽度/mm隙宽面积/mm2渗透系数/(m·s-1)2．00．1668．05016．37E-064．00．1336．56645．59E-065．00．1246．02084．95E-066．00．1165．59004．53E-068．00．1045．03013．93E-06

图5 试样1～8垂直交叉裂隙面积与渗透系数关系曲线

试样编号粗糙度系数拟合函数R2值113．5y=-8．75E-8x3+1．58E-6x2-8．42E-6x+1．73E-50．9994612y=-1．02E-7x3+3．26E-6x2-3．35E-5x+1．13E-40．9987210．5y=-7．01E-7x3+1．81E-5x2-1．54E-4x+4．33E-40．995879．5y=-4．79E-8x3+1．58E-6x2-1．59E-5x+5．15E-50．993039y=3．25E-7x2-3．23E-6x+1．40E-50．990657．5y=2．76E-7x2-2．09E-6x+6．93E-60．994686．5y=2．95E-8x2+2．25E-7x-7．17E-70．994745y=7．21E-8x2-6．99E-7x+3．46E-60．9761

由表3可知，垂直交叉裂隙的渗透系数与裂隙面积呈n次方关系。试样3、4、5、8拟合函数均为二次函数，试样1、2、6、7拟合函数均为三次函数。

随着粗糙度系数的增大拟合函数由二次形式过渡到三次形式。裂隙粗糙度越小，其初始闭合所需的围压能较快的使裂隙处于残余裂隙状态。裂隙粗糙度越大，其初始闭合所需的围压不能较快的使裂隙处于残余裂隙状态，导致初加围压时渗透系数降低较慢，而随着围压的进一步增大，裂隙之间的凸凹部分被压碎或挤紧，从而导致渗透系数急剧下降。

5 结论

通过改变裂隙面积、粗糙度系数值域来研究垂直交叉裂隙面积、粗糙度系数等与渗透系数之间的变化规律，试验结果表明垂直交叉裂隙岩体渗流与裂隙特征呈现如下规律：

(1)垂直交叉裂隙的渗透系数与裂隙面积呈n次方关系。

(2)随着裂隙粗糙度系数的增加，拟合函数逐渐由二次函数关系过渡到三次函数关系，说明拟合函数与粗糙度系数之间存在一定的关联。裂隙粗糙度越大，其初始闭合所需的围压不能较快的使裂隙处于残余裂隙状态，导致初加围压时渗透系数降低较慢，而随着围压的进一步增大，渗透系数急剧下降，此阶段类似于粗糙度系数较小情况时的曲线变化规律。

(3)垂直交叉粗糙度系数位于10附近时，渗透系数与裂隙面积的关系由二次函数过渡到三次函数。

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[11]沈明荣，陈建峰. 岩体力学[M].上海:同济大学出版社，2006.

Experimental study on relationship between permeability coefficient and fracture characteristics of vertical cross fractured rock mass

HAN Yang1，GAO Xin-qiang2，ZHANG Ya-peng1

(1.SchoolofCivilandTransportationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China; 2.SchoolofCivilEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China)

Using the method of the Brazil split to produce a vertical cross fracture to simulate the fracture of the rock mass in the tunnel. Experimental study was studied on the relationship between permeability coefficient and fracture characteristics of vertical cross fractured rock mass on the rock multi-function testing machine, the influence of fracture area and roughness coefficient on the permeability coefficient of the fracture. Test showed that the relationship between the permeability coefficient and the fracture area is n times in the vertical cross fracture, with the increase of the roughness coefficient, the fitting function transits from quadratic form to cubic form, and the roughness coefficient is close to 10 as the transition point. The experimental results lay the foundation for the analysis of seepage field in fractured rock mass.

vertical cross fracture; permeability coefficient; fracture area; roughness coefficient; three axis test

2016-05-03

国家自然科学基金(51378321)；河北省自然科学基金(E2014210131)

韩 杨(1988—)，男，河南开封人，硕士，助教。

1674-7046(2016)06-0011-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.06.003

TU 45

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