岩石微裂隙渗流特性研究的新进展

2017-04-09宋伟杰陈海涛邓美旭杜贻腾

四川水泥 2017年9期

关键词：开度粗糙度渗流

宋伟杰陈海涛邓美旭杜贻腾

(山东科技大学土木工程与建筑学院)

岩石微裂隙渗流特性研究的新进展

宋伟杰陈海涛邓美旭杜贻腾

(山东科技大学土木工程与建筑学院)

对国内外岩石微裂隙渗流特性的最新研究成果进行综述，并分析讨论相关微裂隙结论的适用性与可靠性。分析表明：在微裂隙渗流特性研究中，力学开度、节理粗糙度系数等参数的有效确定对于理论研究、实验开展以及数值模拟方面起到了至关重要的作用，微裂隙的试验研究还处于探索阶段，高精度的测量仪器在裂隙领域当中的应用研究还有待加强，本文的结论也为微裂隙渗流特性的研究提供了一定的借鉴和方向。

岩石力学；微裂隙；力学开度；渗流特性；综述

1 引言

在深部地下工程中，冲击地压、围岩大变形、突水等自然灾害频繁发生，究其原因，其发生的共同条件均是由于围岩内部的微小裂隙发展直至贯通而引发的。岩体内由于裂隙而产生的缺陷，使得岩体的渗流特性发生严重变化。随着国内外学者对裂隙的深入研究，发现在深部矿井中，微裂隙在高压水条件下有着极好的透水性，并且无法通过注浆技术解决，这严重影响矿井的安全高效生产。因此，对岩石微裂隙渗流特性开展研究，具有很重要的实际意义[1]。

裂隙主要是由于构造变动和风化所形成，这里所指的微裂隙张开宽度是在0.1～10μm之间，当然，目前而言，国内外对于岩石裂隙渗流特性的研究尚未达到深入阶段。微裂隙作为裂隙的一个分支，对其相关的研究相对较少，因此，开展对岩石微裂隙渗流特性的研究势在必行。本文旨在通过对微裂隙的水力学性质，渗流特性理论及实验方面的进展进行分析，以期为微裂隙渗流特性变化规律的进一步探索提供依据。

2 微裂隙的水力学性质

2.1 微裂隙的开度

裂隙的开度包括力学开度和水力等效开度[2]。力学力度是指裂隙在几何上测量到的开度，其定义通常等同于均值开度，水力等效开度是指通过渗流计算分析得到的且符合立方定律的裂隙开度。

由于水力等效开度需通过实验由立方定律计算获取，受实验条件、方法影响较大，故此处重点对微裂隙的力学开度开展讨论。

与裂隙不同的是微裂隙的力学开度是处于微米级的，由力学开度定义可知，其是由物理方法测量出来的，因此如何采用行之有效的方法对微裂隙开度进行准确的测量是至关重要的，目前主要采用的是核磁共振和CT扫描这两种方法来对为裂隙的力学开度进行描述。

核磁共振在医学诊断、石油勘探等领域有着广泛地应用，具有无损、快速检测的显著特点，使其在岩石物理检测中发挥着重要作用，通过核磁共振可以对岩石试件的微裂隙开度、粗糙度、渗透率、接触面积等重要参数进行实时无损检测，有效解决了微裂隙力学开度难以检测的技术瓶颈。其中赵杰等[3]通过核磁共振技术对岩石的孔隙结构进行了实验研究，获得了转换模型系数与孔渗比之间的关系；潘一山等[4]利用核磁共振技术对煤体的裂隙结构进行检测，得到了煤样主裂隙的分布情况。可见核磁共振技术在岩石微裂隙的检测方面已初步得到了较好的应用。

CT扫描技术同核磁共振类似，可以无损快速对岩石试样的开度进行检测。但CT扫描技术的精度相对较低，一般可以达到微米级，核磁共振可以达到纳米级，CT在具有一定局限性的同时也具有着针对性，使实验更加快速高效地完成。其中，Verhelst F.通过CT扫描技术对岩样的微裂纹结构进行了分析；葛修润等在单轴压缩实验条件下，通过CT对岩石裂隙细观扩展规律进行实时扫描。可见CT扫描技术已在岩石微裂隙的检测中发挥着重要作用。

2.2 微裂隙的粗糙度

目前，对于微裂隙粗糙度的评价体系尚不完善，主要的评价指标为：节理粗糙度系数（JRC）、分数维（D）和裂隙面起伏差等[5]，由于 JRC与裂隙的力学特征联系密切，故其被广泛采纳，现主要对JCR进行介绍。

JRC是岩石节理表面几何形态的定量描述参数，其对微裂隙渗流特性具有重要影响。

JRC的确定方法主要有两种：一种是剪切实验法；另一种是对比法。当然这两种方法就不能精确确定裂隙的JRC。1977年N.Barton和V.Choubey[6]提出了划分为10个等级的典型粗糙度剖面图，所以现有的试验方法都是在此基础上人为制作的裂隙，对于天然或未知的裂隙形态尚无法有效去获得精确的JRC值。

3 微裂隙渗流特性理论

由于岩石裂隙的差异性与复杂性，最早的室内试验是采用两块光滑的平行板代表裂隙来开展研究的。最具代表性的是1951年M. Ломизе等[7]提出的立方定理，即通过裂隙的流量与隙宽三次方成比例，然而在实际情况当中，裂隙表面很少是光滑的，因此许多学者越来越关注粗糙裂隙的试验研究，在立方定理的基础上进行修正，主要还是集中在因粗糙度引起的裂隙过流能力的研究上，为解决粗糙度造成的偏差，TSANG Y W等提出了采用一个调整参数去解决并得到了很好的验证。随着渗流实验的不断深入，Barton等学者发现通过裂隙的流量与隙宽不是三次方的关系，隙宽指数n远远大于3，而Lomize等学者则通过紊流实验发现了隙宽指数n小于3的情况。目前，天然粗糙裂隙渗流的基本规律还没有得到完全统一的认识，对于渗流量与隙宽之间明显存在3种不同的关系，许光祥[8]将其归纳为：立方定律、超立方定律和次立方定律。

对于水力学开度和力学开度的关系，许多学者进行了广泛的探讨，目前认可度较高的是Y. W. Tsang和P. A. Witherspoon[9]在钉床模型和洞穴模型的基础上提出的洞穴凸起结合模型，当然所有模型建立的前提都依赖于对节理粗糙度系数（JRC）的确定，因此对于JRC的确定显得尤为重要。

就目前而言，微裂隙的粗糙度并未有引起广泛的关注，在此作者认为，微裂隙由于其力学开度的局限性，其JRC也势必具有其独特之处，大量工程实践表明，深部地下工程中微裂隙的JRC值不会超过8。

4 岩石微裂隙渗流特性实验的新进展

由于岩石微裂隙渗流特性实验过程中对于岩石内部的结构关系、物质组成及缺陷状况的高精度要求，可进行实时量测的仪器极为有限，而且核磁共振和CT扫描技术在岩土工程领域起步较晚，目前该方面的相关实验并不是很完善，相关核磁共振理论以及CT扫描的精度还有待进一步探究。

其中潘一山等利用核磁共振成像技术获取水饱和煤样的核磁共振图像，观察研究煤样的主裂隙及水在煤样流体通道中的流动情况；谢和平等借助CT扫描获得单轴压缩破坏过程中岩石材料内部的密度分布信息和统计特征，通过统计密度变化特征和分形指标描述研究微裂隙的演化行为。可见微裂隙渗流特性实验在高精密仪器的辅助下是可以很好地实现。