单裂隙砂岩渗流破坏特征试验研究

赫云龙 任富强 赵建强 曹景鹏 李昀航

摘要：在研究砂岩中渗流的特性对裂缝的产生会造成什么样的影响时，通常会在实验中利用激光共聚焦显微镜对不同种类砂岩的裂缝进行表面观测。然后通过对岩石添加三个方向的应力，以三个方向列放表面的粗糙度作為参数。进行各种单裂隙岩石渗流破坏特征实验，例如岩石单裂缝渗流实验、裂隙的大小与压力的关系的实验，应力对岩石表面粗糙度影响的实验，结合渗透力学的基本概念，我们可以发现在三向应力之下单裂隙岩石渗透的规律，可以建立在一定压力之下裂隙的大小与渗透系数的联系，可以发现实验结果与实际上有一定的吻合性，因此模型是相对而言比较合理的。

关键词：单裂隙砂岩;渗透系数;压力

引言：砂岩作为一种在人类的发展历程中与人类生活息息相关的一种天然材料。对其的研究，在矿山的挖掘，水电水利的开发，土木工程的建设，交通的运输等方面都有着举足轻重的作用。不同的岩石因为不同的生成环境其内部往往会产生一定的变化，内部往往也会产生各种不同的缺陷，如细小的裂缝，孔洞，断层等。这些都会影响一块岩石的力学特性。许多相关的工程往往是因为岩石的缺陷而导致最终的失败。所以对于研究单裂隙岩石的如何被破坏，和在受到破坏时的变化特征，进行不断的总结，是防止各种工程灾害发生的有效方法。所以单裂缝岩石渗透破坏特征的研究，通常在岩石力学研究的方向中作为热点。单裂缝岩体受到应力作用和和水渗透力作用时，这两方面的力场往往会相互影响，相互耦合，最后达到一种动态稳定的状态，并且应力也与渗透场也在此种情况下不停的进行耦合。所以在他人研究的基础之上，在许多角度对单裂缝岩石渗透破坏特征进行实验。可以观察其在破坏时的演变过程，得出其遭到破坏时的变化。在岩石灾害发生前的预警和参考。

1、沙岩表面粗糙度的测量

测量粗糙度的常用仪器有，光切显微镜和干涉显微镜，粗糙度测量仪，扫描隧道显微镜，采用无接触式激光表面形貌扫描仪。在不损害粗糙度的前提下，对表面的粗糙度进行高度的测量。从表面的凹凸形状通过激光扫描转化为光信号，再通过转换，转化为电信号。但是扫描所得的数据可能会因为外界的因素干扰，造成数据的误差。需要在实验前进行误差消除。出了路的主要目的是算出单裂隙砂岩无压强状态下的平均裂缝宽度。和岩石单裂隙的粗糙度渗流度以及有效压力进行之后的实验。实验数据进行整理算出相应的公式。

2、实验

2.1单裂缝砂岩实验材料的制作

为了保证砂岩实验的普遍性，实验结果的准确性。因选取不同种类的砂岩进行相同的实验。对于其他因素，比如砂岩的直径大小，形状都要保持相同，确保控制变量。所以我们先用岩石取芯机将砂眼岩打磨成直径50毫米×100毫米的圆柱形岩块，然后使用岩石切割机将其切成一片片直径50毫米×20毫米的圆饼形砂岩块。为了进行单裂缝砂岩实验，在圆饼形岩石块上进行切割，形成深度为两毫米的凹槽。用岩石压力机对圆饼形岩块施加三个方面的压力，观察圆形岩块裂缝的变化。为了减小岩块自身的缺陷所造成的误差，每种砂岩都选起一个裂缝面比较好。裂缝的偏差角度较小，颗粒分布均匀且无缺陷的岩石块。

2.2对砂岩裂缝表面的观察

为了取得砂岩裂缝表面的相关信息。其对各种单裂隙砂岩样本的表面进行扫描，以确定初始裂缝的原始信息，对不同的样本连续扫描10次取平均值来防止数据的不准确。为以后的数据计算提供基本依据。

2.3单裂隙砂岩渗流实验

因为要让砂岩圆片上的一部分裂缝，保持其原本宽度。所以，在裂缝两端叠加保护装置，材料最好为保鲜膜或者其他塑料。使其他裂缝充分隔水。让水流从我们所要使用的固定裂缝通过。用保鲜膜的层数来控制裂缝的大小，进而来控制水流的大小。或控制保鲜膜的厚度，是的，对同一种类的砂岩块进行实验。然后按照相同步骤，对不同种类的砂岩块进行实验。测量并记录其裂缝宽度的变化，由变化可推实验结果。而实验的仪器要包括供水供水系统，稳压系统，渗流系统，观测及收集系统，供水系统的作用主要是变频吸水，系统吸水之后，会将所吸之水储存在储水器里面。你用稳压系统给水流提供一定的压强。有系统的作用，主要是使水流只从岩块的裂缝的相同方位流出。观察系统主要是用于记录岩块的裂缝大小。一共实验25次，记录25种不同的数据。 选取5种不同的岩块，控制5种不同裂缝的大小。通过分析这25种数据来获取渗流对单裂隙砂岩裂缝的影响。

3、实验结果分析

3.1外表数据分析

与不同种类砂岩表面裂缝的分析，可以发现，如果砂岩的颗粒增大。砂岩裂隙表面粗糙度逐渐增大，单裂隙沙岩的表面会呈现起伏状。因为沙眼的主要结构为二氧化硅颗粒和一些碳酸钙成分。所以裂隙破坏时，首先会将碳酸钙的结合物开始，并形成裂隙延展。砂岩颗粒的直径越大，裂隙的粗糙度越高。裂缝的形成的宽度和大小也不同。

3.2砂岩裂隙渗流实验结果分析。

通过对数据进行制表，可以发现不同种类的砂岩，其裂隙渗流流量会发生曲线变化。随着裂隙宽度的增大。裂隙的渗流流量也会逐渐增大。会让裂隙增大速度，进一步的提高。可以发现，若裂隙的宽度处于在一定值之内，裂隙砂岩的流量会发生明显的变化。虽然很多因素都会引起砂岩裂隙渗流流量。但是裂隙的几何形状和渗流流体的粘度会作为主要因素影响。当裂隙的大小比较小时，流体性质对于裂隙渗流状态的影响比较大。不同种类的砂岩的裂隙渗流速度较小，裂隙的宽度处于一定状态之前，流体对于裂隙宽度的影响会大幅的下降。裂隙的宽度和裂隙表面的粗糙程度，会造成那些流量流速变化的主要影响因素。

4、实验中的问题

制取单裂隙岩样式，应该尽量保证裂隙平面平行于试样的轴面，该尽量保证裂隙面周围没有明显的裂缝，这样会影响渗流量的读取。单裂隙砂岩的开口度应该较小，则会造成管流，而不是渗流。单裂隙面应该尽量的保持闭合状态。保证裂隙内没有其他的杂物，以至于阻碍水流的流动。大尺度的表面粗糙度实验，要保证实验中没有其他光源的干扰。

5、结束语

对单裂隙岩体渗流问题的研究进行推导，并与实验相互结合，建立单裂隙渗流的模型。可以发现当砂岩裂隙相同时。裂隙的流量会随裂隙宽度的增大形成增大的形式，裂隙宽度相同时，电气的渗流，流量会随裂隙的增大变小。不同种类的砂岩，相同压力下裂隙所产生的裂缝是不相同的，在不同的破坏形式。

主要文献参考：

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