充填泥沙裂隙巖石滲流特性的實(shí)驗(yàn)研究1

1、充填泥沙裂隙巖石滲流特性的實(shí)驗(yàn)研究1    摘 要：天然巖體存在大量相互連通的裂隙和缺陷，其中含有的泥沙顆粒必然會(huì)對(duì)地下水運(yùn)移及巖體滲透特性產(chǎn)生一定的影響。本文對(duì)人工充填泥沙裂隙巖石在MTS815.02 電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合巖石孔隙電子顯微照片，探討了泥沙顆粒對(duì)裂隙巖石滲透特性的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，在泥沙顆粒的作用下，裂隙巖樣滲透率明顯減?。荒嗌愁w粒在巖樣宏觀裂隙中運(yùn)移達(dá)到重新平衡之后，裂隙巖樣滲透率隨時(shí)間逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：人工充填；泥沙顆粒；裂隙巖石；滲流特性中圖分類號(hào)：TD3151. 引言天然巖體中存在著大量互相

2、連通的裂隙和缺陷，巖體裂隙為地下水運(yùn)移提供必要的通道。水在裂隙巖體中與其在土體中的運(yùn)移規(guī)律具有明顯不同的特征。近幾年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)地下水巖體滲流特性的研究。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%以上的巖質(zhì)邊坡破壞與地下水滲透作用有關(guān)；60%的礦井事故涉及到巖體及煤體地下水滲透作用；30%40%的水利水電工程大壩失事事故由滲流作用引起1。因此，對(duì)裂隙巖體滲流規(guī)律的研究迫在眉睫。近年來(lái)關(guān)于裂隙巖體滲流特性的研究已取得了很大的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)作為裂隙巖體滲流基礎(chǔ)的單裂隙滲流已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究，并提出了許多較為合理的理論模型210。但是，對(duì)于充填情況下非單裂隙巖體滲流特性的研究涉及較少。速寶玉等11通過(guò)對(duì)人工

3、制作單裂隙巖樣進(jìn)行充填滲流試驗(yàn)，得出充填裂隙的滲流特性主要取決于充填材料的顆粒組成及充填材料在充填后的孔隙率。于龍等12利用人工加糙單裂隙模型推導(dǎo)出單一裂隙水流運(yùn)動(dòng)的普遍關(guān)系式。張有天等1利用美國(guó)MTS 伺服控制試驗(yàn)機(jī)對(duì)天然有充填裂隙的巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并得出薄層充填物對(duì)巖樣裂隙的過(guò)水能力貢獻(xiàn)很小，滲流水的絕大部分通過(guò)裂隙兩個(gè)壁面與充填物的接觸縫隙。劉才華等13對(duì)巖樣充填砂裂隙進(jìn)行控制位移的剪切滲流實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合充填砂的物性，揭示了巖體裂隙發(fā)生剪切位移時(shí)的滲流規(guī)律，同時(shí)對(duì)剪切位移與裂隙寬度、剪切位移與流量、裂隙寬度與流量的關(guān)系進(jìn)行了探討。本文利用MTS815.02 電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)天然充填裂隙巖

4、石滲透特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，揭示了充填顆粒作用下裂隙巖石滲透率的變化規(guī)律。2. 裂隙巖石滲透率試驗(yàn)2.1 試驗(yàn)設(shè)備與巖樣制作本文試驗(yàn)設(shè)備采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)MTS815.02 電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。該試驗(yàn)系統(tǒng)配備專門的液壓伺服控制供水系統(tǒng)，可以進(jìn)行單軸、三軸條件下裂隙水力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中可以實(shí)時(shí)測(cè)得巖樣兩端的滲透壓差p 以及整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所采集到的載荷、位1本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，基于流-固蝕損裂隙演化和非Darcy 滲流突變的采動(dòng)巖體穩(wěn)定性理論（50774083, 40811120546）；教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”課題，應(yīng)力控制裂隙演化與采動(dòng)巖體

5、流-固耦合動(dòng)力失穩(wěn)理論研究（NCET-07-0803）；國(guó)家“973 計(jì)劃”項(xiàng)目子課題，含瓦斯煤體尺度效應(yīng)及峰后滲透規(guī)律研究（2005CB221502）的資助。-2-移等數(shù)據(jù)。圖1 MTS815.02 型電液伺服試驗(yàn)機(jī)Figure1 Experimental system of MTS815.02試驗(yàn)巖樣采自淮南顧橋煤礦的砂巖塊，將其加工成尺寸為50mm×100mm的圓柱形試件。首先對(duì)圓柱形試件進(jìn)行單軸壓縮，制成含有縱向貫通裂隙的巖樣，對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，含裂隙試樣如圖2。其中1 號(hào)巖樣破裂后直徑50.22mm，2 號(hào)巖樣破裂后直徑51.20mm，3 號(hào)巖樣破裂后直徑51.98mm。試驗(yàn)所

6、用充填顆粒取自一般建筑工地所用泥沙，經(jīng)過(guò)篩選后粒徑約為0.04mm0.06mm，其密度為1.38g/cm3，充填沙粒如圖3，篩選后的沙粒可以保證能夠較容易地充填到巖石裂隙之中。圖2 試驗(yàn)巖樣 圖3 泥沙顆粒Figure2 The fractured sandstone samples Figure3 Sediment particles2.2 試驗(yàn)方法試驗(yàn)之前先將帶有縱向貫通裂隙的巖樣放入水中飽和12 小時(shí)，按圖4 所示安裝好試件。將裝配好的試件放在MTS815.02 試驗(yàn)臺(tái)上并施加軸向2kN 的壓力，固定好試件之后，對(duì)其進(jìn)行滲流試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，分類搜集每次滲流出的液體和雜質(zhì)，烘干后并稱量雜

7、質(zhì)重量，滲流速率采用水箱活塞位移控制，大小為0.2mm/s，活塞最大位移為90mm。試驗(yàn)時(shí)，1、2號(hào)巖樣進(jìn)行無(wú)人工充填顆粒下的滲流試驗(yàn)，由于3 號(hào)巖樣裂隙寬度較大，在做完無(wú)充填滲流實(shí)驗(yàn)后，取出試件，打開(kāi)密封膠帶進(jìn)行人工充填泥沙后再進(jìn)行充填顆粒下滲流試驗(yàn)。充填沙粒共進(jìn)行兩次，根據(jù)巖樣裂隙寬度為了最大程度地對(duì)裂隙巖樣進(jìn)行充填第一次充填重量為-3-2g，第二次充填1g。沙粒的質(zhì)量采用電子天平進(jìn)行稱量。1 上出水孔 2 帶彎孔的上壓頭 3 上多孔透水板 4 密封用膠帶 5 試件 6 下多孔透水板 7 帶孔下壓頭8 下進(jìn)水孔 9 試驗(yàn)機(jī)上壓頭 10 試驗(yàn)機(jī)底盤圖4 實(shí)驗(yàn)裝配示意圖Fig4 The ass

8、embly schematic diagram of experiment3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析試驗(yàn)中的1 號(hào)、2 號(hào)巖樣為未做人工充填，主要研究了巖石裂隙中原有雜質(zhì)對(duì)裂隙巖石滲透率的影響特性，3 號(hào)巖樣進(jìn)行人工充填泥沙滲流試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比，得到充填泥沙情況下裂隙巖石的滲透特性。實(shí)驗(yàn)中搜集的液體烘干后的雜質(zhì)質(zhì)量見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)未充填泥沙巖樣的反復(fù)滲流比較，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間之后，巖樣兩端壓差達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，如圖5。1、2 號(hào)巖樣試驗(yàn)滲流出的雜質(zhì)與3 號(hào)巖樣充填后雜質(zhì)質(zhì)量相比較小，且各試樣（3 號(hào)未充填前）滲透率數(shù)值變化不大，可以認(rèn)為裂隙巖石中原有雜質(zhì)對(duì)裂隙巖石滲透率影響較小，可以忽略。3 號(hào)試樣經(jīng)過(guò)人工充填泥

9、沙后，滲流出的雜質(zhì)質(zhì)量明顯比未做人工充填的巖樣大，但滲出雜質(zhì)質(zhì)量與充填泥沙的總質(zhì)量相比所占比重較小，僅為8%左右。根據(jù)經(jīng)典滲流理論，當(dāng)滲流速度較小，在巖樣兩端壓力差p 基本穩(wěn)定即滲流達(dá)到穩(wěn)流狀態(tài)時(shí)，可使用如下公式求得裂隙巖石滲透率：k Q LA p=（1）式（1）中k 為滲透率； Q 為流量； 為水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，計(jì)算中取1×10-3Pa·s；L 為試樣高度；A 為試樣截面積；p 為試樣兩端壓力差。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得的裂隙巖樣的滲透率見(jiàn)表1。表1 實(shí)驗(yàn)中裂隙巖樣兩端壓力差、滲透率及流出物質(zhì)量Tab1 Pressure differences, permeability and

10、 discharge in fractured sandstone of the experiment1 2 3（充填前） 3（充填2g 泥沙） 3（充填3g 泥沙）p（MPa） 0.232 0.0148 0.307 0.516 0.284 0.734 0.525k（×10-14m2） 8.690 133 6.230 3.710 6.730 2.610 3.640流出雜質(zhì)質(zhì)量（g） 0.038 0.063 0.044 0.150 0.150 0.085 0.085通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到，充填泥沙對(duì)裂隙巖石的滲透率影響較為明顯。如圖5 所示，3 號(hào)巖樣未充填之前當(dāng)滲流時(shí)間達(dá)到約150s

11、 時(shí)，壓力差p 保持相對(duì)穩(wěn)定，此后巖樣的滲透試參 樣數(shù)-4-率隨時(shí)間沒(méi)有明顯變化，對(duì)比1、2 號(hào)巖樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明巖石裂隙中原有的雜質(zhì)對(duì)巖石滲透特性的影響不大。圖6 為3 號(hào)巖樣一端裂隙充填2g 泥沙時(shí)滲流試驗(yàn)的結(jié)果，由圖可知，當(dāng)滲流時(shí)間達(dá)到約50s 時(shí)，試樣兩端壓力差達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，其值在0.5MPa 上下浮動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在滲流作用下，泥沙顆粒在巖石裂隙中具有明顯運(yùn)移過(guò)程，泥沙顆粒的存在使裂隙巖石滲透率明顯降低。當(dāng)滲流時(shí)間達(dá)到約180s 時(shí)，壓力差到達(dá)另一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段，其數(shù)值較滲流初始階段有所降低。這說(shuō)明裂隙中的泥沙在滲流作用下經(jīng)歷運(yùn)移后，在新的裂隙空間中達(dá)到平衡，巖樣的滲透率有所增大

12、并恢復(fù)到未充填沙粒前的數(shù)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明試樣經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的滲流后，其裂隙貫通情況良好，受充填顆粒影響較小，如圖7 所示。3 號(hào)試樣在充填2g 泥沙的基礎(chǔ)上再充填1g 泥沙時(shí)，初始滲透率較加沙2g 時(shí)進(jìn)一步降低，泥沙在裂隙中經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)移后滲透率有所增加，但較未充填前仍有所降低，這說(shuō)明當(dāng)充填泥沙質(zhì)量較大時(shí)，泥沙顆粒大量分布在宏觀裂隙中，能顯著地改變裂隙巖石的宏觀滲透率，如圖7 所示。滲流試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)試樣的孔隙進(jìn)行電子顯微鏡掃描，如圖8。結(jié)果顯示，巖樣孔隙直徑在10m 以下，試驗(yàn)中所用的充填泥沙進(jìn)入巖石孔隙的可能性較小，其泥沙大部分停留在巖樣的宏觀裂隙中，巖石孔隙對(duì)裂隙滲透率的影響可以忽略。0

13、0.10.20.30.40 50 100 150 200 250 300 350時(shí)間 t/s壓力差 p/MPa00.10.20.30.40.50.60.70 100 200 300 400時(shí)間 t/s壓力差 p/MPa圖5 3 號(hào)巖樣未充填泥沙兩端壓差隨時(shí)間變化曲線 圖6 3 號(hào)巖樣充填2g 泥沙后兩端壓差隨時(shí)間變化曲線Fig5 Changeable pressure difference in the 3rd sample Fig6 Changeable pressure difference in the 3rd samplewith no silt under different tim

14、e with 2g silt under different time00.20.40.60.811.20 1 2 3 4充填泥沙質(zhì)量 m/gks/k0充填初始階段滲透率變化充填滲流穩(wěn)定階段滲透率變化圖7 穩(wěn)定滲流時(shí)3 號(hào)巖樣充填泥沙質(zhì)量與滲透率變化曲線Fig7 Changeable permeability in the 3rd sample with different quality of silt-5-圖8 巖樣孔隙電子顯微圖Fig8 The electron micrograph of sandstone pore4. 結(jié)論通過(guò)對(duì)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）裂隙巖

15、石中原有雜質(zhì)對(duì)裂隙巖石滲透率影響不大，一般可以忽略不計(jì)。（2）裂隙巖石的滲流特性與充填物有著密切的關(guān)系，當(dāng)裂隙中有充填泥沙時(shí)，裂隙巖石滲透率明顯降低相當(dāng)于充填前的60%，隨著充填泥沙在裂隙中運(yùn)移，其滲透率有所增加        并隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸向充填前的數(shù)值恢復(fù)并趨于穩(wěn)定。同時(shí)，本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，少量充填顆粒在宏觀裂隙中的固結(jié)不能顯著改變裂隙巖石的滲透率。隨著巖石裂隙泥沙量的增加，巖石宏觀裂隙的幾何空間發(fā)生較大改變，滲流穩(wěn)定時(shí)裂隙巖石的宏觀滲透率繼續(xù)降低，其值相當(dāng)于充填前50%左右。（3）通過(guò)對(duì)巖樣孔隙電子顯微照

16、片與充填泥沙粒徑數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，滲流試驗(yàn)過(guò)程中，充填泥沙未進(jìn)入巖樣孔隙，除少量被滲流液體帶出，大部分泥沙顆粒最終都停留在巖樣的宏觀裂隙之中，巖石內(nèi)部孔隙對(duì)裂隙巖石滲透率影響較小。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了充填泥沙對(duì)裂隙巖石滲透特性的影響并定性分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的原因，為充填裂隙巖體滲流規(guī)律的進(jìn)一步研究提供一些實(shí)驗(yàn)依據(jù)。值得說(shuō)明的是，本文研究并未考慮到天然巖石裂隙形狀、大小及顆粒形狀等因素與裂隙巖石滲透特性之間的關(guān)系，這有待于進(jìn)一步深入研究。-6-參考文獻(xiàn)1 張有天，巖石水力學(xué)與工程M。北京：中國(guó)水力水電出版社，2005.2 Louis C. Rock hydraulics in rock mecha

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20、eiqun, Tao YuCollege of Science, China University of Mining and Technology, State Key Laboratory of DeepRock Mechanics and Engineering, Xuzhou, Jiangsu (221008)AbstractSediment particles in natural rock, which has a large number of connected cracks and faults, have someimpact on transport of groundwater and the changeable permeability by creating microcracks anddamage zones around