岩石裂隙渗流特性试验研究的新进展_蒋宇静

第27卷 第12期

岩石力学与工程学报 V ol.27 No.12

2008年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec .，2008

收稿日期：2008–08–07；修回日期：2008–09–16

作者简介：蒋宇静(1962–)，男，博士，1982 年毕业于山东矿业学院，现任教授，主要从事岩石力学和土木工程方面的教学与研究工作。E-mail ：jiang@civil.nagasaki-u.ac.jp

岩石裂隙渗流特性试验研究的新进展

蒋宇静1，

2，李 博1，王 刚2，李术才3

(1. 长崎大学 工学部，日本 长崎 852–8521；2. 山东科技大学，山东 青岛 266510；

3. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)

摘要：综述国内外关于岩体裂隙渗流特性的研究成果，并进行相应的分析和讨论。分析表明：试验研究在岩体裂隙渗流特性方面具有不可替代的作用；许多研究者根据试验结果提出相应的经验公式，但关于岩石裂隙渗流应力耦合特性研究的计算公式还没有统一的认识。分析结论也为今后的岩体裂隙渗流特性的试验研究提供了有益的方向。 关键词：岩石力学；岩石裂隙；试验研究；力学开度；水力等效开度；应力渗流耦合；综述

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)12–2377–10

NEW ADV ANCES IN EXPERIMENTAL STUDY ON SEEPAGE

CHARACTERISTICS OF ROCK FRACTURES

JIANG Yujing 1，

2，LI Bo 1，WANG Gang 2，LI Shucai 3

(1. Faculty of Engineering ，Nagasaki University ，Nagasaki 852–8521，Japan ； 2. Shandong University of Science and Technology ，Qingdao ，Shandong 266510，China ；

3. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering ，Shandong University ，Jinan ，Shandong 250061，China )

Abstract ：The researches on seepage characteristic of rock joints are reviewed and analyzed. The results show that the experimental study plays a very important role in researching on hydro-mechanical characteristic of rock joints. Many researchers bring forward the experiential computation formulations according to the experimental researches ，but there are not consistent understandings about them. The available research directions are put forward for the future research on hydro-mechanical characteristics of fractured rock masses.

Key words ：rock mechanics ；rock fractures ；experimental study ；mechanical aperture ；hydraulic equivalent aperture ；stress-fluid coupling ；review

1 引 言

裂隙岩体中空隙的尺寸和连通程度一般都远小于岩体中节理裂隙，而且裂隙的水力传导系数远大于完整岩石中孔隙的渗透系数，因此节理裂隙是岩体中水运动的主要通道[1

，2]

。裂隙岩体中存在的节

理裂隙等缺陷严重影响着岩体的渗透特性。岩体渗流特性的研究在各种地质工程应用中占有重要的地位，比如水利水电工程、采矿和石油工程、核废料储存工程。法国Malpasset 拱坝(1959)在初次蓄水时

发生溃坝，意大利的瓦依昂边坡失稳(1963)等事故引起了人们对裂隙岩体渗流问题的高度重视。在当前日益增长的环境控制条件下，流入开挖区域水量的估计和污染矿水的排泄程序都是地下工程的发展和运营时期的重要影响因素；在核废料储存工程中，地下水的辐射污染也需要特别注意和预防。

裂隙岩体的渗流场受应力环境的影响，而渗流场的变化反过来又对应力场产生影响，这种相互影响称之为应力渗流耦合。渗流场与应力场相互耦合是岩体力学中的一个重要特性。在岩体工程实践中，节理变形影响节理开度及其渗流性质，从而使

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围岩的渗透和变形性质也发生了变化。例如，煤矿生产中的工作面顶板或底板突水，就是岩体受到应力重分布影响，改变了岩体渗透性，使地下水沿新裂隙进入工作面作业空间；在海底隧道建设中，隧道开挖卸荷引起隧道围岩应力重分布，改变了节理裂隙的渗透特性，引起涌水和突水事故的发生。

要发展一种适合裂隙岩体应力渗流耦合分析模型，充分理解岩石裂隙内水的流动机制，是非常关键的。因此，为研究岩石水力学和合理预测工程岩体中复杂的渗流状态，必须从单裂隙面的渗流特性这一基础性课题入手，首先对单一裂隙的水力特性进行研究，众多的学者对此进行了相关研究。

2 裂隙水力学性质描述

根据实际情况，节理开度通常可以定义为力学开度(几何上测量得到)和水力等效开度(可以通过渗流计算分析得到)。 2.1 力学开度

对于理想的平行板裂隙，其开度为常数，而岩体中存在的实际裂隙开度是变化的。假定裂隙的中间面是一个平面，以该平面为参考平面的局部坐标系为xoy ，则裂隙开度是该局部坐标的函数E (x ，y )。力学开度(E )定义为两个岩石节理表面上垂直于参考平面的相对点之间距离的平均值。如果认为裂隙面在xy 平面上平行，那么节理开度就是沿z 方向的。通常用均值开度来定义节理开度。设节理面尺寸为

x L ，y L ，则均值开度为

1

()d d x y L L x y

E E x y x y L L =

∫∫

， (1)

如果有效应力或节理面间的侧向位置发生变化，裂隙开度也会发生变化。裂隙在正应力压缩作用下，开度减小。试验研究

[3，4]

表明：当裂隙在正

应力作用下达到裂隙最大闭合量时，仍有流量通过裂隙，表明裂隙内仍有类似沟槽的间隙存在，该开度值称为裂隙残留开度，也可以认为是裂隙的最小水力等效开度，可由立方定理反求。

在节理压缩强度(JCS )和节理粗糙系数(JRC )的基础上，N. Barton 等[5，6]

提出经验方法来计算裂隙

力学开度：

c (0.2/0.1)5

JRC

E JCS σ=

− (2) 式中：c σ为单轴抗压强度。

2.2 水力等效开度

水力特性符合立方定理的裂隙开度称为水力等效开度。通过室内的渗流试验[7]或者现场钻孔泵压试验[8]可测出给定水力梯度时透过裂隙的流量Q ，应用立方定律可以反求水力等效开度：

1/3

12Q e i gw ν⎛⎞

=⎜⎟⎝⎠

(3)

式中：w 为平行板间流动区域的宽度，ν为流体的运动黏度系数(20 ℃纯水的运动黏度系数为1×10－

6

m 2/s)，g 为重力加速度。

式(3)简洁明了，但该公式在自然节理裂隙中应用的有效性已经为众多研究者关心和讨论[7]。研究发现：在加卸载过程中，由于节理壁摩擦和节理面曲折弯曲，实际不规则节理裂隙的力学开度(E )通常大于理想的平行板裂隙的水力开度(e )，也就是说，在相同的水力传导能力条件下，粗糙裂隙应该比平滑裂隙具有更大的开度[9]。 2.3 裂隙内流体流动描述

裂隙面的几何形状决定于岩体的地质历史，一般能用几何参数来描述，如开度、频率分布、凸起空间分布关系和接触面积[10]。这些参数以其各自的方式影响着节理裂隙的几何形状及裂隙内水的流动。各参数的基本描述如下：

(1) 裂隙表面特性描述

① 开度：岩石裂隙面垂直参考平面相对点之间距离；

② 粗糙度：裂隙表面凸起分布或者表面形状； ③ 接触面积：裂隙表面间接触且能传递应力的面积。

(2) 地质历史描述

① 匹配度：裂隙表面间相互啮合的程度； ② 起伏状况：裂隙表面凸起的起伏变化情况。

(3) 流动特性描述

① 曲折率：裂隙开度变化引起的裂隙内流线的变化；

② 沟道效应：裂隙开度变化引起的沿着特定路径流动速度的变化。

(4) 力学特性描述

刚度：通过考查法向荷载作用下裂隙的闭合值研究其刚度或力学性质。 2.4 节理开度的测量技术

测量节理开度的方法主要可分为直接测量方法和间接测量方法(如图1所示)。直接测量方法在量测局部部位的节理开度方面比较有优势，但由于节