围压对含裂隙茅口灰岩渗透率的影响*1

王兴宏，万 文，段艳平

(湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

围压对含裂隙茅口灰岩渗透率的影响*1

王兴宏，万 文，段艳平

(湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

取煤炭坝茅口灰岩制作成圆柱体试样，分析围压对含裂隙茅口灰岩渗透率的影响.基于MTS多功能岩石试验系统，研究了同一轴压不同围压作用下，含裂隙茅口灰岩渗透率的变化情况.实验结果表明，同一轴压作用下，试样渗透率随围压的增大而减少，其中低围压作用下渗透率变化比较敏感，高围压作用下渗透率变化缓慢，指数函数较好地拟合体积应力、渗透系数和渗透压之间的关系.

渗透率；围压；体积应力；渗透压

岩石渗透性的好坏通常采用渗透率来衡量，渗透率又可以换算成渗透系数(即水力传导系数)，在各向同性介质中，其物理定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度.在各向异性介质中，渗透系数以张量形式表示，渗透系数愈大，岩石透水性愈强.岩体含裂隙越丰富，岩体的渗透性越强.岩体是由裂隙等不连续的结构面和岩石组成，裂隙的存在严重影响岩体的渗流特性，岩体的孔隙率小，而岩体的渗透率大，因此，研究裂隙岩体的渗流特性具有一定的现实意义.自从1956年法国Malpasset 拱坝发生溃坝以来，裂隙岩体的渗流越来越受人们的关注.

国内外很多学者对裂隙岩体的渗透特性进行了相关研究.倪绍虎等[1]对裂隙岩体水力学特性进行了研究,认为岩体的渗透性与应力赋存环境、对应力密切相关.梁宁慧等[2]对裂隙岩体卸荷渗透规律进行了试验研究，探讨了裂隙岩体在卸载过程中渗透系数的变化规律，并推导了裂隙岩体的卸荷量与渗透系数之间的关系式，计算结果与试验结果吻合.刘欣宇[3]进行了含充填裂隙类岩石高围压条件下水渗流的试验研究，分析稳定高水压和不同围压标准下，不同类型裂隙试样的渗透性变化规律.

笔者分析同一轴压作用下围压的变化对渗透率的影响.为研究方便，将渗透率转化为渗透系数，并对渗透系数、体积应力与渗透压进指数拟合，拟合结果能很好地反应渗透系数、体积应力和渗透压三者的关系.

1 试样制备与实验方案

1.1试样的制备

把从煤炭坝取回来的茅口灰岩制作成高H=100 mm,截石直径R=50 mm的圆柱体试样(见图1).使用砂纸对试样进行光滑处理，防止实验时岩样发生应力集中，减少对试验结果的误差影响.为了较好地观察岩样的裂隙纹路，通过Photoshop对岩样照片进行处理得到更为清晰的展开图(见图2).

图1 岩样

图2 岩样展开

1.2实验方案

把岩样放入MTS多功能岩石系统三轴腔中，使用蒸馏水对岩样的渗透率进行测试.

(1)轴向施加应力为8 MPa，试样孔隙压差为1 MPa(两端孔压分别为1，2 MPa)，施加围压2.5 MPa，实验系统以0.5 s间隔自动对试样两端孔隙压差数值进行采集，直到孔隙压差降为0.1 MPa.实验测量结束后，重复上述的加载步骤，保持轴压8 MPa和孔压1 MPa不变，初始围压3.0 MPa，以0.5 MPa逐渐叠加，直到围压加载到11 MPa.

(2)把上述轴向应力变为10 MPa，其他变量不变，初始围压为2.5 MPa，最终围压加载到11 MPa，加载过程同上.

2 实验原理

(1)，

(2)

(3)

由(1)式直接得到

(4)

构造泛函

由泛函Π的极值条件：

3 实验结果与分析

图3 渗透率随围压的变化曲线

利用瞬态渗透法对茅口灰岩岩样进行渗透实验.取岩样高度H=100 mm，截面直径d=50 mm，渗流液体为水，质量密度ρ=1.0×103kg/m3，动力黏度u=1.01×10-3Pa.s,压缩系数cf=0.556×10-9Pa-1.MTS815多功能岩石实验系统中，孔隙压力分系统的稳压器容积B=0.332×10-6m3.根据MTS815多功能岩石试验系统所采集的实验数据，计算出茅口灰岩非Darcy流的渗透率k，并通过Origin专业绘图软件得到轴压8,10 MPa作用下的试样渗透率随围压的变化曲线,如图3所示.

从图3可知，同一轴压作用下，试样渗透率随围压的增大而减少，且低围压作用下渗透率变化比较敏感，高围压作用下渗透率变化缓慢，说明围压加载初期，裂隙试样裂隙发生了较大程度的闭合，围压对于裂隙的张裂产生了较大程度的限制，裂隙的闭合对水的渗流产生了较大的阻力，试样渗透率发生比较大下降.当裂隙闭合到一定程度以后，渗透率随围压的增大其敏感度下降.

图4 渗透系数、体积应力与渗透压的拟合曲线

把渗透率转换为渗透系数，根据赵阳升[7]对体积应力、渗透系数和渗透压三者规律，笔者给出了渗透系数、体积应力与渗透压的拟合关系为k=a×exp(b×Θ+c×p).其中a,b,c为拟合参数；体积应力Θ=σ1+σ2+σ3；k为渗透系数，单位为m/s；p为平均孔隙水压，单位为MPa.

轴压10 MPa作用下的拟合曲线方程为k=1.21×10-6exp(-1.024 5Θ+0.59×10-10)，轴压8 MPa作用下的拟合曲线方程为k=6.57×10-9exp(-0.293 4Θ+0.75×10-10).渗透系数、体积应力与渗透压的拟合曲线如图4所示.

由图4可知，茅口灰岩裂隙渗透系数与体积应力呈指数衰减关系.当体积应力较小时，岩体的渗透系数受体积应力作用较为敏感，当体积应力较大时，敏感性降低.

4 结语

同一轴压作用下，试样渗透率随围压的增大而不断地减少，并且低围压作用下渗透率变化比较敏感，高围压作用下渗透率变化缓慢.茅口灰岩裂隙渗透系数与体积应力呈指数衰减关系，当体积应力较小时，岩体的渗透系数受体积应力作用较为敏感，当体积应力较大时，其敏感性降低.

[1] 倪绍虎,何世海,汪小刚,等.裂隙岩体水力学特性研究[J].岩石力学与工程学报,2012(3):488-498.

[2] 梁宁慧,刘新荣,艾万民,等.裂隙岩体卸荷渗透规律试验研究[J].土木工程学报,2011(1):88-92.

[3] 刘欣宇.含充填裂隙类岩石高围压条件下水渗流试验研究[D].长沙：中南大学资源与安全工程学院,2012：45-50

[4] 孙明贵,黄先伍,李天珍,等.石灰岩应力-应变全过程的非Darcy流渗透特性[J].岩石力学与工程学报,2006(3):484-491.[5]卜万奎.围压对峰后岩石非Darcy流渗透特性影响的试验研究[J].贵州大学学报：自然科学版,2013(4):43-46.

[6] 缪协兴.采动岩体渗流理论[M].北京:科学出版社,2004：7-12.

[7] 赵阳升.多孔介质多场耦合作用及其工程响应[M].北京:科学出版社,2010：99-104.

(责任编辑 陈炳权)

InfluenceofConfiningPressureoverPermeabilityofFracturedMaokouLimestone

WANG Xinghong,WAN Wen,DUAN Yanping

(College of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,Hunan China)

The impact of confining pressure on the permeability of fractured Maokou limestone.Maokou limestone sample was cored from coal dam was analyzed MTS815 rock mechanical system was used to research the permeability under different confining pressures and the same axial pressure.The test results showd that permeability decreased with confining pressure increase under the same axial pressure,and when confining pressure was low,permeability of fractured Maokou limestone changed largely with confining pressure increase;on the contrary,the permeability changed relatively little when confining pressure was high.Volumetric stress,permeability coefficient and osmotic pressure were fitted well by exponential function.

permeability;confining pressure;volumetric stress;osmotic pressure

1007-2985(2014)04-0046-04

2014-04-21

国家自然科学基金资助项目(51174088)

王兴宏(1988-)，男，湖南永州人，湖南科技大学土木工程学院硕士研究生，主要从事岩土工程研究

万 文( 1968-),男，湖南衡阳人，湖南科技大学土木工程学院教授，博士，主要从事岩石力学研究.

TU45

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.04.011