隧道单裂隙岩体渗透系数试验研究

韩　杨，葛建立，魏艳楠

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院,河南 平顶山 467036;2.河南豫路工程技术开发有限公司，河南 郑州 450000)



隧道单裂隙岩体渗透系数试验研究

韩杨1，葛建立2，魏艳楠1

(1.河南城建学院 土木与交通工程学院,河南 平顶山 467036;2.河南豫路工程技术开发有限公司，河南 郑州 450000)

采用巴西劈裂生成单裂隙的方法模拟隧道内灰岩岩体的张性裂隙。在岩石多功能试验机上开展单裂隙围岩渗流与围压三轴试验研究，研究了围压、轴压对单裂隙渗透系数的影响，采用数值拟合方法给出了不同轴压条件下单裂隙渗透系数与围压关系式。试验表明：在轴压、水压恒定的情况下增大围压，单裂隙岩体渗透系数与围压满足乘幂关系；在围压、水压恒定的情况下增大轴压，单裂隙岩体渗透系数逐渐减小；裂隙开度随着围压的增加而减小，但围压增加到一定程度后，裂隙渗流依然存在，且渗透系数远大于无裂隙岩体的渗透系数。

裂隙岩体；单裂隙；渗透系数；三轴试验

地下水渗流问题已经成为各类工程建设的难题之一，严重制约着经济社会的发展，据统计，90%以上的岩质边坡破坏、60%左右的矿井事故及30%～40%的大坝失事均与地下水的渗流有关。法国设计精巧的马尔帕塞拱坝在第一次蓄水时发生溃坝[1]；长江三峡链子崖和黄蜡石滑坡，严重危及到了巴东县城的安危[2]；渝-怀铁路圆梁山隧道，施工过程中经常发生高压涌突水[3]；意大利瓦依昂水库边坡失稳，使得当时世界上最高的双曲拱坝失效[4]；我国梅山水库连拱坝坝体出现异常移位[5]。这些事故直接或间接地与渗流作用相关，也引起了人们对工程岩体渗流水力学问题的高度重视，并对地质环境各因素相互影响作用机理展开了深入的研究，尤其是对裂隙岩体渗流与应力耦合的研究。

裂隙岩体的渗流特性问题是许多地质工程如边坡工程、水利水电工程、道桥工程、隧道工程、采矿工程、核废料处理工程亟待解决的课题[6]，有着极其广泛的工程应用前景，尤其在“以堵为主，限量排放”的治水方案背景下[7]。研究裂隙岩体渗流与应力之间的关系显得十分重要。因此本文以铁路隧道灰岩裂隙岩体为主要研究对象，通过室内试验，研究单裂隙岩体渗流随围压、轴压的发展规律。

1　试验设备及岩石取样

单裂隙渗流试验主要设备为TAW-2000M岩石多功能试验机，该设备主要由密封压力室系统、伺服应力加载系统、自动控制及数据采集系统三部分组成，如图1所示。能够实现在轴向和径向上应力的独立加载，试验过程中可以实时测得岩样应力、应变、出水流量及两端的渗透压差等各项数据。

岩体试样取自某深埋铁路隧道洞内开挖下的灰岩，借助岩石取芯机及岩石端面磨平机对试样进行加工制备，试样直径为4.8 cm，高度为10 cm，端面平整度及高度方向上的倾斜偏差均满足试验规范要求。

图1　TAW-2000M岩石多功能试验机及装配示意图

2　裂隙试样制备及试验注意事项

2.1裂隙试样制备

采用巴西劈裂法制造人工裂隙。由于该方法具有一定的理论依据，且试件加工方便，试验简单，是目前最常用的抗拉强度测定的试验方法。将此方法近似地看作自然界中张拉裂隙生成的方式来处理[1、6]，劈裂示意图及劈裂后岩样如图2所示。巴西劈裂法制备人工裂隙关键是设定的劈裂速度，对一般灰岩，速度设定在5～8 mm/min为宜。

图2　劈裂示意图及劈裂后岩样

2.2试验注意事项

(1)试样的裂隙开度应尽量小，以保证试验过程为渗流运动；(2)尽量减少水的二次补给次数，以保证试验的连续性；(3)试样过水路径应密封良好，以确保水经由裂隙面参与渗流；(4)围压方向上应有足够的有效应力，以保证试样的密封胶带不被水压冲破。

3　试验结果及分析

根据经典渗流理论，当渗透系数很小，岩样两端压力差基本稳定时即达到稳定渗流状态，可使用如下公式计算裂隙岩石的渗透系数：

(1)

式中，k为渗透系数，m/s；ρ为密度，103kg/m3；g为重力加速度，9.8N/kg；Q为流量，m3/s；L为试样高度，m；A为试样端面裂隙面积平均值，m2；△P为试样端面压力差，MPa。

以试件1-1-1(Bc=0.21 mm、Ac=6.237 4 mm2、JRC=7.5，其中Bc为裂隙初始宽度平均值，Ac为裂隙面积)为试验对象，试验过程中控制轴压以0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、1.1 MPa分别固定，固定水压0.2 MPa，围压以0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa逐渐增加，得出的渗流结果见表1～表4。

表1　轴压0.3 MPa时不同围压下的渗透系数

表2　轴压0.5 MPa时不同围压下的渗透系数

表3　轴压0.7 MPa时不同围压下的渗透系数

表4　轴压1.1 MPa时不同围压下的渗透系数

将不同轴压下裂隙渗透系数与围压之间的关系进行曲线拟合，结果如图3所示。

图3　渗透系数与围压的关系拟合曲线

由表1～表4及图3可以得出以下结论：

(1)在水压、轴压一定的情况下，随着围压的逐渐增大，裂隙渗透系数逐渐减小，但围压增加到一定程度后渗透系数趋近于稳定，基本不再受围压的影响。分析认为，破裂后的岩石不可能因围压的作用而完全闭合，裂隙渗流每时每刻都是存在着的，即裂隙渗流在较大围压的作用下存在残余隙宽及对应的残余流量，且此时的渗透系数远大于无裂隙岩体的渗透系数。

(2)在水压、围压一定的情况下，随着轴压的逐渐增大，裂隙渗透系数逐渐减小，分析认为，试样在轴向受压时，纵向会压缩，横向(径向)会膨胀，由于试样被劈裂呈两个相对独立的部分，各自都会产生相应的径向膨胀，从而导致裂隙隙宽变小，渗透系数降低，这种规律在较低围压下表现得尤为明显。

(3)不同轴压下，渗透系数随围压的变化在一定范围内(0.4～1.6 MPa)呈乘幂递减关系，渗透系数与围压拟合关系式见表5。

表5　渗透系数与围压拟合关系式

将轴压与系数、进行关系拟合，结果如图4所示，拟合关系式见表6。

注：系数a的单位为：1×10-5　　　图4　系数a、b与轴压拟合关系曲线

系数系数与轴压拟合关系式相关系数ay=-0.6696ln(x)+1.68370.9130by=0.4402ln(x)-1.76990.7939

那么渗透系数k与轴压和围压之间的关系可以拟合为：

k=(-0.669 6E-5lnσ轴+1.6837E-5)σ围0.4402lnσ轴-1.7699

(2)

式中，σ轴、σ围分别为试件加载的轴压、围压(MPa)；k为渗透系数(m/s)。

4　结论

渗流荷载与岩体裂隙之间存在着耦合效应，而单裂隙渗流与围压、轴压的试验发展规律如下：

(1)在轴压、水压恒定的情况下，随着围压的逐渐增大，裂隙渗透系数逐渐减小，但围压增加到一定程度后渗透系数趋于稳定，基本不再受围压的影响，且渗透系数随围压的变化在一定范围内呈乘幂递减关系。

(2)在围压、水压恒定的情况下，随着轴压的逐渐增大，裂隙渗透系数逐渐减小，这种规律在较低围压下表现得尤为明显。

(3)单裂隙的人工制备与天然形成的单裂隙试验结果必定存在误差，因此，现场对裂隙岩体取样显得尤为重要，也是一个亟待解决的试验技术难题。此次试验采用了常用的人工制备裂隙的方法，试验成果具有一定的理论指导意义。

[1]赵宗勇.砂岩劈裂后渗流试验与工程应用[D].湖北：三峡大学,2012.

[2]路亚妮,李新平,肖桃李.三向应力下裂隙岩石力学特性试验研究[J].武汉理工大学学报,2013,35(9):91-106.

[3]王建秀,胡力绳,张金,等.高水压隧道围岩渗流-应力耦合作用模式研究[J].岩土力学,2008,29(s1):237-240.

[4]蒋宇静,李博,王刚,等.岩石裂隙渗流特性试验研究的新进展[J].岩石力学与工程学报,2008,27(12):2377-2386.

[5]刘世煌.裂隙岩体渗流模型及渗流参数的现场试验研究[J].水力发电,1996(8):13-17.

[6]侯昭飞,纪洪广，王金安，等.三维应力作用下砂岩单裂隙渗流规律试验研究[J].中国矿业,2011,20(5):107-110.

[7]高新强.高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究[D].成都：西南交通大学，2005.

Experimental study on permeability coefficient of single fractured rock mass in tunnel

HAN Yang1,GE Jian-li2,WEI Yan-nan1

(1.SchoolofCivilEngineering&TransportationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China;2.HenanYuluEngineeringTechnologyEngineeringCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

Using the method of the Brazil split to produce a single fracture to simulate the tension fracture of the limestone in the tunnel.Experimental study is performed on the relationship between single fracture seepage and confining pressure on the rock multi-function testing machine. Study on the influence of confining pressure on the permeability coefficient of single fracture, the relationship between permeability coefficient and confining pressure of single fracture under different axial pressure is given by numerical fitting method. Test results show that under the condition of constant axial pressure and water pressure, increasing the confining pressure, the permeability coefficient and confining pressure meet the power relationship. Under the condition of constant confining pressure and water pressure, increasing the axial pressure, the permeability coefficient decreases gradually. The crack opening degree decreases with the increase of confining pressure, but the confining pressure increases to a certain degree, the fracture flow still exists, and the permeability coefficient is much larger than that of the non fractured rock mass.

fractured rock mass; single fracture; permeability coefficient; three axis test

2015-11-17

河北省自然科学基金(E2014210131)

韩 杨(1988—)，男，河南开封人，硕士，助教。

1674-7046(2016)03-0020-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.004

TU455

A