岩石裂隙渗透性尺寸效应试验仪器研制①

李世超， 胡云进， 钟 振， 潘昌青， 陆佳莹

(绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000)

0 引 言

裂隙岩体的渗透性对于水利工程及地下工程建设等具有至关重要的影响。单裂隙是组成岩体裂隙网络的基本单元，单裂隙渗透性研究是研究裂隙岩体渗流的基础和关键[1～3]。 单裂隙渗透性的影响因素众多，如应力、裂隙开度、裂隙面粗糙度、裂隙面充填物及多场耦合等[2]。许多学者针对上述因素展开了大量的研究，取得了重要的成果[1,4-11]，但对于尺寸效应的研究较少。研究表明[12]，岩石裂隙渗透性存在尺寸效应，但尺寸效应的产生机理尚未明了。Kunal Kumar Singh[13]对直径分别为38mm和54mm的圆柱形劈裂试样进行了渗透性试验，结果显示直径38mm的花岗岩试样的渗透性大于直径54mm的试样，但由于试样尺寸较小且尺寸数据比较单一，难以确定渗流尺寸效应的规律。马秀媛[14]对多种尺寸的碳酸盐岩芯试样进行了渗透试验，结果显示岩体的渗透率随尺寸的增大而增大，最终趋于稳定；但这是针对完整岩石试样而非裂隙试样。传统研究方式是采用不同尺寸的试样进行渗流实验，再比较不同尺寸试样的试验结果，但由于不同试样的裂隙开度、粗糙度等因素对渗透系数的影响难以消除，试验结果的可靠性不高。而且试样尺寸较小难以准确掌握尺寸效应的变化规律。因此如何消除裂隙开度、粗糙度等因素的影响以及制作大尺寸的单裂隙试样，已成为岩石裂隙尺寸效应研究的一大难题。

针对上述问题，研制了一套大尺寸单裂隙渗透性尺寸效应试验仪器及大尺寸试样。该试验仪可对1000mm直径的圆柱形试样进行法向加载；采用1000mm直径的同一单裂隙，测量同一单裂隙中不同渗流尺寸下的渗透参数，这样可以可靠的进行尺寸效应规律分析。

1 岩石裂隙渗透性尺寸效应试验仪

试验仪器由供水装置、加载装置、集水装置、测量装置组成。供水装置由有机玻璃材料制成；加载装置由高强度金属框架及液压缸制成；集水装置由橡胶圈集水槽、集水导管及量杯组成；测量装置由电子天平及渗压计组成。

1.1 供水装置

供水装置主要由两部分组成，如图1所示，分别为自循环供水箱和恒压水箱。自循环供水箱用于提供水源，恒压水箱用于提供定水头。水流由供水管进入恒压水箱，溢出的水流又通过回水管流回供水箱，形成一个回路，其中的流量调节阀用于调整流量大小；恒压水箱中间用稳水孔板分割，以保持水流稳定，上端溢流，溢流口带挡板，用于调节水位；水流通过恒压水槽中的入流管进入岩石裂隙试样。

图1 供水装置

1.2 加载装置

加载装置由六部分组成，如图2所示：(1)立柱；(2)液压缸；(3)加载顶板；(4)加载器；(5)数字显示表；(6)承载底板；(7)控制阀。立柱位于四个角点，每根立柱均套有一个液压缸，四个液压缸由同一控制阀控制，以保证协同出力。为实现可视化研究，加载顶板与承载底板均为外径1000mm，内径800mm的圆环，平板光源由试样底部照射试样，再用高速摄像机从试样顶部进行拍摄，观测渗流的形态，如图3液压缸活塞行程200mm。四个液压缸与上部加载板总计可提供最大300kN的加载力。在直径为1000mm的圆盘试样下，所提供的最大法向应力为0.4MPa。

图2 加载装置

1.3 集水装置

集水装置由集水槽和导管组成，集水槽紧贴环绕下盘试样一周，，在其一侧有开口连接导管，导管出口处设有量杯，如图4所示。

图3 渗流形态观测示意图

图4 集水装置侧视图

从裂隙四周渗出的水流进入集水槽中，再通过导管进入量杯中，以此来收集从裂隙中渗出的水流，如图5所示。

图5 集水装置导水示意图

1.4 测量装置

测量装置包括高精度电子分析天平(4200g/0.01g)，以及布设于上盘试样的渗压计。渗压计布设在上盘试样中。上盘试样以圆心为起点，在相互垂直的四个方向上，每隔100mm钻一个通孔，一共需钻取16个通孔，如图6、图7所示。每个通孔内均布设一个渗压计，用以获得该点处的水压力值，其中每4个与圆心距离相同的测点编为一个测压组。同一测压组的4个水压力值取其平均数作为该组的水压力值。

图6 渗压计布设俯视图

图7 渗压计布设侧视图

2 大尺寸单裂隙试样的制作

室内岩石裂隙渗流试验通常采用天然岩块或混凝土作为试样，小尺寸试样尚可，但对于大尺寸试样，若采用天然花岗岩(密度：2.79-3.07g/cm3)或混凝土(密度：约2.5g/cm3)等材料制作，则试样笨重，不便于开展试验。鞠杨[15]在单裂隙渗流试验中使用有机玻璃(PMMA)材料，质量大大降低，且可实现可视化研究。有机玻璃具有轻质(密度：约1.2g/cm3)、高强度(抗拉强度5.5～7.7Mpa)[16]、可塑性强等特点，同时具有良好的透光性能，适用于制作大尺寸岩石裂隙试样，并开展可视化研究。

通过热压法，制作两块尺寸为1000mm×30mm(直径×厚度)的圆形有机玻璃板(上盘、下盘)。上盘按前述钻孔并布设渗压计。在下盘的圆心处钻直径10mm的通孔作为注水孔，板边缘套一圈集水槽用以收集渗出的水流。叠合上、下盘形成大尺寸单裂隙，如图8所示。

图8 大尺寸试样示意图

3 试验原理及步骤

3.1 试验原理

单裂隙渗流采用辐射流，如图9所示，即水流从中心孔注入裂隙面，然后向四周辐射状流出，流入集水槽进行收集。这种方法解决了大尺寸试样不易密封的问题。

图9 渗流与集水方式示意图

光滑平行板渗流的立方定律：

(1)

式中：Q为出流量；ΔH为水头差；C为常数；b为裂隙宽度。

(2)

式中：K为等效渗透系数；μ为水流的动力粘滞系数，其余各符号的意义同前。

对于辐射流有[1]：

(3)

式中：ri为第i根渗压计距圆心的距离；r0注水孔的半径。

联立(1)(2)(3)可得：

(4)

式中：hi为第i根测压管处的压力水头；h0为注水孔处的压力水头，其余各符号的意义同前。

3.2 试验步骤

岩石裂隙排气：打开自循环供水箱阀门，水流进入水箱后通过下盘注水孔进入裂隙面；施加2倍试验最大水头，持续2h，关闭，再施加，反复多次排除裂隙内气体。

首先对岩石裂隙施加小的法向荷载，打开阀门向裂隙注水，待渗流过程稳定后，记录各个渗压计的读数，将同一组渗压计的读数取平均值作为该尺寸下的水压力值，代入公式(4)，计算出不同尺寸裂隙面的渗透系数。保持法向荷载不变，通过阀门改变注水水压，记录不同水压下裂隙渗透性的变化。保持水压不变，步进增加法向荷载，研究该法向应力对裂隙渗透性尺寸效应的影响。

为进一步研究粗糙度对岩石裂隙渗透性尺寸效应的影响，在裂隙内布设不同颗粒级配的石英砂，以模拟不同粗糙度，重复上述试验步骤，观测岩石裂隙粗糙度对渗透性尺寸效应的影响。

4 结 论

针对目前缺乏岩石裂隙渗透性尺寸效应试验仪和相应的大尺寸试样的现状，研制出大尺寸岩石裂隙渗透试验仪，试验仪可开展不同方向荷载、压力水头、裂隙面粗糙度下的渗透试验，最大试样尺寸达到1000mm，并在试样上盘距等间距钻孔布设测压计，实现在同一试样下开展渗透性尺寸效应试验研究。仪器具有功能齐全，操作简便等特点，可用于观测不同条件下岩石裂隙渗透性尺寸效应规律，为进一步揭示尺寸效应的控制机理提供了切实可行的试验设备。

[1] 王媛，速宝玉. 单裂隙面渗流特性及等效水力隙宽[J]. 水科学进展，2002，13(1):61-68.

[2] 熊祥斌，张楚汉，王恩志. 岩石单裂隙稳态渗流研究进展[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28(9):1839-1847.

[3] 张有天. 岩石水力学与工程[M]. 北京：中国水利水电出版社，2005.

[4] 杨金保，冯夏庭，潘鹏志. 考虑应力历史的岩石单裂隙渗流特性试验研究[J]. 岩土力学，2013，34(6):1629-1632.

[5] 李博，蒋宇静. 岩石单节理面剪切与渗流特性的试验研究与数值分析[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27(12):2431-2439.

[6] 沈洪俊. 单条裂隙辐向流试验的初步探讨[J]. 河海大学学报，1995，23(2):94-98.

[7] 满轲，刘晓丽，苏锐，等. 大尺度单裂隙介质应力-渗流耦合试验台架及其渗透系数测试研究[J]. 岩石力学与工程学报，2015,34(10):2064-2072.

[8] 胡昱,叶源新,刘光廷,等. 多轴应力作用下砂砾岩单裂隙渗流规律试验研究[J].地下空间与工程学报，2007，3(6):1009-1013.

[9] 郭保华，苏承东. 多级加载下岩石裂隙渗流分段特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31(2):3787-3794.

[10] 郑少河，赵阳升，段康廉. 三维应力作用下天然裂隙渗流规律的实验研究[J]. 岩石力学与工程学报，1999，18(.2):133-136.

[11] 速宝玉，詹美礼，王媛. 裂隙渗流与应力耦合特性的试验研究[J].岩土工程学报，1997，19(4):73-77.

[12] Qian J Z ， Zhan H B ， Luo S H ， et al. Experimental evidence of scale-dependent hydraulic conductivity for fully developed turbulent flow in a single fracture[J]. Journal of Hydrology，2007，339(3-4):206-215.

[13] Kunal Kumar Singh, Devendra Narain Singh, Ranjith Pathegama Gamage. Effect of sample Size on the Fluid Flow Through a Single Fractured Granitoid[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 8 (2016):329-340.

[14] 马秀媛，芮洪兴，王倩. 多尺度岩石渗透特性的试验研究[J]. 岩土力学，2014，35(8):2191-2196.

[15] 鞠杨，张钦刚，杨永明，等. 岩体粗糙单裂隙流体渗流机制的实验研究[J].中国科学：技术科学，2013，43(10):1144-1154.

[16] 张涛. 改性有机玻璃的制备、结构和性能研究[D].浙江：浙江大学材料与化学工程学院，2007，3.