岩体裂隙非饱和渗流试验系统研制及应用

张拓威, 胡云进, 夏佳龙

(1.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室, 浙江 绍兴 312000; 2.绍兴文理学院 土木工程学院, 浙江 绍兴 312000;3.浙江省山体地质灾害防治协同创新中心, 浙江 绍兴 312000; 4.浙江省第十一地质大队, 浙江 温州 325006)

0 引 言

裂隙岩体中依据地下水位划分为饱和带和非饱和带, 通过非饱和带的地表水体及降水入渗都是非饱和渗流过程。矿物燃料二次开采、降雨入渗诱发滑坡、核废料深埋处理等均涉及裂隙岩体的非饱和渗流[1-4]。单裂隙是岩体裂隙渗流网络的基本组成单元, 所以开展单裂隙非饱和渗流研究至关重要。目前对单一裂隙非饱和渗流开展研究主要通过数值模拟法、公式推导法和物理模型试验法。其中物理模型试验法更符合实际情况, 其他两种方法的结果需通过物模试验来验证或修正[4], 因此单一裂隙非饱和渗流的物理模型试验研究至关重要。

国内外学者已对裂隙非饱和渗流试验研究开展了较多工作。早期的裂隙非饱和渗流试验研究主要借鉴多孔介质非饱和渗流和气液两相流的研究成果[5-11], 由此得到的非饱和水力参数与真实情况存在一定偏差。刘洪柯[12]通过自行设计研制的试验系统, 探索了不同裂隙开度、倾角对裂隙渗流的影响。蔡成志[13]和魏旭鹏[14]利用自行设计的试验系统对经过特殊工艺制得的随机单裂隙进行了非饱和渗流试验。姜广辉[15]设计研制了一套裂隙气液两相渗流试验装置, 并进行了相关试验。Czarnota等[16]使用相对渗透率函数的间接预测技术获得了毛细压力和水油两相的相对渗透率曲线, 对气液两相流试验提供了新的思路。王者超等[17]研制了一套透明裂隙气液两相流试验装置, 解决了现有技术不能在完整的气液两相流流动情况下观察气液流动特征的问题。位乐等[18]研制了三轴瓦斯渗流试验装置, 测定了不同饱和度下, 试样在多种应力组合下的渗流量, 得到渗透率与饱和度之间的关系。上述试验系统虽然实现了上裂隙非饱和渗流或两相流特性的研究, 但存在一些不足: 1)部分试验使用水油作为试验流体, 但油、气物理特性与实际裂隙非饱和渗流存在差异; 2)部分试验中气压力不恒定, 不能实现真正意义上的裂隙非饱和渗流; 3)试验所用试样以钢板、有机玻璃和树脂材料裂隙模型为主, 与实际岩体裂隙存在一定差异; 4)试验中渗流量和毛细压力等重要流动要素的测量传感器精度不够, 影响试验结果精度。

针对上述问题, 本文拟在现有仪器设备的基础上, 设计并制作可满足各项技术指标及精度要求的岩体裂隙非饱和渗流试验系统。

1 岩体裂隙非饱和渗流试验系统组成及功能

1.1 研制思路

借鉴多孔介质非饱和渗流的研究成果, 采用轴平移技术, 基于动力法原理(即逐步建立水气两相之间稳定的流动状态), 测定裂隙在不同毛细压力下的含水饱和度以及渗透系数。因此, 要有能同时加载气相和液相的注入系统。为使水相在裂隙内处于稳定流动状态, 注水系统应有恒压模式。为提高试验准确度, 用高精密度电子天平收集裂隙出水量、用高精度柱塞泵测量注水量。此外, 在裂隙试样的进水(气)和出水(气)端设置高精度压力传感器, 以准确测量进口和出口端的水气压力。

1.2 系统组成

根据上述研制思路设计制作的单裂隙非饱和渗流试验系统实物图见图1。

图1 裂隙非饱和渗流试验系统实物

试验系统主要分为: 1)注入系统, 包括耐压容器、气瓶调节阀、高精密柱塞泵、气瓶、自动控制阀组和阀门等，柱塞泵用于注水, 气瓶用于注气; 2)模型系统, 包括裂隙试样和岩样夹持器，在夹持器两端均设有测压口, 用于测量进水(气)压和出水(气)压; 3)围压系统, 主要是围压泵，在试验过程中, 能保证水、气只从裂隙通过而不会从试样与夹持器接触面通过, 减小试验误差; 4)回压控制系统, 由气瓶、回压阀、压力调节器等组成，通过该系统可以调节裂隙出口压力, 从而使裂隙内部的气压保持稳定; 5)计量与数据采集系统, 由气体流量计、阀门、高精密电子天平和数据处理系统等组成，用以测量集水量和监测试验过程中各部位水压和气压等变化。

1.3 技术参数

工作介质: 气体选用氮气, 液体选用水。为了准确测量试验过程中渗流量和毛细压力等流动要素, 本试验系统的技术参数主要体现在注入系统、模型系统、回压控制系统和计量与数据收集系统(图2)。

图2 裂隙非饱和渗流试验系统组成示意图

注水系统选用TELEDYNE ISCO 500D高精度柱塞泵, 注水最大压力超过1 MPa, 压力精度可至0.1 kPa, 注水量精度可达0.01 mL。注气系统中的压力调节器选用TESCOM的手动调压阀(型号04-1A3EAANNZ), 注气压力可达1 MPa, 压力控制精度可达0.1 kPa。

回压控制系统中的关键部件回压控制阀选用南通市飞宇石油科技开发有限公司与胜利油田地质科学研究院联合研制的新型专利产品, 压力最大可至1 MPa, 操控精度可至0.1 kPa。

岩体裂隙试样规格为Φ50 mm×100 mm, 模型系统中的压力传感器选用Keller压力传感器(型号PA-23SY/1MPa), 量程可达1 MPa, 测量精度可达0.01%F·S(产家特制加工)。

裂隙出水收集测量采用Sartorius的高精度电子天平(型号BSA3202S-CW), 量程3 200 g, 测量精度为0.01 g; 气体流量计采用七星华创出品(型号D07-19B), 量程500 mL/min, 测量精度为2%。

1.4 主要功能

本试验系统主要用于探究裂隙非饱和渗流特性以及确定裂隙非饱和渗流过程中各水力参数间的关系，其主要功能为开展岩体单裂隙非饱和渗流试验, 测定裂隙在排水、吸水两个过程中水力参数间的关系, 并根据结果研究裂隙非饱和渗流的机理和特性。

2 岩体裂隙非饱和渗流试验系统验证

2.1 试样制备

为了验证上述试验系统的可靠性, 对天然岩体裂隙试样进行了验证性试验。野外采集不规则新鲜大理岩岩块, 利用岩体专用钻孔工具加工试样, 制备成Φ50 mm×100 mm的圆柱体试样, 并采用巴西劈裂方式获得岩体裂隙试样, 如图3所示。在进行非饱和渗流试验前先用VR-3000三维激光扫描仪对岩体裂隙表面形貌进行扫描采集, 运用相关软件得到岩体裂隙试样的平均开度为0.091 03 mm, 进而计算得到裂隙的饱和含水量为0.455 mL。

图3 岩体裂隙试样

2.2 试验原理

将加工好的裂隙试样装入夹持器, 按图1、2组装好试验系统, 对装置气密性检查后, 开始试验。

首先通过围压泵对裂隙试样施加恒定的围压, 使夹持器内胶皮筒能紧密贴合试样保证整个试验过程中水、气仅从裂隙通过(试验过程中水相、气相压力均小于围压), 使用柱塞泵对裂隙试样施加恒定水压力使试样饱水, 再通过回压控制系统来调节出口水压, 使出口水压维持在一个略小于进口水压的值, 在进出口水头差作用下发生渗流运动。测得给定的一段时间内流过裂隙的水量, 根据Darcy定律和裂隙平均开度、宽度、长度, 可得到裂隙的饱和渗透系数，然后施加大于注水压力的气压力, 并维持气压力恒定, 由轴平移技术原理及毛细吸持理论可知, 裂隙内部在形成的某个毛细压力值下开始排水, 集水量将大于注水量。从施加气压力开始测算若干相同时间段内柱塞泵注水量和天平集水量, 当某一时间段内柱塞泵注水量与天平集水量相等时, 即认为裂隙渗流已处于稳定状态, 此时天平收集的水量多于柱塞泵的注水量, 多出的水量即为这一级毛细压力下裂隙排出的水量, 再通过与裂隙饱和时的含水量进行对比, 便可得出裂隙在这一级毛细压力的饱和度。待裂隙渗流平稳后测定裂隙在一定时段内的过水量, 再根据Darcy定律和裂隙长宽、平均开度, 可求得裂隙在这一级毛细压力作用下的非饱和渗透系数。逐级增大气相压力(加大毛细压力), 再按上述程序, 可得到排水过程中不同毛细压力所对应的裂隙渗透系数及饱和度。

同理, 逐级减小气相压力(此时毛细压力降低裂隙开始吸水), 可得吸水过程时不同毛细压力所对应的裂隙渗透系数及饱和度。图4为非饱和渗流示意图。

2.3 试验结果与分析

图5是试验测得的裂隙吸水、排水两个过程中各级毛细压力下所得的非饱和渗透系数。由图4可见, 排水时过水面积逐步减小、渗径逐步加长, 非饱和渗透系数逐步降低。当毛细压力超过进气值(大约为4.29 cm水头)后, 裂隙非饱和渗透系数降低明显; 这是由于天然裂隙的开度在其内部是随机分布的, 有较多区域的开度大于进气值对应的开度, 所以当毛细压力略超过进气值时较多区域中的水被驱替, 造成渗径大幅加长、过水面积大幅减小。当毛细压力加大到38.78 cm水头时, 此时裂隙饱和度只有7.5%, 由于裂隙表面薄膜流和孔角毛细水参与渗流, 因此裂隙非饱和渗透系数并不为0，这与文献[19]中得到的结论相同, 同时也说明本试验系统的可靠性。吸水时，过水面积逐步增大、渗径逐步缩短, 非饱和渗透系数逐步升高。

图4 非饱和渗流示意图

图5 非饱和渗透系数与毛细压力水头的关系

图6是试验测得的裂隙吸水、排水两个过程中各级毛细压力下所得的饱和度。随着排水过程的进行, 裂隙中的水被逐步驱替, 饱和度逐步减小, 当毛细压力达到38.78 cm水头时, 气体很难再驱替出裂隙内的水, 此时裂隙的饱和度非常接近束缚水饱和度。与文献[11-12]相比可知, 天然裂隙相对于自制的模型裂隙具有更大的束缚水饱和度, 这是由于天然裂隙比钢板或有机玻璃板制作的模型裂隙存在更多的小开度区域, 而这些小开度区域所含的水无法被气体驱替。此外, 被圈闭的水以及薄膜水也较人工制作的裂隙多。裂隙吸水时, 毛细压力逐渐降低, 饱和度逐步增大, 但毛细压力降为0时, 饱和度并未达到1, 存在残余气饱和度, 主要是某些大开度区域圈闭了空气。

图6 毛细压力水头与饱和度的关系

对比两条曲线可以看出, 裂隙排水和吸水之间具有显著的滞后现象，即在同一级毛细压力下, 裂隙吸水过程时的饱和度要明显小于裂隙排水过程时的饱和度。滞后现象的出现是由于流体在裂隙排水过程和吸水过程两者间的接触角不同; 另外，排水过程开始于裂隙开度较大的区域, 而吸水过程开始于裂隙开度较小的区域, 因此排水过程与吸水过程的流动路径是不同的, 这样使得裂隙非饱和渗流的滞后现象愈加明显。值得关注的是, 在饱和度为15%～60%时裂隙吸、排水滞后现象最明显。饱和度超过64%后, 裂隙吸、排水滞后现象显著减轻。由于饱和度越大, 裂隙过水面积越大, 相应的非饱和渗透系数也越大。

采用文献[14]的理论模型分析，并与本文试验结果进行对比。由图7可见, 试验得到的渗透系数不论数值的大小还是曲线的走势均处于理论推导得到的渗透系数区间内, 再次说明本文设计研制的试验系统是可靠的, 试验结果准确。为检验试验的可重复性, 做完上述试验(称为第一次试验)后, 将试样取出再重新装入, 进行第二次试验。前后两次试验结果对比见表1。两次试验的结果差距均小于8%, 说明该试验系统和试验方法具有较好的可重复性。

图7 试验测量和理论推导的渗透系数

表1 相同毛细压力下岩体单裂隙非饱和渗流两次试验所得非饱和渗透系数对比

3 岩体单裂隙非饱和渗透系数

3.1 试样制备与试验方案

为研究毛细压力与非饱和渗透系数之间的试验关系并推导出非线性函数式, 用上述试验装置对4组天然裂隙开展了非饱和渗流试验。将大理石块制备成“Φ50 mm×100 mm的圆柱体试样, 采用巴西劈裂法获得裂隙试样。使用VR-3000三维激光扫描仪对岩体裂隙表面形貌进行扫描采集, 运用相关软件得到岩体裂隙试样的平均开度d1、d2、d3、d4分别为0.097 13、0.088 42、0.083 98和0.077 64 mm。将4组裂隙试样抽真空饱和以减少对后续非饱和渗流试验产生影响。按照1.2节中的步骤进行试验。

3.2 试验结果与分析

通过理论推导和试验数据分析可得毛细压力与非饱和渗透系数的经验公式

(1)

式中:T为毛细压力引起的衰减系数;K0为饱和渗透系数;a为拟合参数;h为毛细压力水头。其中T、a均由裂隙平均开度唯一确定。

将本文所拟合的式(1)与文献[10, 20-21]中所提到的经验式(2)～(4)进行比较一并绘于图8, 拟合情况是对平均开度为0.097 13 mm的裂隙排水和吸水过程。

图8 裂隙排水(a)、吸水(b)过程公式拟合结果对比

(2)

Ks=K0(a/h)n;

(3)

(4)

其中所涉及的a、b、c和n均为拟合参数。

从图8a中式(2)的拟合曲线对于进气值的体现(即裂隙还处于饱和渗流时)误差明显大于其余公式。当毛细压力大于裂隙进气值, 渗透系数急剧减小的阶段, 式(3)的拟合效果不如其余公式。裂隙内大部分空间被气体占据处于残余含水率附近, 渗流速度急剧减小时, 式(2)和式(3)的拟合曲线过早下沉, 导致渗透系数要小于试验数据。而式(4)的拟合曲线下沉幅度偏小, 导致渗透系数要大于试验数据。

在裂隙吸水初期, 随着毛细压力的减小渗透系数逐渐增大, 此时4个公式的拟合差距并不明显。但从点(6.1, 29.74)处开始, 渗透系数上涨幅度加快, 式(2)的拟合效果并不理想, 式(3)相较于式(1)、(4)误差更大。在裂隙吸水末期, 式(4)的拟合误差要大于其余公式(图8b)。

从对裂隙排水和吸水两个过程的拟合结果可以看出, 本文所提出的公式整体拟合效果要优于其余公式。这是因为文献[21]是通过数学推导的方法得出的式(4), 文献[10, 20]是以裂隙模型为试验对象进行的非饱和渗流试验, 而实际裂隙内的渗流情况要复杂的多, 因此所得出的公式对天然裂隙非饱和渗流试验进行拟合时误差较大。不同开度裂隙拟合公式见表2。

表2 裂隙非饱和渗透系数拟合公式

4 结 论

为准确测定岩体裂隙非饱和渗流的水力参数以及进一步探究岩体裂隙非饱和渗流特性, 研制了一套岩体裂隙非饱和渗流试验系统, 并进行了实际岩体裂隙的非饱和渗流试验验证, 得到以下结论:

(1)本文研制的试验系统能进行真正意义上的岩体单裂隙非饱和渗流, 可得到裂隙吸水、排水过程时裂隙的饱和度、非饱和渗透系数与毛细压力之间的关系; 加之采用精密的注入设备和灵敏的数据采集系统等, 可确保试验的测量和控制精度。

(2)通过本文验证性试验的结果表明, 测定的裂隙非饱和水力参数准确可靠, 根据前后两次裂隙非饱和渗流试验结果的对比可知, 该试验系统具有很好的可重复性, 为岩体裂隙非饱和水力参数的测定提供了一套可靠的试验系统。

(3)实际岩体裂隙非饱和渗流试验结果表明, 实际岩体裂隙相对于概化模型裂隙具有更大的束缚水饱和度, 而且由于薄膜水和孔角毛细水的存在, 当饱和度很低时非饱和渗透系数也较概化模型裂隙大。

(4)通过对试验数据的分析提出了毛细压力-非饱和渗透系数的拟合公式, 根据与前人所建立的经验公式对裂隙吸水和排水过程拟合结果的对比可知, 本文拟合公式的精度高，对于深入研究裂隙非饱和渗流具有一定的参考价值。