[发明专利]多空隙组合地质单元渗透模拟材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及水文地质学科领域，尤其是一种用于模拟岩溶通道、孔隙、裂隙等多空隙地质单元从而研究天然岩体复杂渗流特性的材料。

背景技术

天然岩体漫长地质历史演化过程大多具有断裂、褶皱构造，形成了大量的孔隙、裂隙和溶隙，是地下水渗流的良好通道。除对隧洞等地下工程施工有着极大的涌水、突水、透水等潜在威胁外，也影响隧洞稳定和结构安全，因此，研究具多空隙组合的复杂地质单元的地下水渗流特性具有很大的现实意义。

对岩体地下水渗流及渗透特性的研究方法主要有三种：物理模拟测试、理论分析和利用计算机的数值模拟计算。这三种研究方法目前均是考虑在单因素作用下的。

基于松散砂的大量室内试验提出的著名线性Darcy定律，在学术界和工程界也被广泛用来描述裂隙岩体的裂隙流和岩溶地层的溶孔流，但不能很好地反映裂隙岩体中沿裂隙渗流各向异性特征。一些研究者根据水力学平板窄缝流理论，推求出地下水在裂隙岩体中沿裂隙运动的水流公式，主要考虑裂隙网络通道，而裂隙网络渗透特性因裂隙发育组数、各组裂隙几何特征的差异等常常表现出明显的各向异性。原因在于岩溶地层往往含有大量的、空间分布复杂且具显著随机性的岩溶通道。

研究表明，无论用经典的基于多孔介质理论的Darcy公式，还是用平板窄缝理论为基础的裂隙流公式，均难以客观描述溶孔流运动。基于此，一些研究者用管道流来间接描述岩溶地层的溶孔流，并从静力学平衡理论推求出单管道流渗流公式。然而，用单一的孔隙流(Darcy定律)、裂隙流(开口立方定律)或溶孔流(管道流公式)描述岩体体渗流特性，均没能反映天然地质体复杂空隙组合及其空间递变特征。由此，以理论分析结合计算机的数值模拟计算来完成对复杂地质单元的地下水渗流特性显得十分困难。

然而，若以物理模拟测试方式完成前述的研究，在室内试验中需要大量的岩体材料，现场取回受技术和交通等制约显得不便，因此，如何用一种具有类似渗流特性的、非天然岩体的组合材料来模拟具有孔隙、裂隙和溶隙的复杂地质单元，反映天然地质体复杂空隙组合及其空间递变特征，从而研究其整体渗流特性，则成为当前一个非常有现实意义的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多空隙组合地质单元渗透模拟材料，使其能够模拟具有各向异性且包含裂隙、孔隙、溶隙等结构构造特征的天然岩体的复杂渗透特性。

本发明解决问题的主要思路是：选择材料性质尽可能接近的原料，考虑现实因素与材料特性，经多次试验，选择合适原材料，综合利用刷浆、钻通孔、填充、重叠等渗透等效处理方法，研制出相似性和经济性均较为适宜的多空隙组合材料。初期尝试的原料有：木板、瓷砖、浇筑混凝土板、海绵、空心砖、切割后的小石板、聚苯乙烯材料、地板砖、普通烧结粘土砖等，除普通烧结粘土砖外，其余试验材料均无法最大程度地满足强度、裂隙与天然岩体情况接近、价格低廉、加工方便、配制场地要求小等要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：多空隙组合地质单元渗透模拟材料的制备方法，所述模拟材料用于模拟综合渗透系数为K₀的天然岩体，选择可单独密铺的、形状规则的各向同性材料块作为基块，以其密铺排列平面为参考面，垂直参考面的轴线方向作为基准方向，根据其形状，确定密铺排列垂直通缝线方向的一个方向为第一方向，确定与第一方向、基准方向均垂直的方向为第二方向；对基块进行渗透等效处理，测定基块第一方向的初始渗透系数K₁，若K₁＞K₀则对基块部分表面刷浆处理，用面浆层封闭基块的部分孔隙，使其第一方向刷浆处理后的渗透系数等于K₀，获得刷浆表面积；若K₁＜K₀则对基块进行钻通孔处理，孔内填充第一等效介质，使其第一方向通孔填充处理后的渗透系数等于K₀，获得钻孔密度和第一等效介质填充密度；将两块基块按密铺排列方式相互层叠，它们之间的缝隙填充第二等效介质，使其第二方向的渗透系数K₂也等于K₀，获得间隙值和第二等效介质填充密度；根据天然岩体发育的优势裂隙方向和/或优势溶孔方向，平铺基块并逐层堆垒，堆垒时按前述方式在基块之间填充第二等效介质，并在上下两层基块之间设置滤层，得到多空隙组合地质单元渗透模拟材料。这样得到的组合材料，用管道流模拟溶孔流，用平板窄缝流模拟裂隙流，用孔隙介质模拟储水构造，能够模拟具有各向异性且包含裂隙、孔隙、溶隙等结构构造特征的天然岩体的复杂渗透特性。