[发明专利]可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置，尤其涉及一种可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置。

背景技术

岩石是组成地壳结构的基本物质，是经历了漫长地质史的大自然产物，天然岩石内部有许多微裂隙、节理、断层等结构上的缺陷。岩体裂隙赋存形式多变，充填胶结和几何形态特征复杂，使得岩体的渗流性质不同于土体等颗粒孔隙介质，具有其复杂性和特殊性。结构面是岩体地下水渗透、突涌的良好通道，严重时可以导致工程围岩失稳破坏，因此，岩石裂隙渗流规律始终是国际岩石力学界研究的热门课题。

达西定律揭示了层流条件下土体(颗粒孔隙介质)中渗流速度与水力梯度之间的线性关系，其表达式为：v＝ki。式中：v为渗流速度；k为介质渗透系数；i为水力梯度。影响土体渗透系数的主要因素有粒度成分、密实度(无黏性土)或孔隙比(黏性土)。

光滑平行板裂隙模型认为裂隙由两片光滑、平直、无限长的平行板构成，由流体为不可压缩、黏性及水流为层流的假定,根据流体力学基本原理可以推导出平行板裂隙的水流公式Q＝γb³i/12η，即立方定律，其中，γ、η分别为流体的重度和动力粘度，b为裂隙开度。此时，单一岩石裂隙的渗透系数可表示为k＝γb²/12η，影响其数值大小的裂隙几何形态参数主要是等效开度和粗糙度。

开完施工引起的强烈岩体应力重分布将诱发非导水充填结构面变形活化，改变其开度、粗糙度以及充填物粒度成分、密实度，致使其转变为地下水渗透、突涌的良好通道，严重时甚至导致工程围岩失稳破坏，演变为突水突泥、塌方冒顶等重大工程灾害。

发明内容

本发明的目的是要提供一种可考虑多因素影响的岩石充填裂隙渗透率测试方法及装置，解决国内外学者在研究裂隙岩体水力学性质时，只考虑单一平直光滑无充填时的情况测试裂隙的渗透率，然后根据裂隙的连通性、粗糙度、充填及应力状态情况进行适当修正获得裂隙渗透率的问题。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：岩石充填裂隙渗透率测试方法，首先制备含预制轴向贯穿充填裂隙的标准岩石或相似材料试样；采用胶带和热缩管对上、下压头、透水板和含充填裂隙试样进行密封，将密封好的试样整体放入所述裂隙法向压缩加载装置，并利用扭矩扳手进行加载固定；利用MTS试验机及裂隙法向压缩加载装置测试，选定活塞运行速度并记录出水量，利用稳态法公式可以计算出渗透率，包括：裂隙产状、开度、粗糙度和充填物粒度成分、密实度多因素影响的岩石充填裂隙渗透率。

具体步骤如下：

(1)制备含单一预制轴向贯穿裂隙的标准岩石或相似材料试样，所述裂隙在试样横断面上的迹长、裂隙产状、开度和粗糙度都可以调节；所述的相似材料为水泥砂浆或树脂；

(2)制备特定粒度成分的充填物，并按一定密实度填满所述裂隙；所述的充填物为砂土或粉土；所述的特定粒度的最大粒径d_max≤1.0mm；所述的一定密实度为砂土相对密实度D_r≥0.30、粉土孔隙比≤0.92；

(3)在所述裂隙法向约束板圆弧部分之间放置所述已密封含充填裂隙试样，用所述刚性连接杆穿过约束板对应的螺栓孔，在约束板外侧用所述螺母套入刚性连接杆进行固定；

(4)利用扭矩扳手对所述裂隙法向压缩加载装置上的螺母施加扭矩，可以改变所述充填裂隙的受力状态、开度及充填物密实度，由扭矩值可换算得出所述试样受到的径向压力，并利用游标卡尺测量裂隙张开度的变形量；

(5)将所述裂隙法向压缩加载装置和所述含预制充填裂隙试样整体放在MTS815/816电液伺服试验机上进行渗流试验，试验开始前，施加一定轴向荷载固定试样；所述的一定轴向荷载为1.0～2.0KN；

(6)选定合理的活塞运行速度，换算得到对应的渗流速度和渗流时间，所述的活塞运行速度为0.1～0.7mm·s^-1，利用稳态法测试充填节理的渗透特性，水流通过充填节理和上端压头后，在侧部出水口流出，使用量杯、天平进行水量和流失物的收集测量，利用稳态法公式可以计算出渗透率；具体公式为：k_f＝Q_fηL/AΔP,式中，k_f为渗透率，mm²；Q_f为单位时间渗流量,mm³·s^-1；η为动力黏度，MPa·s；L为试样高度，mm；A为试样截面面积，mm²；ΔP为试样两端渗透压力差，MPa；