巖石微裂隙滲流特性研究的新進展

宋偉杰 陳海濤 鄧美旭 杜貽騰

(山東科技大學土木工程與建筑學院)

巖石微裂隙滲流特性研究的新進展

宋偉杰 陳海濤 鄧美旭 杜貽騰

(山東科技大學土木工程與建筑學院)

對國內外巖石微裂隙滲流特性的最新研究成果進行綜述，并分析討論相關微裂隙結論的適用性與可靠性。分析表明：在微裂隙滲流特性研究中，力學開度、節理粗糙度系數等參數的有效確定對于理論研究、實驗開展以及數值模擬方面起到了至關重要的作用，微裂隙的試驗研究還處于探索階段，高精度的測量儀器在裂隙領域當中的應用研究還有待加強，本文的結論也為微裂隙滲流特性的研究提供了一定的借鑒和方向。

巖石力學；微裂隙；力學開度；滲流特性；綜述

1 引言

在深部地下工程中，沖擊地壓、圍巖大變形、突水等自然災害頻繁發生，究其原因，其發生的共同條件均是由于圍巖內部的微小裂隙發展直至貫通而引發的。巖體內由于裂隙而產生的缺陷，使得巖體的滲流特性發生嚴重變化。隨著國內外學者對裂隙的深入研究，發現在深部礦井中，微裂隙在高壓水條件下有著極好的透水性，并且無法通過注漿技術解決，這嚴重影響礦井的安全高效生產。因此，對巖石微裂隙滲流特性開展研究，具有很重要的實際意義[1]。

裂隙主要是由于構造變動和風化所形成，這里所指的微裂隙張開寬度是在0.1～10μm之間，當然，目前而言，國內外對于巖石裂隙滲流特性的研究尚未達到深入階段。微裂隙作為裂隙的一個分支，對其相關的研究相對較少，因此，開展對巖石微裂隙滲流特性的研究勢在必行。本文旨在通過對微裂隙的水力學性質，滲流特性理論及實驗方面的進展進行分析，以期為微裂隙滲流特性變化規律的進一步探索提供依據。

2 微裂隙的水力學性質

2.1 微裂隙的開度

裂隙的開度包括力學開度和水力等效開度[2]。力學力度是指裂隙在幾何上測量到的開度，其定義通常等同于均值開度，水力等效開度是指通過滲流計算分析得到的且符合立方定律的裂隙開度。

由于水力等效開度需通過實驗由立方定律計算獲取，受實驗條件、方法影響較大，故此處重點對微裂隙的力學開度開展討論。

與裂隙不同的是微裂隙的力學開度是處于微米級的，由力學開度定義可知，其是由物理方法測量出來的，因此如何采用行之有效的方法對微裂隙開度進行準確的測量是至關重要的，目前主要采用的是核磁共振和CT掃描這兩種方法來對為裂隙的力學開度進行描述。

核磁共振在醫學診斷、石油勘探等領域有著廣泛地應用，具有無損、快速檢測的顯著特點，使其在巖石物理檢測中發揮著重要作用，通過核磁共振可以對巖石試件的微裂隙開度、粗糙度、滲透率、接觸面積等重要參數進行實時無損檢測，有效解決了微裂隙力學開度難以檢測的技術瓶頸。其中趙杰等[3]通過核磁共振技術對巖石的孔隙結構進行了實驗研究，獲得了轉換模型系數與孔滲比之間的關系；潘一山等[4]利用核磁共振技術對煤體的裂隙結構進行檢測，得到了煤樣主裂隙的分布情況。可見核磁共振技術在巖石微裂隙的檢測方面已初步得到了較好的應用。

CT掃描技術同核磁共振類似，可以無損快速對巖石試樣的開度進行檢測。但CT掃描技術的精度相對較低，一般可以達到微米級，核磁共振可以達到納米級，CT在具有一定局限性的同時也具有著針對性，使實驗更加快速高效地完成。其中，Verhelst F.通過CT掃描技術對巖樣的微裂紋結構進行了分析；葛修潤等在單軸壓縮實驗條件下，通過CT對巖石裂隙細觀擴展規律進行實時掃描。可見CT掃描技術已在巖石微裂隙的檢測中發揮著重要作用。

2.2 微裂隙的粗糙度

目前，對于微裂隙粗糙度的評價體系尚不完善，主要的評價指標為：節理粗糙度系數（JRC）、分數維（D）和裂隙面起伏差等[5]，由于 JRC與裂隙的力學特征聯系密切，故其被廣泛采納，現主要對JCR進行介紹。

JRC是巖石節理表面幾何形態的定量描述參數，其對微裂隙滲流特性具有重要影響。

JRC的確定方法主要有兩種：一種是剪切實驗法；另一種是對比法。當然這兩種方法就不能精確確定裂隙的JRC。1977年N.Barton和V.Choubey[6]提出了劃分為10個等級的典型粗糙度剖面圖，所以現有的試驗方法都是在此基礎上人為制作的裂隙，對于天然或未知的裂隙形態尚無法有效去獲得精確的JRC值。

3 微裂隙滲流特性理論

由于巖石裂隙的差異性與復雜性，最早的室內試驗是采用兩塊光滑的平行板代表裂隙來開展研究的。最具代表性的是1951年M. Ломизе等[7]提出的立方定理，即通過裂隙的流量與隙寬三次方成比例，然而在實際情況當中，裂隙表面很少是光滑的，因此許多學者越來越關注粗糙裂隙的試驗研究，在立方定理的基礎上進行修正，主要還是集中在因粗糙度引起的裂隙過流能力的研究上，為解決粗糙度造成的偏差，TSANG Y W等提出了采用一個調整參數去解決并得到了很好的驗證。隨著滲流實驗的不斷深入，Barton等學者發現通過裂隙的流量與隙寬不是三次方的關系，隙寬指數n遠遠大于3，而Lomize等學者則通過紊流實驗發現了隙寬指數n小于3的情況。目前，天然粗糙裂隙滲流的基本規律還沒有得到完全統一的認識，對于滲流量與隙寬之間明顯存在3種不同的關系，許光祥[8]將其歸納為：立方定律、超立方定律和次立方定律。

對于水力學開度和力學開度的關系，許多學者進行了廣泛的探討，目前認可度較高的是Y. W. Tsang和P. A. Witherspoon[9]在釘床模型和洞穴模型的基礎上提出的洞穴 凸起結合模型，當然所有模型建立的前提都依賴于對節理粗糙度系數（JRC）的確定，因此對于JRC的確定顯得尤為重要。

就目前而言，微裂隙的粗糙度并未有引起廣泛的關注，在此作者認為，微裂隙由于其力學開度的局限性，其JRC也勢必具有其獨特之處，大量工程實踐表明，深部地下工程中微裂隙的JRC值不會超過8。

4 巖石微裂隙滲流特性實驗的新進展

由于巖石微裂隙滲流特性實驗過程中對于巖石內部的結構關系、物質組成及缺陷狀況的高精度要求，可進行實時量測的儀器極為有限，而且核磁共振和CT掃描技術在巖土工程領域起步較晚，目前該方面的相關實驗并不是很完善，相關核磁共振理論以及CT掃描的精度還有待進一步探究。

其中潘一山等利用核磁共振成像技術獲取水飽和煤樣的核磁共振圖像，觀察研究煤樣的主裂隙及水在煤樣流體通道中的流動情況；謝和平等借助CT掃描獲得單軸壓縮破壞過程中巖石材料內部的密度分布信息和統計特征，通過統計密度變化特征和分形指標描述研究微裂隙的演化行為。可見微裂隙滲流特性實驗在高精密儀器的輔助下是可以很好地實現。

5 結論和展望

巖石微裂隙滲流特性研究還處于探索階段，現有的相關成果均是建立在大量的實驗研究基礎之上，通過理論推導以及數值模擬加以驗證。通過對現有的研究成果進行分析，可得出結論如下：

（1）微裂隙的力學開度在 0.1～10μm之間，這決定了其力學開度的測量依賴于高精密檢測設備來實現；

（2）微裂隙的粗糙度的評價體系尚不健全，通過現有的方法尚無法精確獲取微裂隙的JRC值，大量工程實踐表明，微裂隙的JRC值在0～8之間。

（3）微裂隙滲流特性理論在立方定律的基礎上不斷得到完善和發展，在水力學開度和力學開度的關系方面取得了一定的進展，但均需對節理粗糙度系數（JRC）進行確定；

（4）大量實驗表明，微裂隙滲流特性實驗在核磁共振以及CT掃描技術等高精密儀器的輔助下是可以很好地實現。

[1]謝和平，PARISEAU W G. 巖石節理粗糙系數(JRC)的分形估計[J].中國科學(B輯)，1994，24(5)：524-530.

[2]蔣宇靜，李博，王剛，等. 巖石裂隙滲流特性試驗研究的新進展[J]. 巖石力學與工程學報，2008，27：2377-2386.

[3]趙杰，姜亦忠，王偉男，等.用核磁共振技術確定巖石孔隙結構的實驗研究[J]. 測井技術，2003，(03)：185-188+265.

[4]石強，潘一山. 煤體內部裂隙和流體通道分析的核磁共振成像方法研究[J].煤礦開采，2005，(06)：10-13+28.

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1007-6344（2017）09-0263-01