大理巖剪切裂隙滲流特性*

范 鶴， 謝業(yè)統(tǒng)，， 周 輝， 盧景景， 王 沖

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 武漢 430071)

我國建設(shè)的大型水電站多數(shù)地處崇山峻嶺中的深山峽谷地區(qū)，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，需要建設(shè)大量的深埋長、大引水隧洞.由于開挖的影響，隧洞圍巖存在開挖損傷區(qū)(excavation damage zone，EDZ)，其中含有許多微觀裂紋和宏觀貫通裂隙，在高水壓力的作用下引起隧洞突、涌水甚至失穩(wěn)，已經(jīng)成為這些工程亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題.裂隙滲流規(guī)律是預(yù)測突水量的重要依據(jù)，而單裂隙滲流規(guī)律又是裂隙巖體滲流規(guī)律的基礎(chǔ)[1].對單裂隙滲流特性的研究中，剪切作用對滲流影響的研究是目前國內(nèi)外巖石滲流研究的熱點之一.單一裂隙是構(gòu)成裂隙網(wǎng)絡(luò)的基本元素，因此，對該問題的研究主要是以平行板間的定常層流為基礎(chǔ)，其中基于一維Navier-Stokes方程所得的立方定理應(yīng)用最為廣泛.Louis等[2-5]進行了仿天然裂隙試驗研究，在此基礎(chǔ)上對立方定理提出了修正；熊祥斌等[6-7]認(rèn)為，反映剪切應(yīng)力或者三維應(yīng)力影響的試驗研究需要加強；Iwai[8]通過試驗發(fā)現(xiàn)裂隙面粗糙性對裂隙水流規(guī)律的影響主要與裂隙面面積接觸率有關(guān)；王志良等[9]基于Boltzmann方法，通過數(shù)值計算，討論了裂隙面粗糙度對滲流流態(tài)的影響；張帆等[10]對花崗巖的張拉裂隙與壓剪裂隙的滲流特性進行了研究；胡大偉等[11]進行了峰后大理巖非線性滲流特征及機制研究；周創(chuàng)兵等[12]在較高圍壓條件下引入面積接觸率修正法，以此來考慮與平行光滑板理論理想狀態(tài)的偏差；孫海霞等[13]運用ABAQUS對基坑進行了地下水滲流與開挖的三維數(shù)值模擬分析；肖維民等[14]進行了高滲透水壓下的直剪滲流試驗研究；郭保華等[15]根據(jù)閉合裂隙的接觸狀態(tài)及流域分布特征，認(rèn)為裂隙滲流可分為群島流、過渡流、溝槽流3個階段，并研究了單位水頭流量、力學(xué)隙寬及法向應(yīng)力之間的關(guān)系，且得出了應(yīng)力歷史對裂隙滲流特性有明顯影響的結(jié)論；Javadi等[16]研究了剪切作用對臨界雷諾數(shù)以及非線性流特征的影響，結(jié)合福希海莫定律與雷諾數(shù)，建立了一種非線性流的定量判據(jù).

綜上所述，現(xiàn)有研究雖然在裂隙滲流方面獲得了豐富的成果，但對于大理巖剪切裂隙滲流特性的研究，以及高入滲水壓裂隙滲流特性的研究還較少，本文采用自主研發(fā)的滲流試驗機，利用徑向滲流的試驗方法，探究了大理巖剪切裂隙的滲流特性.

1 試樣制備

試驗所用的巖樣為細(xì)晶大理巖試樣，宏觀均勻性好，經(jīng)室內(nèi)加工成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣.制備后所得的圓柱試樣波速在2 460～2 750 m/s之間.

取部分標(biāo)準(zhǔn)大理巖圓柱試樣進一步加工制備成含鉆孔圓柱試樣，如圖1所示.加工過程選用孔徑為4 mm的金剛石鉆頭在試樣一側(cè)中心位置鉆取60 mm深鉆孔.使用直角尺沿試樣一端豎直方向用記號筆標(biāo)記一條標(biāo)記線，在后續(xù)開展?jié)B流試驗時，以便試樣上下裂隙面對齊.

圖1 含鉆孔大理巖試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of marble samples containing drill hole

2 試驗方案

2.1 含鉆孔圓柱試樣的直剪試驗

剪切試驗在RMT-150C試驗機上進行，試驗選取含鉆孔的大理巖圓柱試樣，圖2為直剪試驗示意圖.將含鉆孔試樣J1～J4置于剪切盒中，進行直剪試驗.試驗開始后，法向力按1 kN/s的速率加載至12 kN后保持恒定，以水平剪切位移控制模式施加剪切荷載，控制速率為0.002 mm/s，待剪切應(yīng)力至應(yīng)力峰值時終止試驗.圖3為試樣剪切斷面.

圖2 大理巖直剪試驗示意圖Fig.2 Schematic marble for direct shear test

圖3 試樣剪切斷面Fig.3 Shear section of sample

表1為試樣J1～J4在直剪試驗中法向應(yīng)力與峰值剪切應(yīng)力的值.法向應(yīng)力σn和剪切應(yīng)力τ可分別表示為

表1 法向應(yīng)力與峰值剪切應(yīng)力的關(guān)系Tab.1 Relationship between normal stress and peak shear stress

(1)

(2)

式中：N為法向力；Fs為試樣受到的剪切力；A為試樣沿剪切方向的有效剪切面積.

2.2 裂隙面形貌獲取及分析

裂隙面掃描采用華朗三維公司生產(chǎn)的型號為HL-3DS+拍照式三維掃描系統(tǒng)完成.采用該設(shè)備獲取裂隙面點云數(shù)據(jù)，將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件，封裝合成網(wǎng)格曲面.最后刪除巖石結(jié)構(gòu)面以外的噪聲數(shù)據(jù)，獲得與裂隙面表面形態(tài)完全一致的重構(gòu)數(shù)字圖像，如圖4所示.圖4中從左至右分別為試樣J1、J2、J3在12 kN法向壓力下進行壓剪試驗形成的剪切斷面形貌特征圖.從圖4中可以看出，J1、J2、J3裂隙面呈現(xiàn)出較為典型的低法向力下剪切破壞特征.J1、J2剪切面相對J3較為平整，J3剪切裂隙面局部呈現(xiàn)出張拉破壞的特征，存在較大范圍的凸起與凹槽，這種局部張拉破壞的特性，可能對裂隙面的滲流特性產(chǎn)生一定的影響.

圖4 相同法向力下剪切面形貌Fig.4 Shear surface morphologies under same normal force

為了定量化表征結(jié)構(gòu)面的形貌參數(shù)，借助于Matlab軟件處理點云數(shù)據(jù).將裂隙面點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件得到裂隙面重構(gòu)圖像，并對點云數(shù)據(jù)進行中性面校準(zhǔn)，圖5為剪切裂隙面等值線云圖.

圖5 剪切裂隙面等值線云圖Fig.5 Contour map of shear fracture surface

計算三維粗糙度系數(shù)Z2s等裂隙面形貌參數(shù)，其表達(dá)式為

近年來，以農(nóng)廣校為培育主體的“一主多元”培育機制建立以來，各基層農(nóng)廣校依托多年來農(nóng)民培訓(xùn)工作經(jīng)驗，為新型職業(yè)農(nóng)民培育工作作出了積極的貢獻，但同時也出現(xiàn)一些關(guān)鍵問題有待解決，筆者從當(dāng)前新型職業(yè)農(nóng)民培育工作中存在的一些現(xiàn)象中，總結(jié)了一些問題，與大家分享。

(3)

式中：Δx、Δy分別為x方向和y方向采樣間隔；zi，j為采樣點z方向坐標(biāo)；Nx、Ny分別為x方向和y方向采樣點個數(shù).

通過Matlab軟件計算得到的三維形貌參數(shù)如表2所示.由表2可以看出，在相同法向力約束下，剪切破壞得到的裂隙面，其粗糙度有一定差別.根據(jù)三維粗糙度系數(shù)Z2s可知，裂隙面J1、J2、J3的粗糙程度依次增大，谷峰差也依次增大.故Matlab計算結(jié)果與Geomagic Studio處理所得裂隙面重構(gòu)圖像所顯示的宏觀特征是吻合的，即裂隙面J1、J2、J3的粗糙程度依次增大.

表2 剪切裂隙面三維形貌參數(shù)Tab.2 3D morphological parameters of shear fracture surface

2.3 裂隙滲流試驗

圖6 裂隙滲流試驗Fig.6 Fracture seepage test

在試驗開始前，將剪切試樣的裂隙面沿標(biāo)記線閉合，使用環(huán)氧樹脂膠將試樣帶有注水通道的一側(cè)與封水墊片粘結(jié).圖7為裂隙滲流試驗示意圖.試驗開始時，對裂隙試樣施加法向力，加載速率為1 kN/s，待法向力加載至預(yù)定值，開通補充水槽與水泵之間的水閥，對水泵注水，待水泵水量注滿，關(guān)閉水泵與補充水槽之間的水閥.滲流開始時，打開水泵與巖樣之間的水閥，開始進行裂隙滲流試驗.

圖7 裂隙面滲流試驗示意圖Fig.7 Schematic diagram of fracture surface seepage test

3 裂隙面滲流特性分析

3.1 常法向力下裂隙面滲流特性

滲流試驗中，對剪切試樣J1、J2、J3施加12 kN常法向力，法向力加載至預(yù)定值后，開始進行裂隙滲流，滲流過程采用流量控制，流量從1 mL/min開始，逐次上升至25 mL/min，從而測得一系列流量下的水頭壓力.

圖8為試件J1、J2、J3裂隙面在12 kN常法向力作用下，流量與入滲水壓關(guān)系曲線圖.由圖8可以看出，試件J1、J2、J3的滲流曲線隨流量的增大，水頭壓力基本呈線性增長，增長的速度逐次變快，滲流過程大致符合達(dá)西定律.J1、J2的滲流曲線比較接近，而J3的滲流曲線表現(xiàn)出相同流量下，水頭壓力明顯高出J1、J2.這意味著在相同的水頭壓力下，J1、J2裂隙中的滲流過程較J3更容易進行.

圖8 常法向力下裂隙面滲流特性曲線Fig.8 Seepage characteristic curves of fracture surface under identical normal force

圖9 徑向滲流示意圖Fig.9 Schematic diagram of radial seepage

3.2 滲流過程中的雷諾數(shù)變化

雷諾數(shù)是反映流速、滲流通道形狀、流體的黏性系數(shù)等參數(shù)關(guān)系的一個變量，在徑向滲流試驗中，其表達(dá)式為

Re=vD/μ

(4)

式中：Re為雷諾數(shù)；v為半徑R處的水流速度；μ為流體的運動黏性系數(shù)；D為裂隙水力直徑，即裂隙過流斷面面積的四倍與周長之比.圖10為徑向滲流的雷諾數(shù)估算，其中，r0為裂隙面內(nèi)孔半徑，r1為裂隙面外側(cè)半徑.滲流試驗中特征流速v沿過水?dāng)嗝娴膹较蚴亲兓模栽谡麄€水流域內(nèi)雷諾數(shù)并不唯一.取D為2倍裂隙張開度，則式(4)可改寫為

圖10 徑向滲流的雷諾數(shù)估算Fig.10 Reynolds number estimation for radial seepage

Re=Q/(πμR)

(5)

式中，Q為特征長度.試驗在20 ℃環(huán)境下進行，黏性系數(shù)取1.006 7×10-6m2/s.

對同一巖樣裂隙，由于裂隙閉合原因或水頭壓力降低導(dǎo)致滲流速度變低，雷諾數(shù)也會隨之降低.表3為滲流過程中內(nèi)孔側(cè)與外側(cè)Re值.由表3可知，試驗過程中內(nèi)外側(cè)最大雷諾數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于100，裂隙滲流屬于層流狀態(tài).

表3 滲流過程中內(nèi)孔側(cè)與外側(cè)Re值Tab.3 Re values measured at inner and outer holes in seepage process

3.3 不同法向力下裂隙面滲流特性

圖11為試件J4在不同常法向力下的裂隙滲流特性曲線.試驗開始對裂隙面加載法向力，升至12 kN后保持恒定，進行滲流試驗，而后逐級增大法向力至24、36、48和60 kN測得各級法向應(yīng)力下的滲流曲線.

圖11 不同法向力下裂隙滲流特性曲線Fig.11 Seepage characteristic curves of fracture under different normal forces

由圖11可以看出，試件J4在不同法向應(yīng)力條件下的滲流過程均顯示出線性流特性，即隨流量的增大，水頭壓力呈線性增長.在法向力為12、24和36 kN時的滲流曲線比較接近，法向力為48和60 kN時的滲流曲線比較接近.但法向力為36和48 kN的曲線中間存在較大的空白區(qū)域.法向力從36 kN加載至48 kN時，將試樣所受法向力換算成應(yīng)力，此時法向應(yīng)力從14 MPa升至19 MPa，說明這個過程中上下裂隙面的接觸形式發(fā)生了較為顯著的變化，導(dǎo)致裂隙面內(nèi)的滲流通道相較低法向力時發(fā)生了較大變化，許多滲流通道產(chǎn)生了閉合現(xiàn)象，在裂隙面的閉合過程中形成了大面積的死水區(qū).滲流特性呈現(xiàn)出隨流量的增大，水頭壓力增長趨勢變快的現(xiàn)象.

4 結(jié) 論

采用自行設(shè)計的試驗方法與試驗裝置對大理巖剪切裂隙滲流特性進行了研究，得到的主要結(jié)論如下：

1) 徑向滲流試驗中，當(dāng)流量在0～15 mL/min范圍內(nèi)，滲流過程表現(xiàn)為線性達(dá)西流特征，即隨流量的增大，水頭壓力呈線性增長；

2) 大理巖剪切過程中產(chǎn)生的局部張拉破壞特征對剪切裂隙的滲流起到阻礙作用；

3) 裂隙滲流過程中，法向力相較于裂隙面形貌特征對滲流的影響更為顯著；

4) 法向應(yīng)力從14 MPa升至19 MPa過程中，上下裂隙面的接觸形式發(fā)生了變化，該過程中，部分滲流通道隨法向力的增加出現(xiàn)了閉合現(xiàn)象，裂隙面形成了大面積的死水區(qū).