巖體裂隙非飽和滲流試驗系統研制及應用

張拓威, 胡云進, 夏佳龍

(1.浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室, 浙江 紹興 312000; 2.紹興文理學院 土木工程學院, 浙江 紹興 312000;3.浙江省山體地質災害防治協同創新中心, 浙江 紹興 312000; 4.浙江省第十一地質大隊, 浙江 溫州 325006)

0 引 言

裂隙巖體中依據地下水位劃分為飽和帶和非飽和帶, 通過非飽和帶的地表水體及降水入滲都是非飽和滲流過程。礦物燃料二次開采、降雨入滲誘發滑坡、核廢料深埋處理等均涉及裂隙巖體的非飽和滲流[1-4]。單裂隙是巖體裂隙滲流網絡的基本組成單元, 所以開展單裂隙非飽和滲流研究至關重要。目前對單一裂隙非飽和滲流開展研究主要通過數值模擬法、公式推導法和物理模型試驗法。其中物理模型試驗法更符合實際情況, 其他兩種方法的結果需通過物模試驗來驗證或修正[4], 因此單一裂隙非飽和滲流的物理模型試驗研究至關重要。

國內外學者已對裂隙非飽和滲流試驗研究開展了較多工作。早期的裂隙非飽和滲流試驗研究主要借鑒多孔介質非飽和滲流和氣液兩相流的研究成果[5-11], 由此得到的非飽和水力參數與真實情況存在一定偏差。劉洪柯[12]通過自行設計研制的試驗系統, 探索了不同裂隙開度、傾角對裂隙滲流的影響。蔡成志[13]和魏旭鵬[14]利用自行設計的試驗系統對經過特殊工藝制得的隨機單裂隙進行了非飽和滲流試驗。姜廣輝[15]設計研制了一套裂隙氣液兩相滲流試驗裝置, 并進行了相關試驗。Czarnota等[16]使用相對滲透率函數的間接預測技術獲得了毛細壓力和水油兩相的相對滲透率曲線, 對氣液兩相流試驗提供了新的思路。王者超等[17]研制了一套透明裂隙氣液兩相流試驗裝置, 解決了現有技術不能在完整的氣液兩相流流動情況下觀察氣液流動特征的問題。位樂等[18]研制了三軸瓦斯滲流試驗裝置, 測定了不同飽和度下, 試樣在多種應力組合下的滲流量, 得到滲透率與飽和度之間的關系。上述試驗系統雖然實現了上裂隙非飽和滲流或兩相流特性的研究, 但存在一些不足: 1)部分試驗使用水油作為試驗流體, 但油、氣物理特性與實際裂隙非飽和滲流存在差異; 2)部分試驗中氣壓力不恒定, 不能實現真正意義上的裂隙非飽和滲流; 3)試驗所用試樣以鋼板、有機玻璃和樹脂材料裂隙模型為主, 與實際巖體裂隙存在一定差異; 4)試驗中滲流量和毛細壓力等重要流動要素的測量傳感器精度不夠, 影響試驗結果精度。

針對上述問題, 本文擬在現有儀器設備的基礎上, 設計并制作可滿足各項技術指標及精度要求的巖體裂隙非飽和滲流試驗系統。

1 巖體裂隙非飽和滲流試驗系統組成及功能

1.1 研制思路

借鑒多孔介質非飽和滲流的研究成果, 采用軸平移技術, 基于動力法原理(即逐步建立水氣兩相之間穩定的流動狀態), 測定裂隙在不同毛細壓力下的含水飽和度以及滲透系數。因此, 要有能同時加載氣相和液相的注入系統。為使水相在裂隙內處于穩定流動狀態, 注水系統應有恒壓模式。為提高試驗準確度, 用高精密度電子天平收集裂隙出水量、用高精度柱塞泵測量注水量。此外, 在裂隙試樣的進水(氣)和出水(氣)端設置高精度壓力傳感器, 以準確測量進口和出口端的水氣壓力。

1.2 系統組成

根據上述研制思路設計制作的單裂隙非飽和滲流試驗系統實物圖見圖1。

圖1 裂隙非飽和滲流試驗系統實物

試驗系統主要分為: 1)注入系統, 包括耐壓容器、氣瓶調節閥、高精密柱塞泵、氣瓶、自動控制閥組和閥門等，柱塞泵用于注水, 氣瓶用于注氣; 2)模型系統, 包括裂隙試樣和巖樣夾持器，在夾持器兩端均設有測壓口, 用于測量進水(氣)壓和出水(氣)壓; 3)圍壓系統, 主要是圍壓泵，在試驗過程中, 能保證水、氣只從裂隙通過而不會從試樣與夾持器接觸面通過, 減小試驗誤差; 4)回壓控制系統, 由氣瓶、回壓閥、壓力調節器等組成，通過該系統可以調節裂隙出口壓力, 從而使裂隙內部的氣壓保持穩定; 5)計量與數據采集系統, 由氣體流量計、閥門、高精密電子天平和數據處理系統等組成，用以測量集水量和監測試驗過程中各部位水壓和氣壓等變化。

1.3 技術參數

工作介質: 氣體選用氮氣, 液體選用水。為了準確測量試驗過程中滲流量和毛細壓力等流動要素, 本試驗系統的技術參數主要體現在注入系統、模型系統、回壓控制系統和計量與數據收集系統(圖2)。

圖2 裂隙非飽和滲流試驗系統組成示意圖

注水系統選用TELEDYNE ISCO 500D高精度柱塞泵, 注水最大壓力超過1 MPa, 壓力精度可至0.1 kPa, 注水量精度可達0.01 mL。注氣系統中的壓力調節器選用TESCOM的手動調壓閥(型號04-1A3EAANNZ), 注氣壓力可達1 MPa, 壓力控制精度可達0.1 kPa。

回壓控制系統中的關鍵部件回壓控制閥選用南通市飛宇石油科技開發有限公司與勝利油田地質科學研究院聯合研制的新型專利產品, 壓力最大可至1 MPa, 操控精度可至0.1 kPa。

巖體裂隙試樣規格為Φ50 mm×100 mm, 模型系統中的壓力傳感器選用Keller壓力傳感器(型號PA-23SY/1MPa), 量程可達1 MPa, 測量精度可達0.01%F·S(產家特制加工)。

裂隙出水收集測量采用Sartorius的高精度電子天平(型號BSA3202S-CW), 量程3 200 g, 測量精度為0.01 g; 氣體流量計采用七星華創出品(型號D07-19B), 量程500 mL/min, 測量精度為2%。

1.4 主要功能

本試驗系統主要用于探究裂隙非飽和滲流特性以及確定裂隙非飽和滲流過程中各水力參數間的關系，其主要功能為開展巖體單裂隙非飽和滲流試驗, 測定裂隙在排水、吸水兩個過程中水力參數間的關系, 并根據結果研究裂隙非飽和滲流的機理和特性。

2 巖體裂隙非飽和滲流試驗系統驗證

2.1 試樣制備

為了驗證上述試驗系統的可靠性, 對天然巖體裂隙試樣進行了驗證性試驗。野外采集不規則新鮮大理巖巖塊, 利用巖體專用鉆孔工具加工試樣, 制備成Φ50 mm×100 mm的圓柱體試樣, 并采用巴西劈裂方式獲得巖體裂隙試樣, 如圖3所示。在進行非飽和滲流試驗前先用VR-3000三維激光掃描儀對巖體裂隙表面形貌進行掃描采集, 運用相關軟件得到巖體裂隙試樣的平均開度為0.091 03 mm, 進而計算得到裂隙的飽和含水量為0.455 mL。

圖3 巖體裂隙試樣

2.2 試驗原理

將加工好的裂隙試樣裝入夾持器, 按圖1、2組裝好試驗系統, 對裝置氣密性檢查后, 開始試驗。

首先通過圍壓泵對裂隙試樣施加恒定的圍壓, 使夾持器內膠皮筒能緊密貼合試樣保證整個試驗過程中水、氣僅從裂隙通過(試驗過程中水相、氣相壓力均小于圍壓), 使用柱塞泵對裂隙試樣施加恒定水壓力使試樣飽水, 再通過回壓控制系統來調節出口水壓, 使出口水壓維持在一個略小于進口水壓的值, 在進出口水頭差作用下發生滲流運動。測得給定的一段時間內流過裂隙的水量, 根據Darcy定律和裂隙平均開度、寬度、長度, 可得到裂隙的飽和滲透系數，然后施加大于注水壓力的氣壓力, 并維持氣壓力恒定, 由軸平移技術原理及毛細吸持理論可知, 裂隙內部在形成的某個毛細壓力值下開始排水, 集水量將大于注水量。從施加氣壓力開始測算若干相同時間段內柱塞泵注水量和天平集水量, 當某一時間段內柱塞泵注水量與天平集水量相等時, 即認為裂隙滲流已處于穩定狀態, 此時天平收集的水量多于柱塞泵的注水量, 多出的水量即為這一級毛細壓力下裂隙排出的水量, 再通過與裂隙飽和時的含水量進行對比, 便可得出裂隙在這一級毛細壓力的飽和度。待裂隙滲流平穩后測定裂隙在一定時段內的過水量, 再根據Darcy定律和裂隙長寬、平均開度, 可求得裂隙在這一級毛細壓力作用下的非飽和滲透系數。逐級增大氣相壓力(加大毛細壓力), 再按上述程序, 可得到排水過程中不同毛細壓力所對應的裂隙滲透系數及飽和度。

同理, 逐級減小氣相壓力(此時毛細壓力降低裂隙開始吸水), 可得吸水過程時不同毛細壓力所對應的裂隙滲透系數及飽和度。圖4為非飽和滲流示意圖。

2.3 試驗結果與分析

圖5是試驗測得的裂隙吸水、排水兩個過程中各級毛細壓力下所得的非飽和滲透系數。由圖4可見, 排水時過水面積逐步減小、滲徑逐步加長, 非飽和滲透系數逐步降低。當毛細壓力超過進氣值(大約為4.29 cm水頭)后, 裂隙非飽和滲透系數降低明顯; 這是由于天然裂隙的開度在其內部是隨機分布的, 有較多區域的開度大于進氣值對應的開度, 所以當毛細壓力略超過進氣值時較多區域中的水被驅替, 造成滲徑大幅加長、過水面積大幅減小。當毛細壓力加大到38.78 cm水頭時, 此時裂隙飽和度只有7.5%, 由于裂隙表面薄膜流和孔角毛細水參與滲流, 因此裂隙非飽和滲透系數并不為0，這與文獻[19]中得到的結論相同, 同時也說明本試驗系統的可靠性。吸水時，過水面積逐步增大、滲徑逐步縮短, 非飽和滲透系數逐步升高。

圖4 非飽和滲流示意圖

圖5 非飽和滲透系數與毛細壓力水頭的關系

圖6是試驗測得的裂隙吸水、排水兩個過程中各級毛細壓力下所得的飽和度。隨著排水過程的進行, 裂隙中的水被逐步驅替, 飽和度逐步減小, 當毛細壓力達到38.78 cm水頭時, 氣體很難再驅替出裂隙內的水, 此時裂隙的飽和度非常接近束縛水飽和度。與文獻[11-12]相比可知, 天然裂隙相對于自制的模型裂隙具有更大的束縛水飽和度, 這是由于天然裂隙比鋼板或有機玻璃板制作的模型裂隙存在更多的小開度區域, 而這些小開度區域所含的水無法被氣體驅替。此外, 被圈閉的水以及薄膜水也較人工制作的裂隙多。裂隙吸水時, 毛細壓力逐漸降低, 飽和度逐步增大, 但毛細壓力降為0時, 飽和度并未達到1, 存在殘余氣飽和度, 主要是某些大開度區域圈閉了空氣。

圖6 毛細壓力水頭與飽和度的關系

對比兩條曲線可以看出, 裂隙排水和吸水之間具有顯著的滯后現象，即在同一級毛細壓力下, 裂隙吸水過程時的飽和度要明顯小于裂隙排水過程時的飽和度。滯后現象的出現是由于流體在裂隙排水過程和吸水過程兩者間的接觸角不同; 另外，排水過程開始于裂隙開度較大的區域, 而吸水過程開始于裂隙開度較小的區域, 因此排水過程與吸水過程的流動路徑是不同的, 這樣使得裂隙非飽和滲流的滯后現象愈加明顯。值得關注的是, 在飽和度為15%～60%時裂隙吸、排水滯后現象最明顯。飽和度超過64%后, 裂隙吸、排水滯后現象顯著減輕。由于飽和度越大, 裂隙過水面積越大, 相應的非飽和滲透系數也越大。

采用文獻[14]的理論模型分析，并與本文試驗結果進行對比。由圖7可見, 試驗得到的滲透系數不論數值的大小還是曲線的走勢均處于理論推導得到的滲透系數區間內, 再次說明本文設計研制的試驗系統是可靠的, 試驗結果準確。為檢驗試驗的可重復性, 做完上述試驗(稱為第一次試驗)后, 將試樣取出再重新裝入, 進行第二次試驗。前后兩次試驗結果對比見表1。兩次試驗的結果差距均小于8%, 說明該試驗系統和試驗方法具有較好的可重復性。

圖7 試驗測量和理論推導的滲透系數

表1 相同毛細壓力下巖體單裂隙非飽和滲流兩次試驗所得非飽和滲透系數對比

3 巖體單裂隙非飽和滲透系數

3.1 試樣制備與試驗方案

為研究毛細壓力與非飽和滲透系數之間的試驗關系并推導出非線性函數式, 用上述試驗裝置對4組天然裂隙開展了非飽和滲流試驗。將大理石塊制備成“Φ50 mm×100 mm的圓柱體試樣, 采用巴西劈裂法獲得裂隙試樣。使用VR-3000三維激光掃描儀對巖體裂隙表面形貌進行掃描采集, 運用相關軟件得到巖體裂隙試樣的平均開度d1、d2、d3、d4分別為0.097 13、0.088 42、0.083 98和0.077 64 mm。將4組裂隙試樣抽真空飽和以減少對后續非飽和滲流試驗產生影響。按照1.2節中的步驟進行試驗。

3.2 試驗結果與分析

通過理論推導和試驗數據分析可得毛細壓力與非飽和滲透系數的經驗公式

(1)

式中:T為毛細壓力引起的衰減系數;K0為飽和滲透系數;a為擬合參數;h為毛細壓力水頭。其中T、a均由裂隙平均開度唯一確定。

將本文所擬合的式(1)與文獻[10, 20-21]中所提到的經驗式(2)～(4)進行比較一并繪于圖8, 擬合情況是對平均開度為0.097 13 mm的裂隙排水和吸水過程。

圖8 裂隙排水(a)、吸水(b)過程公式擬合結果對比

(2)

Ks=K0(a/h)n;

(3)

(4)

其中所涉及的a、b、c和n均為擬合參數。

從圖8a中式(2)的擬合曲線對于進氣值的體現(即裂隙還處于飽和滲流時)誤差明顯大于其余公式。當毛細壓力大于裂隙進氣值, 滲透系數急劇減小的階段, 式(3)的擬合效果不如其余公式。裂隙內大部分空間被氣體占據處于殘余含水率附近, 滲流速度急劇減小時, 式(2)和式(3)的擬合曲線過早下沉, 導致滲透系數要小于試驗數據。而式(4)的擬合曲線下沉幅度偏小, 導致滲透系數要大于試驗數據。

在裂隙吸水初期, 隨著毛細壓力的減小滲透系數逐漸增大, 此時4個公式的擬合差距并不明顯。但從點(6.1, 29.74)處開始, 滲透系數上漲幅度加快, 式(2)的擬合效果并不理想, 式(3)相較于式(1)、(4)誤差更大。在裂隙吸水末期, 式(4)的擬合誤差要大于其余公式(圖8b)。

從對裂隙排水和吸水兩個過程的擬合結果可以看出, 本文所提出的公式整體擬合效果要優于其余公式。這是因為文獻[21]是通過數學推導的方法得出的式(4), 文獻[10, 20]是以裂隙模型為試驗對象進行的非飽和滲流試驗, 而實際裂隙內的滲流情況要復雜的多, 因此所得出的公式對天然裂隙非飽和滲流試驗進行擬合時誤差較大。不同開度裂隙擬合公式見表2。

表2 裂隙非飽和滲透系數擬合公式

4 結 論

為準確測定巖體裂隙非飽和滲流的水力參數以及進一步探究巖體裂隙非飽和滲流特性, 研制了一套巖體裂隙非飽和滲流試驗系統, 并進行了實際巖體裂隙的非飽和滲流試驗驗證, 得到以下結論:

(1)本文研制的試驗系統能進行真正意義上的巖體單裂隙非飽和滲流, 可得到裂隙吸水、排水過程時裂隙的飽和度、非飽和滲透系數與毛細壓力之間的關系; 加之采用精密的注入設備和靈敏的數據采集系統等, 可確保試驗的測量和控制精度。

(2)通過本文驗證性試驗的結果表明, 測定的裂隙非飽和水力參數準確可靠, 根據前后兩次裂隙非飽和滲流試驗結果的對比可知, 該試驗系統具有很好的可重復性, 為巖體裂隙非飽和水力參數的測定提供了一套可靠的試驗系統。

(3)實際巖體裂隙非飽和滲流試驗結果表明, 實際巖體裂隙相對于概化模型裂隙具有更大的束縛水飽和度, 而且由于薄膜水和孔角毛細水的存在, 當飽和度很低時非飽和滲透系數也較概化模型裂隙大。

(4)通過對試驗數據的分析提出了毛細壓力-非飽和滲透系數的擬合公式, 根據與前人所建立的經驗公式對裂隙吸水和排水過程擬合結果的對比可知, 本文擬合公式的精度高，對于深入研究裂隙非飽和滲流具有一定的參考價值。