宋偉杰 陳海濤 鄧美旭 杜貽騰

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)

巖石微裂隙滲流特性研究的新進(jìn)展

宋偉杰 陳海濤 鄧美旭 杜貽騰

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)

對(duì)國(guó)內(nèi)外巖石微裂隙滲流特性的最新研究成果進(jìn)行綜述，并分析討論相關(guān)微裂隙結(jié)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(xué)開(kāi)度、節(jié)理粗糙度系數(shù)等參數(shù)的有效確定對(duì)于理論研究、實(shí)驗(yàn)開(kāi)展以及數(shù)值模擬方面起到了至關(guān)重要的作用，微裂隙的試驗(yàn)研究還處于探索階段，高精度的測(cè)量?jī)x器在裂隙領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用研究還有待加強(qiáng)，本文的結(jié)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(xué)；微裂隙；力學(xué)開(kāi)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(zāi)害頻繁發(fā)生，究其原因，其發(fā)生的共同條件均是由于圍巖內(nèi)部的微小裂隙發(fā)展直至貫通而引發(fā)的。巖體內(nèi)由于裂隙而產(chǎn)生的缺陷，使得巖體的滲流特性發(fā)生嚴(yán)重變化。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)裂隙的深入研究，發(fā)現(xiàn)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(wú)法通過(guò)注漿技術(shù)解決，這嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)。因此，對(duì)巖石微裂隙滲流特性開(kāi)展研究，具有很重要的實(shí)際意義[1]。

裂隙主要是由于構(gòu)造變動(dòng)和風(fēng)化所形成，這里所指的微裂隙張開(kāi)寬度是在0.1～10μm之間，當(dāng)然，目前而言，國(guó)內(nèi)外對(duì)于巖石裂隙滲流特性的研究尚未達(dá)到深入階段。微裂隙作為裂隙的一個(gè)分支，對(duì)其相關(guān)的研究相對(duì)較少，因此，開(kāi)展對(duì)巖石微裂隙滲流特性的研究勢(shì)在必行。本文旨在通過(guò)對(duì)微裂隙的水力學(xué)性質(zhì)，滲流特性理論及實(shí)驗(yàn)方面的進(jìn)展進(jìn)行分析，以期為微裂隙滲流特性變化規(guī)律的進(jìn)一步探索提供依據(jù)。

2 微裂隙的水力學(xué)性質(zhì)

2.1 微裂隙的開(kāi)度

裂隙的開(kāi)度包括力學(xué)開(kāi)度和水力等效開(kāi)度[2]。力學(xué)力度是指裂隙在幾何上測(cè)量到的開(kāi)度，其定義通常等同于均值開(kāi)度，水力等效開(kāi)度是指通過(guò)滲流計(jì)算分析得到的且符合立方定律的裂隙開(kāi)度。

由于水力等效開(kāi)度需通過(guò)實(shí)驗(yàn)由立方定律計(jì)算獲取，受實(shí)驗(yàn)條件、方法影響較大，故此處重點(diǎn)對(duì)微裂隙的力學(xué)開(kāi)度開(kāi)展討論。

與裂隙不同的是微裂隙的力學(xué)開(kāi)度是處于微米級(jí)的，由力學(xué)開(kāi)度定義可知，其是由物理方法測(cè)量出來(lái)的，因此如何采用行之有效的方法對(duì)微裂隙開(kāi)度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量是至關(guān)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(lái)對(duì)為裂隙的力學(xué)開(kāi)度進(jìn)行描述。

核磁共振在醫(yī)學(xué)診斷、石油勘探等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用，具有無(wú)損、快速檢測(cè)的顯著特點(diǎn)，使其在巖石物理檢測(cè)中發(fā)揮著重要作用，通過(guò)核磁共振可以對(duì)巖石試件的微裂隙開(kāi)度、粗糙度、滲透率、接觸面積等重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)，有效解決了微裂隙力學(xué)開(kāi)度難以檢測(cè)的技術(shù)瓶頸。其中趙杰等[3]通過(guò)核磁共振技術(shù)對(duì)巖石的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了轉(zhuǎn)換模型系數(shù)與孔滲比之間的關(guān)系；潘一山等[4]利用核磁共振技術(shù)對(duì)煤體的裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，得到了煤樣主裂隙的分布情況。可見(jiàn)核磁共振技術(shù)在巖石微裂隙的檢測(cè)方面已初步得到了較好的應(yīng)用。

CT掃描技術(shù)同核磁共振類似，可以無(wú)損快速對(duì)巖石試樣的開(kāi)度進(jìn)行檢測(cè)。但CT掃描技術(shù)的精度相對(duì)較低，一般可以達(dá)到微米級(jí)，核磁共振可以達(dá)到納米級(jí)，CT在具有一定局限性的同時(shí)也具有著針對(duì)性，使實(shí)驗(yàn)更加快速高效地完成。其中，Verhelst F.通過(guò)CT掃描技術(shù)對(duì)巖樣的微裂紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；葛修潤(rùn)等在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)CT對(duì)巖石裂隙細(xì)觀擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描?？梢?jiàn)CT掃描技術(shù)已在巖石微裂隙的檢測(cè)中發(fā)揮著重要作用。

2.2 微裂隙的粗糙度

目前，對(duì)于微裂隙粗糙度的評(píng)價(jià)體系尚不完善，主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)為：節(jié)理粗糙度系數(shù)（JRC）、分?jǐn)?shù)維（D）和裂隙面起伏差等[5]，由于 JRC與裂隙的力學(xué)特征聯(lián)系密切，故其被廣泛采納，現(xiàn)主要對(duì)JCR進(jìn)行介紹。

JRC是巖石節(jié)理表面幾何形態(tài)的定量描述參數(shù)，其對(duì)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(shí)驗(yàn)法；另一種是對(duì)比法。當(dāng)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(gè)等級(jí)的典型粗糙度剖面圖，所以現(xiàn)有的試驗(yàn)方法都是在此基礎(chǔ)上人為制作的裂隙，對(duì)于天然或未知的裂隙形態(tài)尚無(wú)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(fù)雜性，最早的室內(nèi)試驗(yàn)是采用兩塊光滑的平行板代表裂隙來(lái)開(kāi)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(guò)裂隙的流量與隙寬三次方成比例，然而在實(shí)際情況當(dāng)中，裂隙表面很少是光滑的，因此許多學(xué)者越來(lái)越關(guān)注粗糙裂隙的試驗(yàn)研究，在立方定理的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，主要還是集中在因粗糙度引起的裂隙過(guò)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(gè)調(diào)整參數(shù)去解決并得到了很好的驗(yàn)證。隨著滲流實(shí)驗(yàn)的不斷深入，Barton等學(xué)者發(fā)現(xiàn)通過(guò)裂隙的流量與隙寬不是三次方的關(guān)系，隙寬指數(shù)n遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3，而Lomize等學(xué)者則通過(guò)紊流實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了隙寬指數(shù)n小于3的情況。目前，天然粗糙裂隙滲流的基本規(guī)律還沒(méi)有得到完全統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，對(duì)于滲流量與隙寬之間明顯存在3種不同的關(guān)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(duì)于水力學(xué)開(kāi)度和力學(xué)開(kāi)度的關(guān)系，許多學(xué)者進(jìn)行了廣泛的探討，目前認(rèn)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(chǔ)上提出的洞穴 凸起結(jié)合模型，當(dāng)然所有模型建立的前提都依賴于對(duì)節(jié)理粗糙度系數(shù)（JRC）的確定，因此對(duì)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(guān)注，在此作者認(rèn)為，微裂隙由于其力學(xué)開(kāi)度的局限性，其JRC也勢(shì)必具有其獨(dú)特之處，大量工程實(shí)踐表明，深部地下工程中微裂隙的JRC值不會(huì)超過(guò)8。

4 巖石微裂隙滲流特性實(shí)驗(yàn)的新進(jìn)展

由于巖石微裂隙滲流特性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)于巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系、物質(zhì)組成及缺陷狀況的高精度要求，可進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)的儀器極為有限，而且核磁共振和CT掃描技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域起步較晚，目前該方面的相關(guān)實(shí)驗(yàn)并不是很完善，相關(guān)核磁共振理論以及CT掃描的精度還有待進(jìn)一步探究。

其中潘一山等利用核磁共振成像技術(shù)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(dòng)情況；謝和平等借助CT掃描獲得單軸壓縮破壞過(guò)程中巖石材料內(nèi)部的密度分布信息和統(tǒng)計(jì)特征，通過(guò)統(tǒng)計(jì)密度變化特征和分形指標(biāo)描述研究微裂隙的演化行為。可見(jiàn)微裂隙滲流特性實(shí)驗(yàn)在高精密儀器的輔助下是可以很好地實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論和展望

巖石微裂隙滲流特性研究還處于探索階段，現(xiàn)有的相關(guān)成果均是建立在大量的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)之上，通過(guò)理論推導(dǎo)以及數(shù)值模擬加以驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行分析，可得出結(jié)論如下：

（1）微裂隙的力學(xué)開(kāi)度在 0.1～10μm之間，這決定了其力學(xué)開(kāi)度的測(cè)量依賴于高精密檢測(cè)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)；

（2）微裂隙的粗糙度的評(píng)價(jià)體系尚不健全，通過(guò)現(xiàn)有的方法尚無(wú)法精確獲取微裂隙的JRC值，大量工程實(shí)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(chǔ)上不斷得到完善和發(fā)展，在水力學(xué)開(kāi)度和力學(xué)開(kāi)度的關(guān)系方面取得了一定的進(jìn)展，但均需對(duì)節(jié)理粗糙度系數(shù)（JRC）進(jìn)行確定；

（4）大量實(shí)驗(yàn)表明，微裂隙滲流特性實(shí)驗(yàn)在核磁共振以及CT掃描技術(shù)等高精密儀器的輔助下是可以很好地實(shí)現(xiàn)。

[1]謝和平，PARISEAU W G. 巖石節(jié)理粗糙系數(shù)(JRC)的分形估計(jì)[J].中國(guó)科學(xué)(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(yàn)研究的新進(jìn)展[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27：2377-2386.

[3]趙杰，姜亦忠，王偉男，等.用核磁共振技術(shù)確定巖石孔隙結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 測(cè)井技術(shù)，2003，(03)：185-188+265.

[4]石強(qiáng)，潘一山. 煤體內(nèi)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(kāi)采，2005，(06)：10-13+28.

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1007-6344（2017）09-0263-01