李世超， 胡云進(jìn)， 鐘 振， 潘昌青， 陸佳瑩

(紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引 言

裂隙巖體的滲透性對(duì)于水利工程及地下工程建設(shè)等具有至關(guān)重要的影響。單裂隙是組成巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的基本單元，單裂隙滲透性研究是研究裂隙巖體滲流的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1～3]。 單裂隙滲透性的影響因素眾多，如應(yīng)力、裂隙開度、裂隙面粗糙度、裂隙面充填物及多場(chǎng)耦合等[2]。許多學(xué)者針對(duì)上述因素展開了大量的研究，取得了重要的成果[1,4-11]，但對(duì)于尺寸效應(yīng)的研究較少。研究表明[12]，巖石裂隙滲透性存在尺寸效應(yīng)，但尺寸效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理尚未明了。Kunal Kumar Singh[13]對(duì)直徑分別為38mm和54mm的圓柱形劈裂試樣進(jìn)行了滲透性試驗(yàn)，結(jié)果顯示直徑38mm的花崗巖試樣的滲透性大于直徑54mm的試樣，但由于試樣尺寸較小且尺寸數(shù)據(jù)比較單一，難以確定滲流尺寸效應(yīng)的規(guī)律。馬秀媛[14]對(duì)多種尺寸的碳酸鹽巖芯試樣進(jìn)行了滲透試驗(yàn)，結(jié)果顯示巖體的滲透率隨尺寸的增大而增大，最終趨于穩(wěn)定；但這是針對(duì)完整巖石試樣而非裂隙試樣。傳統(tǒng)研究方式是采用不同尺寸的試樣進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)，再比較不同尺寸試樣的試驗(yàn)結(jié)果，但由于不同試樣的裂隙開度、粗糙度等因素對(duì)滲透系數(shù)的影響難以消除，試驗(yàn)結(jié)果的可靠性不高。而且試樣尺寸較小難以準(zhǔn)確掌握尺寸效應(yīng)的變化規(guī)律。因此如何消除裂隙開度、粗糙度等因素的影響以及制作大尺寸的單裂隙試樣，已成為巖石裂隙尺寸效應(yīng)研究的一大難題。

針對(duì)上述問題，研制了一套大尺寸單裂隙滲透性尺寸效應(yīng)試驗(yàn)儀器及大尺寸試樣。該試驗(yàn)儀可對(duì)1000mm直徑的圓柱形試樣進(jìn)行法向加載；采用1000mm直徑的同一單裂隙，測(cè)量同一單裂隙中不同滲流尺寸下的滲透參數(shù)，這樣可以可靠的進(jìn)行尺寸效應(yīng)規(guī)律分析。

1 巖石裂隙滲透性尺寸效應(yīng)試驗(yàn)儀

試驗(yàn)儀器由供水裝置、加載裝置、集水裝置、測(cè)量裝置組成。供水裝置由有機(jī)玻璃材料制成；加載裝置由高強(qiáng)度金屬框架及液壓缸制成；集水裝置由橡膠圈集水槽、集水導(dǎo)管及量杯組成；測(cè)量裝置由電子天平及滲壓計(jì)組成。

1.1 供水裝置

供水裝置主要由兩部分組成，如圖1所示，分別為自循環(huán)供水箱和恒壓水箱。自循環(huán)供水箱用于提供水源，恒壓水箱用于提供定水頭。水流由供水管進(jìn)入恒壓水箱，溢出的水流又通過回水管流回供水箱，形成一個(gè)回路，其中的流量調(diào)節(jié)閥用于調(diào)整流量大??；恒壓水箱中間用穩(wěn)水孔板分割，以保持水流穩(wěn)定，上端溢流，溢流口帶擋板，用于調(diào)節(jié)水位；水流通過恒壓水槽中的入流管進(jìn)入巖石裂隙試樣。

圖1 供水裝置

1.2 加載裝置

加載裝置由六部分組成，如圖2所示：(1)立柱；(2)液壓缸；(3)加載頂板；(4)加載器；(5)數(shù)字顯示表；(6)承載底板；(7)控制閥。立柱位于四個(gè)角點(diǎn)，每根立柱均套有一個(gè)液壓缸，四個(gè)液壓缸由同一控制閥控制，以保證協(xié)同出力。為實(shí)現(xiàn)可視化研究，加載頂板與承載底板均為外徑1000mm，內(nèi)徑800mm的圓環(huán)，平板光源由試樣底部照射試樣，再用高速攝像機(jī)從試樣頂部進(jìn)行拍攝，觀測(cè)滲流的形態(tài)，如圖3液壓缸活塞行程200mm。四個(gè)液壓缸與上部加載板總計(jì)可提供最大300kN的加載力。在直徑為1000mm的圓盤試樣下，所提供的最大法向應(yīng)力為0.4MPa。

圖2 加載裝置

1.3 集水裝置

集水裝置由集水槽和導(dǎo)管組成，集水槽緊貼環(huán)繞下盤試樣一周，，在其一側(cè)有開口連接導(dǎo)管，導(dǎo)管出口處設(shè)有量杯，如圖4所示。

圖3 滲流形態(tài)觀測(cè)示意圖

圖4 集水裝置側(cè)視圖

從裂隙四周滲出的水流進(jìn)入集水槽中，再通過導(dǎo)管進(jìn)入量杯中，以此來收集從裂隙中滲出的水流，如圖5所示。

圖5 集水裝置導(dǎo)水示意圖

1.4 測(cè)量裝置

測(cè)量裝置包括高精度電子分析天平(4200g/0.01g)，以及布設(shè)于上盤試樣的滲壓計(jì)。滲壓計(jì)布設(shè)在上盤試樣中。上盤試樣以圓心為起點(diǎn)，在相互垂直的四個(gè)方向上，每隔100mm鉆一個(gè)通孔，一共需鉆取16個(gè)通孔，如圖6、圖7所示。每個(gè)通孔內(nèi)均布設(shè)一個(gè)滲壓計(jì)，用以獲得該點(diǎn)處的水壓力值，其中每4個(gè)與圓心距離相同的測(cè)點(diǎn)編為一個(gè)測(cè)壓組。同一測(cè)壓組的4個(gè)水壓力值取其平均數(shù)作為該組的水壓力值。

圖6 滲壓計(jì)布設(shè)俯視圖

圖7 滲壓計(jì)布設(shè)側(cè)視圖

2 大尺寸單裂隙試樣的制作

室內(nèi)巖石裂隙滲流試驗(yàn)通常采用天然巖塊或混凝土作為試樣，小尺寸試樣尚可，但對(duì)于大尺寸試樣，若采用天然花崗巖(密度：2.79-3.07g/cm3)或混凝土(密度：約2.5g/cm3)等材料制作，則試樣笨重，不便于開展試驗(yàn)。鞠楊[15]在單裂隙滲流試驗(yàn)中使用有機(jī)玻璃(PMMA)材料，質(zhì)量大大降低，且可實(shí)現(xiàn)可視化研究。有機(jī)玻璃具有輕質(zhì)(密度：約1.2g/cm3)、高強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度5.5～7.7Mpa)[16]、可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的透光性能，適用于制作大尺寸巖石裂隙試樣，并開展可視化研究。

通過熱壓法，制作兩塊尺寸為1000mm×30mm(直徑×厚度)的圓形有機(jī)玻璃板(上盤、下盤)。上盤按前述鉆孔并布設(shè)滲壓計(jì)。在下盤的圓心處鉆直徑10mm的通孔作為注水孔，板邊緣套一圈集水槽用以收集滲出的水流。疊合上、下盤形成大尺寸單裂隙，如圖8所示。

圖8 大尺寸試樣示意圖

3 試驗(yàn)原理及步驟

3.1 試驗(yàn)原理

單裂隙滲流采用輻射流，如圖9所示，即水流從中心孔注入裂隙面，然后向四周輻射狀流出，流入集水槽進(jìn)行收集。這種方法解決了大尺寸試樣不易密封的問題。

圖9 滲流與集水方式示意圖

光滑平行板滲流的立方定律：

(1)

式中：Q為出流量；ΔH為水頭差；C為常數(shù)；b為裂隙寬度。

(2)

式中：K為等效滲透系數(shù)；μ為水流的動(dòng)力粘滯系數(shù)，其余各符號(hào)的意義同前。

對(duì)于輻射流有[1]：

(3)

式中：ri為第i根滲壓計(jì)距圓心的距離；r0注水孔的半徑。

聯(lián)立(1)(2)(3)可得：

(4)

式中：hi為第i根測(cè)壓管處的壓力水頭；h0為注水孔處的壓力水頭，其余各符號(hào)的意義同前。

3.2 試驗(yàn)步驟

巖石裂隙排氣：打開自循環(huán)供水箱閥門，水流進(jìn)入水箱后通過下盤注水孔進(jìn)入裂隙面；施加2倍試驗(yàn)最大水頭，持續(xù)2h，關(guān)閉，再施加，反復(fù)多次排除裂隙內(nèi)氣體。

首先對(duì)巖石裂隙施加小的法向荷載，打開閥門向裂隙注水，待滲流過程穩(wěn)定后，記錄各個(gè)滲壓計(jì)的讀數(shù)，將同一組滲壓計(jì)的讀數(shù)取平均值作為該尺寸下的水壓力值，代入公式(4)，計(jì)算出不同尺寸裂隙面的滲透系數(shù)。保持法向荷載不變，通過閥門改變注水水壓，記錄不同水壓下裂隙滲透性的變化。保持水壓不變，步進(jìn)增加法向荷載，研究該法向應(yīng)力對(duì)裂隙滲透性尺寸效應(yīng)的影響。

為進(jìn)一步研究粗糙度對(duì)巖石裂隙滲透性尺寸效應(yīng)的影響，在裂隙內(nèi)布設(shè)不同顆粒級(jí)配的石英砂，以模擬不同粗糙度，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，觀測(cè)巖石裂隙粗糙度對(duì)滲透性尺寸效應(yīng)的影響。

4 結(jié) 論

針對(duì)目前缺乏巖石裂隙滲透性尺寸效應(yīng)試驗(yàn)儀和相應(yīng)的大尺寸試樣的現(xiàn)狀，研制出大尺寸巖石裂隙滲透試驗(yàn)儀，試驗(yàn)儀可開展不同方向荷載、壓力水頭、裂隙面粗糙度下的滲透試驗(yàn)，最大試樣尺寸達(dá)到1000mm，并在試樣上盤距等間距鉆孔布設(shè)測(cè)壓計(jì)，實(shí)現(xiàn)在同一試樣下開展?jié)B透性尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究。儀器具有功能齊全，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可用于觀測(cè)不同條件下巖石裂隙滲透性尺寸效應(yīng)規(guī)律，為進(jìn)一步揭示尺寸效應(yīng)的控制機(jī)理提供了切實(shí)可行的試驗(yàn)設(shè)備。

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