劉曉明, 楊本亮, 申琦瑜

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

1 研究背景

巖石裂隙的滲透規(guī)律因水資源利用、地下空間開發(fā)、能源開采而受到廣泛重視。自然界中巖石類型繁多，在地殼淺層、表層廣泛分布著具有氣孔構(gòu)造的巖石，同其他種類巖石一樣，氣孔構(gòu)造巖石裂隙的滲透性也主要受分布在其中的裂隙控制，探明其滲透特性是在氣孔構(gòu)造巖石地區(qū)開展市政、水利工程、油氣開采的一項(xiàng)重要前期工作。

對(duì)于巖石裂隙滲透性的研究，Poiseuiile對(duì)均質(zhì)恒定運(yùn)動(dòng)條件下的黏性不可壓縮流體進(jìn)行理論推導(dǎo)[1]，得到裂隙滲流流量與裂隙寬度的立方定理。Lomize[2]、Louis[3]通過大量的單裂隙滲流試驗(yàn)，驗(yàn)證了層流時(shí)光滑裂隙的立方定理。巖石裂隙在自然界廣泛存在，但并不光滑。Barton等[4]和周創(chuàng)兵等[5]相繼進(jìn)行了粗糙裂隙滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粗糙裂隙面凸起度Δ與裂隙寬度的比值對(duì)裂隙過流能力影響顯著，分別提出了相應(yīng)的修正立方公式。胡少華等[6]建立了考慮裂隙幾何形貌的臨界雷諾數(shù)模型。鞠楊等[7]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂隙的滲透能力隨裂隙粗糙度增加呈指數(shù)下降。

隨著計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)理論逐漸成熟，數(shù)值模擬成為研究裂隙滲流一種新手段。程勤波等[8]基于Navier-Stokes(N-S)方程建立了巖石裂隙入滲水流數(shù)值模型，結(jié)果表明N-S方程能精確地描述巖石裂隙的水流運(yùn)動(dòng)過程。徐維生等[9]統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)工程中裂隙寬度的分布特征，根據(jù)相應(yīng)特征基于數(shù)值生成仿粗糙裂隙，探明了多種滲流本構(gòu)關(guān)系下的單寬流量公式。于可等[10]通過Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)粗糙裂隙在高速滲流時(shí)，滲透率與粗糙度呈負(fù)相關(guān)，與裂隙寬度呈正相關(guān)；段慕白等[11]和Javadi等[12]運(yùn)用CFD對(duì)裂隙滲透進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了相似結(jié)論。趙強(qiáng)等[13]對(duì)單裂隙微凸體粗糙裂隙進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果表明微凸體粗糙裂隙模型中，同一裂隙滲流通道中的隙寬較大處流速緩慢，隙寬較小處流速較大。

綜上所述，目前巖石裂隙滲流研究主要針對(duì)一般粗糙裂隙，而對(duì)裂隙面具有下凹?xì)饪椎膸r石裂隙滲流研究較少。鑒于此，本文以氣孔構(gòu)造玄武巖為例，開展氣孔構(gòu)造巖石裂隙滲透試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到了裂隙面構(gòu)造影響因子λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)系。并基于數(shù)值軟件建立模擬氣孔構(gòu)造裂隙滲流模型，在印證室內(nèi)試驗(yàn)所得規(guī)律合理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了裂隙面氣孔的存在對(duì)裂隙滲流的影響機(jī)理。

2 氣孔構(gòu)造玄武巖裂隙滲透試驗(yàn)

2.1 氣孔構(gòu)造玄武巖氣孔特征

本研究所用的氣孔構(gòu)造巖石為海南省?？谑械男鋷r，屬第四系上更新統(tǒng)道堂組火山巖，呈灰色、灰褐色的隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有氣孔、微孔狀構(gòu)造。經(jīng)過實(shí)地調(diào)查后，選取如圖1所示的4種氣孔特征差異較大的玄武巖試塊進(jìn)行研究。

圖1 氣孔構(gòu)造玄武巖試樣Fig.1 Basalt samples of vesicular structure

攝影獲取圖1所示玄武巖試塊圖像后，采用常用繪圖軟件AutoCAD中光柵圖像功能對(duì)玄武巖氣孔圖像進(jìn)行描繪，將描繪后的圖片導(dǎo)入到Photoshop中，統(tǒng)計(jì)氣孔圖像像素后進(jìn)行氣孔面積的計(jì)算，計(jì)算得到切割后玄武巖表面的氣孔特征參數(shù)如表1所示。

表1 氣孔構(gòu)造玄武巖氣孔特征參數(shù)Table 1 Vesicular characteristic parameters of basaltwith vesicular structure

2.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

研究所用滲透試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示，設(shè)備分進(jìn)水箱、出水箱、滲透試樣3部分，進(jìn)水箱高1.3 m，箱體連接進(jìn)水管、測(cè)壓管；出水箱高0.6 m，試驗(yàn)水頭的大小通過控制出水管的高度設(shè)定。測(cè)壓管讀數(shù)精度為1 mm，即本裝置可測(cè)試的最小水頭差為1 mm，對(duì)應(yīng)水頭梯度為0.005。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Test equipment

帶裂隙的巖石試樣采用兩塊切割整齊的玄武巖夾持一定厚度的銅條來模擬，如圖3(a)所示。試樣尺寸為200 mm×120 mm×60 mm(長(zhǎng)×寬×高)。這樣裂隙面的長(zhǎng)度為120 mm，因所選銅條寬10 mm，所以裂隙滲流截面長(zhǎng)度W為100 mm。然后將試樣用1 mm厚的乳膠膜和四塊鋁板包圍，使用夾具夾持后，可將試塊裂隙周邊密封，夾持后的試樣如圖3(b)所示。

圖3 試樣組裝Fig.3 Assembling of sample

夾持中需采用扭力扳手控制力度，確保每次施加在夾具上的力相同，從而控制裂隙寬度相同。將夾具加持后的試樣組裝至圖2所示試驗(yàn)設(shè)備后進(jìn)行滲透試驗(yàn)。在裂隙滲透試驗(yàn)中，等效水力縫寬的獲取尤為重要，王緩等[14]對(duì)裂隙等效水力隙寬確定問題進(jìn)行了探討，提出了將試驗(yàn)所得裂隙滲流量代入立方定律反求得到等效水力縫寬。因此，本文通過光滑裂隙滲流的滲流量進(jìn)行反算獲得裂隙滲流等效水力縫寬，采用光滑有機(jī)玻璃板模擬裂隙，選用的3種銅條，實(shí)測(cè)厚度分別為0.41、1.01、1.92 mm，進(jìn)行光滑裂隙滲透試驗(yàn)，獲得試驗(yàn)流量Qg,在層流狀態(tài)下，試驗(yàn)流量與立方公式計(jì)算流量Q相等，即Qg=Q。計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)的裂隙等效水力寬度b分別為0.406、0.933、1.643 mm，裂隙等效水力寬度小于實(shí)際觀測(cè)值，這與Yeoiw等[15]得出的水力等效隙寬比機(jī)械隙寬小的結(jié)論一致。

開展玄武巖裂隙滲流試驗(yàn)時(shí)，先將夾具夾持后的玄武巖試樣組裝到試驗(yàn)設(shè)備上，打開設(shè)備的進(jìn)水閥門，通水后對(duì)試樣進(jìn)行全方位轉(zhuǎn)動(dòng)，以排出試樣氣孔中的空氣，待無氣泡排出后，開始滲透試驗(yàn)，記錄進(jìn)、出水箱兩側(cè)水頭差和對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定出水流量，計(jì)算得到水頭梯度J和單位時(shí)間過流流量Qs。通過調(diào)節(jié)進(jìn)出水管高度，實(shí)現(xiàn)變換水頭，重復(fù)以上步驟，直至所有試驗(yàn)完成。本研究共測(cè)試了4組玄武巖巖石裂隙試樣，每種試樣對(duì)應(yīng)3個(gè)裂隙寬度、平均9個(gè)水頭差，共得到108個(gè)水頭梯度J-單位時(shí)間過流流量Qs數(shù)據(jù)對(duì)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

立方定理公式為

(1)

式中：q為單位長(zhǎng)度的裂隙計(jì)算流量(cm2/s)；ρ為液體密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)；μ為黏滯系數(shù)，與溫度有關(guān)；J為水頭梯度；b為等效裂隙寬度。

光滑裂隙理論滲流流量為

Q=qW。

(2)

式中試樣裂隙滲流截面長(zhǎng)度W為10 cm。

將不同等效裂隙寬度對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果分別繪制在圖4中，圖中實(shí)線由式(2)計(jì)算得出。

圖4 不同等效裂隙寬度下的玄武巖裂隙Qs-J曲線Fig.4 Curves of hydraulic gradient and flow in basaltfracture of different equivalent fracture widths

從圖4的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與光滑裂隙相比，當(dāng)?shù)刃Я严秾挾炔煌?，氣孔?gòu)造的存在對(duì)裂隙滲流的影響不同：當(dāng)?shù)刃Я严秾挾容^小(b=0.406 mm)時(shí)，4個(gè)玄武巖試樣的過流流量均大于立方公式計(jì)算流量，說明此時(shí)氣孔構(gòu)造對(duì)裂隙水流通過是有利的；當(dāng)?shù)刃Я严秾挾容^大(b=1.643 mm)時(shí)，4種玄武巖的過流流量均顯著小于立方公式計(jì)算流量，這說明在等效裂隙寬度較大時(shí)，氣孔對(duì)裂隙水流通過是不利的。且在等效裂隙寬度較小(b=0.406 mm)、較大(b=1.643 mm)條件下，氣孔面積占比最大的3#試樣裂隙滲流量較氣孔面積占比最小的1#試樣裂隙(較接近光滑裂隙)滲流量更偏離立方定理公式計(jì)算流量，可見，裂隙面的氣孔對(duì)裂隙滲流的影響確實(shí)存在，而且與滲流條件有關(guān)。

為分析試驗(yàn)滲流流量變化規(guī)律，將試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換形式，采用流體分析常用參數(shù)雷諾數(shù)Re描述水流特征，以揭示這種特殊構(gòu)造裂隙的滲透規(guī)律。在單裂隙滲透試驗(yàn)中，流體雷諾數(shù)Re按下式計(jì)算，即

(3)

式中：A為裂縫開口的橫截面積;Dh為水力直徑(cm)，等于4A/p，p表示裂隙的周長(zhǎng)(cm)，p=2(W+b)。

雷諾數(shù)Re揭示了慣性運(yùn)動(dòng)與黏性運(yùn)動(dòng)之間的比率，根據(jù)有效裂隙寬度計(jì)算獲得。通常，較小的雷諾數(shù)表示層流，其中黏性力起主要作用，而較大的雷諾數(shù)表示湍流慣性力主導(dǎo)的流動(dòng)。

引入裂隙面構(gòu)造影響因子λ，其計(jì)算方法為

(4)

λ實(shí)際上是氣孔構(gòu)造裂隙滲流流量與相同條件下光滑裂隙滲流流量的比值，它是一個(gè)無量綱參數(shù)。根據(jù)單裂隙滲流試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可分別依據(jù)式(3)和式(4)獲得雷諾數(shù)Re和影響因子λ。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算所得的λ與Re的關(guān)系繪制在圖5中，同時(shí)為了便于觀察規(guī)律，圖中還繪制了λ=1和Re=200參考線。

圖5 雷諾數(shù)Re與裂隙面構(gòu)造影響因子λ的變化關(guān)系Fig.5 Variation of Reynolds number (Re) againstinfluence factor (λ) of fracture surface structure

由圖5可見，當(dāng)雷諾數(shù)相對(duì)較小(Re<200)時(shí)，氣孔構(gòu)造裂隙的滲流流量大于光滑裂縫流量；當(dāng)雷諾數(shù)Re>200后，氣孔構(gòu)造裂隙滲流流量比光滑裂縫的裂縫流量小，且隨著雷諾數(shù)Re的增大，裂隙面構(gòu)造影響因子λ減小趨勢(shì)變緩。根據(jù)圖5中數(shù)據(jù)，可得回歸公式：

λ=13Re-0.5。

(5)

式(5)表明在不同的雷諾數(shù)下，氣孔構(gòu)造對(duì)裂隙水流流動(dòng)的影響程度并不同。隨著雷諾數(shù)Re的增大，裂隙面氣孔的存在，對(duì)裂隙水流的影響逐漸由利于水流通過轉(zhuǎn)化為不利于水流通過。根據(jù)式(1)—式(5)，整理可得氣孔構(gòu)造裂隙滲流流量公式為

(6)

式中p為裂隙的周長(zhǎng)。

由于氣孔構(gòu)造裂隙的寬度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度，故裂隙的周長(zhǎng)p近似等于裂隙長(zhǎng)度W的兩倍，對(duì)氣孔構(gòu)造裂隙滲流流量公式簡(jiǎn)化為

(7)

與立方公式表征光滑裂隙的滲透規(guī)律一樣，式(7)也可表征氣孔構(gòu)造裂隙的滲透規(guī)律。

受試驗(yàn)條件所限，試驗(yàn)中最小水頭梯度為0.115，最大水頭梯度為1.45，完成水流雷諾數(shù)Re的范圍6.54～773.11，故試驗(yàn)所得滲透規(guī)律適用范圍受限；另外，氣孔對(duì)裂隙滲流影響機(jī)理尚不清晰，因此對(duì)氣孔構(gòu)造玄武巖裂隙滲流進(jìn)行 CFD 數(shù)值計(jì)算，以期完善氣孔構(gòu)造巖石裂隙滲流規(guī)律的研究。

3 模擬氣孔構(gòu)造滲流模型的建立

3.1 模擬氣孔構(gòu)造裂隙幾何模型

CFD數(shù)值模擬基于Fluent軟件進(jìn)行。玄武巖裂隙面氣孔分布極不規(guī)則，無法對(duì)氣孔進(jìn)行真實(shí)模擬，現(xiàn)場(chǎng)采集回的玄武巖試樣表面氣孔之間未發(fā)現(xiàn)相互連通。因此，假設(shè)模擬氣孔構(gòu)造裂隙滲流模型中同一裂隙面上的氣孔之間無水力聯(lián)系，將裂隙面的氣孔等效為大小相同、分布均勻的柱狀孔洞，依據(jù)表1所列玄武巖裂隙氣孔特征參數(shù)建立模擬氣孔構(gòu)造裂隙幾何模型，如圖6所示。

圖6 模擬氣孔構(gòu)造裂隙幾何模型Fig.6 Geometry model of vesicular structure offracture

圖6顯示的裂隙幾何模型由平板和圓柱體組成，平板為模型裂隙，圓柱體代表裂隙面的氣孔結(jié)構(gòu)，兩者接觸面連通。幾何模型中平板與圓柱體的外表面為邊界面，水流從平板短邊的一端流入，向另一端流出。

3.2 湍流模型

對(duì)于模擬氣孔構(gòu)造裂隙滲流過程中的湍流運(yùn)動(dòng)，引入湍流模型進(jìn)行計(jì)算。Fluent中內(nèi)置多種湍流模型，本文選擇常用的可實(shí)現(xiàn)k-e模型進(jìn)行分析?？蓪?shí)現(xiàn)k-e模型為湍流黏性提供了計(jì)算公式，為耗散率增加了新的傳輸方程，能夠更加準(zhǔn)確地描述平板繞流、對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離等滲流現(xiàn)象，且對(duì)于復(fù)雜的二次流可取得較好的計(jì)算效果，其湍動(dòng)能k及耗散率e輸運(yùn)公式為：

(8)

(9)

其中：

C1=max[0.43,η/(η+5)],

(10)

η=Sk/ε。

(11)

式中：μi為流體運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)；xi、xj均為方向坐標(biāo)；μt為湍流黏滯系數(shù)；Gk表示因平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由浮力影響引起湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；ε為耗散率；YM表示可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散的影響；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)；σk和σε分別表示為湍動(dòng)能及其耗散率湍流普朗特?cái)?shù)，分別取1.0、1.2；S為常數(shù)項(xiàng)；C2、υ為常數(shù)項(xiàng)。

可實(shí)現(xiàn)k-e模型與標(biāo)準(zhǔn)k-e模型的相比，其黏性系數(shù)Cμ不是常數(shù)，通過式(12)計(jì)算得到。

(12)

其中，Sij=(?uj/?xi+?ui/?xj)/2。

Cμ是平均應(yīng)變率與旋度的函數(shù)，在平衡邊界層慣性底層可得到Cμ=0.09，與標(biāo)準(zhǔn)k-e模型中采用的常數(shù)相同。

3.3 模型校核

將建立的模擬氣孔構(gòu)造裂隙幾何模型劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入Fluent軟件中計(jì)算，模型輸入的計(jì)算參數(shù)依據(jù)試驗(yàn)條件確定，水流參數(shù)設(shè)置中，測(cè)得試驗(yàn)過程水溫為12 ℃，水流密度為999.5 kg/m3，黏滯系數(shù)通過計(jì)算可得為1.24810-3Pa·s，水流入口處的壓強(qiáng)通過試驗(yàn)水頭差計(jì)算獲得。數(shù)值計(jì)算后可獲得幾何模型中各位置的流速，圖7給出了b=0.406 mm、J=0.9時(shí)的光滑裂隙和氣孔構(gòu)造裂隙的流場(chǎng)流速云圖(取幾何模型中心截面)，可見兩種裂隙的最大流速、流速分布均有顯著差異。

圖7 光滑裂隙和氣孔構(gòu)造裂隙水流速度云圖Fig.7 Contours of flow velocity in smooth fractureand vesicular structured fracture

為確認(rèn)數(shù)值模擬選取參數(shù)的合理性，首先對(duì)氣孔構(gòu)造裂隙模型(H=15 mm、d=20 mm、w=18.85%)在不同等效裂隙寬度(b=0.406、0.933、1.643 mm)、不同水頭梯度J條件下進(jìn)行模擬計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果的過流流量Q與水頭梯度J關(guān)系和試驗(yàn)結(jié)果一并繪制在圖8中。由圖8可見，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近，說明數(shù)值模擬選用參數(shù)是合理的，可進(jìn)行進(jìn)一步的模擬計(jì)算。

圖8 過流流量與水頭梯度關(guān)系的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of flow rate versus head gradientcurves between numerical simulation andexperimental results

4 滲流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 經(jīng)驗(yàn)公式的適用范圍

限于條件，本文試驗(yàn)僅開展了Re在6.54～773.11范圍內(nèi)的室內(nèi)裂隙滲透試驗(yàn)，對(duì)于更大范圍的雷諾數(shù)Re模擬通過數(shù)值計(jì)算完成。在模擬中，完成了Re=0.002 5～2 000 (不同裂隙寬度、水頭梯度、氣孔構(gòu)造特征) 的計(jì)算，結(jié)果繪制在圖9中。

圖9 擴(kuò)大范圍后的雷諾數(shù)Re與裂隙面構(gòu)造影響因子λ的變化關(guān)系Fig.9 Variation of Reynolds number (Re) againstinfluence factor (λ) with expanded range

由圖9可見，Re>200后，數(shù)值模擬的結(jié)果普遍大于試驗(yàn)結(jié)果，更接近水平線λ=1，說明Re>200后數(shù)值模擬中氣孔的存在對(duì)水流的影響沒有試驗(yàn)室條件下顯著。這是因?yàn)樵囼?yàn)的玄武巖試塊不僅有尺寸較大的氣孔，而且裂隙表面還存在巖石本身的微觀起伏，氣孔代表了巖石的粗構(gòu)造，這是數(shù)值計(jì)算可以模擬的。而巖石的微觀起伏是細(xì)構(gòu)造，數(shù)值模型無法模擬，故Re>200后當(dāng)數(shù)值模擬計(jì)算流量會(huì)系統(tǒng)性地略大于玄武巖室內(nèi)試驗(yàn)流量。

考慮數(shù)值模擬和試驗(yàn)材料的系統(tǒng)差異后，可以發(fā)現(xiàn)，Re-λ關(guān)系在Re=2～2000范圍內(nèi)，數(shù)值模擬結(jié)果展現(xiàn)的滲透規(guī)律與式(5)基本相符，因此室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬取得的規(guī)律近似，說明經(jīng)驗(yàn)公式是有效的，且試驗(yàn)公式的適用范圍可推廣到Re=2～2 000范圍。

4.2 氣孔構(gòu)造對(duì)滲流影響的作用機(jī)理

選取裂隙面氣孔構(gòu)造參數(shù)為H=15 mm、d=20 mm、w=18.85%的裂隙幾何模型在不同雷諾數(shù)、不同裂隙寬度條件下的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，以闡明氣孔構(gòu)造對(duì)裂隙滲流的影響機(jī)理。

雷諾數(shù)、裂隙寬度條件可分為如下4種。

(1)條件1:Re=50、b=0.406 mm。

(2)條件2:Re=600、b=0.406 mm。

(3)條件3:Re=50、b=1.643 mm。

(4)條件4:Re=600、b=1.643 mm。

對(duì)4種氣孔構(gòu)造裂隙滲流模型流場(chǎng)矢量圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10所示。

圖10 氣孔構(gòu)造裂隙水流運(yùn)動(dòng)矢量圖Fig.10 Vectors of flow movement in vesicularstructured fracture

將圖10(a)與圖10(b)對(duì)比、圖10(c)與圖10(d)對(duì)比可知，氣孔構(gòu)造對(duì)裂隙滲流影響的機(jī)理為：當(dāng)水流雷諾數(shù)較低時(shí)，在氣孔中，靠近氣孔邊壁面水流流速相對(duì)裂隙水流流速很小(v孔≈5%v裂隙)，即靠近氣孔邊壁面水流流動(dòng)趨于靜止，這樣，水流與壁面不發(fā)生顯著碰撞、摩擦，減少了水流能量消耗，這部分水實(shí)際起到隔離裂隙運(yùn)動(dòng)水流與裂隙壁面的碰撞、摩擦的作用，因此相比一般裂隙，氣孔構(gòu)造促進(jìn)了裂隙滲流；當(dāng)水流雷諾數(shù)較高時(shí)，氣孔內(nèi)的流速較大(v孔>30%v裂隙)，裂隙面氣孔內(nèi)的水流旋渦明顯，水流產(chǎn)生的擾動(dòng)深入到裂隙水流中，可使裂隙水流產(chǎn)生額外擾動(dòng)，形成更大的能量損失，因此，氣孔構(gòu)造可導(dǎo)致裂隙滲流流量下降。

改變裂隙面氣孔體積(H和d發(fā)生變化)，建立裂隙面氣孔構(gòu)造參數(shù)為H=5 mm、d=5 mm、w=18.85%的裂隙幾何模型，將相同水頭梯度(J=0.9)的兩種裂隙模型進(jìn)行對(duì)比研究(圖11)，取裂隙等效水力寬度b=0.406 mm。

v=0.016 3 m/sv=0.015 5 m/s(a) H=15 mmd=20 mm(b) H=5 mmd=5 mm圖11 不同裂隙面氣孔體積條件下構(gòu)造裂隙水流運(yùn)動(dòng)矢量圖Fig.11 Vectors of flow movement in vesicular struc-tured fracture with different vesicular volumes

由圖11可見，在裂隙等效水力寬度b=0.406 mm時(shí)，兩種裂隙滲流都處于紊流狀態(tài)。在水頭梯度相同(J=0.9)的條件下，裂隙面氣孔較大的構(gòu)造裂隙滲流流速大于裂隙面氣孔較小的構(gòu)造裂隙滲流流速，這印證了3#試樣裂隙滲流量較1#試樣裂隙(較接近光滑裂隙)滲流量更偏離立方定理公式計(jì)算流量的結(jié)論。

5 結(jié) 論

通過選取代表性氣孔構(gòu)造玄武巖試樣進(jìn)行裂隙滲透試驗(yàn)，并建立模擬氣孔構(gòu)造裂隙滲流模型進(jìn)行分析，得出主要結(jié)論如下：

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)刃Я严秾挾容^小時(shí)，氣孔構(gòu)造巖石裂隙的過流流量大于光滑裂隙滲流流量；當(dāng)?shù)刃Я严秾挾容^大時(shí)，氣孔構(gòu)造巖石裂隙的過流流量顯著小于光滑裂隙滲流流量，說明氣孔構(gòu)造的存在對(duì)巖石裂隙滲流有顯著影響。

(2)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析后，回歸得到了氣孔構(gòu)造裂隙的計(jì)算公式。該公式反映的基本規(guī)律經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證，適用于雷諾數(shù)Re∈[2，2 000]。

(3)通過數(shù)值模擬，揭示了氣孔構(gòu)造的影響機(jī)理：當(dāng)雷諾數(shù)較低(Re<200)時(shí)，氣孔中的水流隔離了裂隙水流與裂隙壁面的碰撞、摩擦，因此可減少水流阻力，使得滲流流量增大；雷諾數(shù)較大(Re>200)時(shí)，氣孔中的水流產(chǎn)生的擾動(dòng)深入到裂隙水流中，可使裂隙水流產(chǎn)生額外擾動(dòng)，形成更大的能量損失，導(dǎo)致滲流量下降。