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        岩体渗透性

        2020-04-09 21:02

        在水(或流体)压力作用下,岩体孔隙和裂隙的过水能力。常用渗透系数或渗透张量来表示。渗流对岩体内的应力和岩体稳定性有重要影响。岩体渗流与散粒多孔介质渗流有很大的差别。

        岩体渗透性与裂隙产状、分布密度、裂隙开度、连通度、有无充填物,以及应力状态的变化等有密切关系。由于岩体中裂隙是成组出现的,各组裂隙产状各异,方向明显,故岩体渗透系数是与方向有关的矢量。

        单个光滑裂隙的渗流量与裂隙开度的立方成正比。在层流状态下,光滑单裂隙内平均流速

        在无限平行板条件下有下列线性关系式:

        式中,Kf为裂隙的渗透系数,cm/s;g为重力加速度,cm/s2;b为裂隙开度,cm;υ为水的运动黏滞系数,cm2/s;i为与裂隙平面平行的水力坡降。

        对于天然粗糙裂隙,C. 路易斯将式(2)修正为

        式中,β为裂隙连通率(连通面积与总面积之比);C为裂隙面相对粗糙度修正系数,

        ,K为裂隙面不平整度;Dh为裂隙的水力半径。

        当裂隙岩体中水力坡降大或裂隙开度较大时,其水头损失与流速呈下列非线性关系

        式中,K′f为紊流时裂隙岩体渗透系数;m为非线性指数,在1~2之间变化。

        裂隙岩体的渗透张量

        工程中常将裂隙岩体转化为等效各向异性连续介质,其渗透性用9个(实际只有6个独立分量)渗透系数分量构成的二阶张量来表示,称之为裂隙岩体的渗透张量,并以矩阵[K]表示。

        式中,j为裂隙组的组号;n为裂隙组的总数;α1j、α2j、α3j分别为第j组裂隙面的法向与x、y、z坐标轴间的方向余弦,根据裂隙的产状要素来确定;张开型裂隙

        ,充填裂隙

        ,g为重力加速度,ν为水的运动黏滞系数,bj为第j组裂隙的平均开度,aj为第j组裂隙的平均间距,KTj为第j组裂隙充填物的渗透系数。

        在层流状态下,裂隙岩体渗流速度与水头损失间的关系为

        式中,

        为等效渗透流速;[K]为渗透张量;

        为水力坡降。

        单孔压水试验示意图

        对于大多数裂隙岩体渗流都是在层流区流动,少量大裂隙(几厘米宽)、大梯度情况下,会出现紊流状态。裂隙岩体中的紊流仅改变流量值,对压力分布没有明显的影响。在研究流场压力分布的渗流时,一般都可按层流问题处理。对渗流量也有精度要求时,可先按上述思路计算出渗流场压力分布,再代入紊流状态下的渗透系数计算渗流量。

        岩体渗透系数的野外测定方法

        由于裂隙的开度和裂隙的间距很难测准,有时甚至无法测定。因此,需通过野外原位水力试验方法来确定裂隙岩体的渗透系数。

        单孔压水试验法

        先在待测岩体中钻孔,然后在钻孔中安置止水塞,将试验段与钻孔的其余部分隔开,再用水泵向试验段中压水,迫使水流进入试验段周围岩体中,如图所示。水压达到指定值后,保持5 min或10 min,测出耗水量(Q),求出单位吸水量(ω)。

        式中,Q为压入水量,L/min;H为压水时试验段所受的压力水头,m;L为试验段长度,m。

        最后采用巴布什金公式或把岩体视为均值各向同性介质所导出的公式来计算渗透系数。

        三段压水试验法

        对有三组互相正交的裂隙组的岩体,可用三段压水试验法测定渗透系数。

        当裂隙超过三组或三组裂隙相互斜交时,可根据在控制范围内所做的压水或抽水试验资料,以及地下水位变化的长期观测资料,采用反问题的数值法确定岩体渗透性。

        责编: system