單裂隙砂巖滲流破壞特征試驗研究

赫云龍 任富強 趙建強 曹景鵬 李昀航

摘要：在研究砂巖中滲流的特性對裂縫的產生會造成什么樣的影響時，通常會在實驗中利用激光共聚焦顯微鏡對不同種類砂巖的裂縫進行表面觀測。然后通過對巖石添加三個方向的應力，以三個方向列放表面的粗糙度作為參數。進行各種單裂隙巖石滲流破壞特征實驗，例如巖石單裂縫滲流實驗、裂隙的大小與壓力的關系的實驗，應力對巖石表面粗糙度影響的實驗，結合滲透力學的基本概念，我們可以發現在三向應力之下單裂隙巖石滲透的規律，可以建立在一定壓力之下裂隙的大小與滲透系數的聯系，可以發現實驗結果與實際上有一定的吻合性，因此模型是相對而言比較合理的。

關鍵詞：單裂隙砂巖;滲透系數;壓力

引言：砂巖作為一種在人類的發展歷程中與人類生活息息相關的一種天然材料。對其的研究，在礦山的挖掘，水電水利的開發，土木工程的建設，交通的運輸等方面都有著舉足輕重的作用。不同的巖石因為不同的生成環境其內部往往會產生一定的變化，內部往往也會產生各種不同的缺陷，如細小的裂縫，孔洞，斷層等。這些都會影響一塊巖石的力學特性。許多相關的工程往往是因為巖石的缺陷而導致最終的失敗。所以對于研究單裂隙巖石的如何被破壞，和在受到破壞時的變化特征，進行不斷的總結，是防止各種工程災害發生的有效方法。所以單裂縫巖石滲透破壞特征的研究，通常在巖石力學研究的方向中作為熱點。單裂縫巖體受到應力作用和和水滲透力作用時，這兩方面的力場往往會相互影響，相互耦合，最后達到一種動態穩定的狀態，并且應力也與滲透場也在此種情況下不停的進行耦合。所以在他人研究的基礎之上，在許多角度對單裂縫巖石滲透破壞特征進行實驗。可以觀察其在破壞時的演變過程，得出其遭到破壞時的變化。在巖石災害發生前的預警和參考。

1、沙巖表面粗糙度的測量

測量粗糙度的常用儀器有，光切顯微鏡和干涉顯微鏡，粗糙度測量儀，掃描隧道顯微鏡，采用無接觸式激光表面形貌掃描儀。在不損害粗糙度的前提下，對表面的粗糙度進行高度的測量。從表面的凹凸形狀通過激光掃描轉化為光信號，再通過轉換，轉化為電信號。但是掃描所得的數據可能會因為外界的因素干擾，造成數據的誤差。需要在實驗前進行誤差消除。出了路的主要目的是算出單裂隙砂巖無壓強狀態下的平均裂縫寬度。和巖石單裂隙的粗糙度滲流度以及有效壓力進行之后的實驗。實驗數據進行整理算出相應的公式。

2、實驗

2.1單裂縫砂巖實驗材料的制作

為了保證砂巖實驗的普遍性，實驗結果的準確性。因選取不同種類的砂巖進行相同的實驗。對于其他因素，比如砂巖的直徑大小，形狀都要保持相同，確保控制變量。所以我們先用巖石取芯機將砂眼巖打磨成直徑50毫米×100毫米的圓柱形巖塊，然后使用巖石切割機將其切成一片片直徑50毫米×20毫米的圓餅形砂巖塊。為了進行單裂縫砂巖實驗，在圓餅形巖石塊上進行切割，形成深度為兩毫米的凹槽。用巖石壓力機對圓餅形巖塊施加三個方面的壓力，觀察圓形巖塊裂縫的變化。為了減小巖塊自身的缺陷所造成的誤差，每種砂巖都選起一個裂縫面比較好。裂縫的偏差角度較小，顆粒分布均勻且無缺陷的巖石塊。

2.2對砂巖裂縫表面的觀察

為了取得砂巖裂縫表面的相關信息。其對各種單裂隙砂巖樣本的表面進行掃描，以確定初始裂縫的原始信息，對不同的樣本連續掃描10次取平均值來防止數據的不準確。為以后的數據計算提供基本依據。

2.3單裂隙砂巖滲流實驗

因為要讓砂巖圓片上的一部分裂縫，保持其原本寬度。所以，在裂縫兩端疊加保護裝置，材料最好為保鮮膜或者其他塑料。使其他裂縫充分隔水。讓水流從我們所要使用的固定裂縫通過。用保鮮膜的層數來控制裂縫的大小，進而來控制水流的大小。或控制保鮮膜的厚度，是的，對同一種類的砂巖塊進行實驗。然后按照相同步驟，對不同種類的砂巖塊進行實驗。測量并記錄其裂縫寬度的變化，由變化可推實驗結果。而實驗的儀器要包括供水供水系統，穩壓系統，滲流系統，觀測及收集系統，供水系統的作用主要是變頻吸水，系統吸水之后，會將所吸之水儲存在儲水器里面。你用穩壓系統給水流提供一定的壓強。有系統的作用，主要是使水流只從巖塊的裂縫的相同方位流出。觀察系統主要是用于記錄巖塊的裂縫大小。一共實驗25次，記錄25種不同的數據。 選取5種不同的巖塊，控制5種不同裂縫的大小。通過分析這25種數據來獲取滲流對單裂隙砂巖裂縫的影響。

3、實驗結果分析

3.1外表數據分析

與不同種類砂巖表面裂縫的分析，可以發現，如果砂巖的顆粒增大。砂巖裂隙表面粗糙度逐漸增大，單裂隙沙巖的表面會呈現起伏狀。因為沙眼的主要結構為二氧化硅顆粒和一些碳酸鈣成分。所以裂隙破壞時，首先會將碳酸鈣的結合物開始，并形成裂隙延展。砂巖顆粒的直徑越大，裂隙的粗糙度越高。裂縫的形成的寬度和大小也不同。

3.2砂巖裂隙滲流實驗結果分析。

通過對數據進行制表，可以發現不同種類的砂巖，其裂隙滲流流量會發生曲線變化。隨著裂隙寬度的增大。裂隙的滲流流量也會逐漸增大。會讓裂隙增大速度，進一步的提高。可以發現，若裂隙的寬度處于在一定值之內，裂隙砂巖的流量會發生明顯的變化。雖然很多因素都會引起砂巖裂隙滲流流量。但是裂隙的幾何形狀和滲流流體的粘度會作為主要因素影響。當裂隙的大小比較小時，流體性質對于裂隙滲流狀態的影響比較大。不同種類的砂巖的裂隙滲流速度較小，裂隙的寬度處于一定狀態之前，流體對于裂隙寬度的影響會大幅的下降。裂隙的寬度和裂隙表面的粗糙程度，會造成那些流量流速變化的主要影響因素。

4、實驗中的問題

制取單裂隙巖樣式，應該盡量保證裂隙平面平行于試樣的軸面，該盡量保證裂隙面周圍沒有明顯的裂縫，這樣會影響滲流量的讀取。單裂隙砂巖的開口度應該較小，則會造成管流，而不是滲流。單裂隙面應該盡量的保持閉合狀態。保證裂隙內沒有其他的雜物，以至于阻礙水流的流動。大尺度的表面粗糙度實驗，要保證實驗中沒有其他光源的干擾。

5、結束語

對單裂隙巖體滲流問題的研究進行推導，并與實驗相互結合，建立單裂隙滲流的模型。可以發現當砂巖裂隙相同時。裂隙的流量會隨裂隙寬度的增大形成增大的形式，裂隙寬度相同時，電氣的滲流，流量會隨裂隙的增大變小。不同種類的砂巖，相同壓力下裂隙所產生的裂縫是不相同的，在不同的破壞形式。

主要文獻參考：

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