裂隙岩体渗流的影响因素优化

研究发现,岩石裂隙渗流特性受众多因素影响,如裂隙面粗糙度、裂隙开度、应力、温度、化学作用及充填物等,如若计算中忽视这些因素的影响,结果往往与实际相差较大。

1.粗糙度

Lomize等在假设裂隙是由两个光滑且不相交的平行板构成的基础上,推导出了立方定律。基于光滑平行板试样的立方定律已广为岩石力学界所接受。而实际上,裂隙面并不是光滑无接触的,而是起伏不平的,裂隙面的这种起伏程度就是粗糙度。粗糙度一般包含两个概念,即宏观概念和微观概念,当裂隙开度比较大时,此时裂隙面粗糙度由于影响了裂隙的渗流层,因此对裂隙渗流影响不大;当裂隙开度较小时,裂隙面粗糙度对裂隙渗流有重要影响。当前,基于粗糙度评价的方法主要有节理粗糙度系数表征法、裂隙面凸起高度表征法、分数维表征法等,而节理粗糙度系数表征法及分数维表征法相较裂隙面凸起高度表征法应用较广。

1)裂隙面凸起高度表征法

裂隙面凸起高度表征法是指用裂隙面凸起局域函数表达式z(x,y)或其密度函数表达式n(h)来表征裂隙面粗糙度的方法,此方法使用前提是需要得到裂隙面各个凸起值,能否精确测量裂隙面凸起高度成为关键。因此,裂隙面凸起高度表征法对于已知裂隙面或者已知裂隙面凸起高度表达式z(x,y)比较适用,然而工作量比较大;但是,天然裂隙面的凸起高度及密度往往是未知的,因此对于天然实际裂隙面用此法表征难度比较大,尤其人为因素影响较大,精度难以得到保证,实际工程中很少被采用。

2)分数维表征法

分数维表征法是Mandelbrot在1977年根据分形几何理论而提出的,其认为裂隙面粗糙度可以用分数维D表示,对于光滑的裂隙面而言,D=2;若粗糙度极高,则D=3,因此,对于实际天然裂隙面,D=2～3。对于裂隙面剖面而言,用1表示光滑裂隙剖面的分数维,极度粗糙裂隙剖面的分数维用2表示,则一般实际裂隙剖面D=1～2。

分数维表征法经过学者们大量研究,截至目前主要有量轨法和功率谱密度法,但由于量轨法要求测量间距足够小,功率谱密度法中的傅里叶变换需要进行两次,因此这两种方法仍然需要很大的工作量而比较烦琐。Fardin在2008年通过对裂隙面分数维的研究得出:裂隙面分数维D存在尺寸效应,且存在裂隙面临界尺寸,只有大于某一临界尺寸,裂隙分数维D才保持稳定不变。尽管采用分数维D评价裂隙面粗糙程度的方法被大量使用,但是分数维表征法仍有很多缺点。例如,对于同一裂隙,采用不同的分数维定义,分数维表征法值略有差别;而且,空间裂隙面是一个复杂的曲面,分数维表征法的计算需要对裂隙面进行离散,测量裂隙面的离散数据,再根据分数维表征法定义求值。因此,分数维值还与测量方法、测点的间距等测量方面的因素相关。

3)节理粗糙度系数表征法

节理粗糙度系数表征法是Barton1973年根据大量的岩体裂隙面野外调查分析(136个裂隙面的起伏粗糙度)后,提出的用以表征裂隙面粗糙度的方法,即根据裂隙面由光滑到极度粗糙的剖面形态,提出了10个不同的剖面,实际上节理粗糙度系数的变化范围介于0和20之间,最初确定节理粗糙度系数的方法主要有剪切试验法和对比法,剪切试验法在进行渗流实验之前需对试样制作一个复制品,两种试样的一致性很难得到保证;而对比法是用肉眼观察裂隙面剖面曲线与已知的节理粗糙度系数进行对比,从而确定节理粗糙度系数,但这种方法的主观性太强,因此,这两种方法在确定裂隙面节理粗糙度系数的精度上很难得到保证。

为了减小以上两种方法的误差,许多学者基于Barton研究的基础,在确定裂隙面节理粗糙度系数值方法上展开了一系列研究,这其中主要有Barton的直边法、Tse的统计参数法、Turk的直接测量法、王岐的伸长率法,以及杜时贵的修正直边法。

2.裂隙开度

裂隙开度主要是由岩体长期受张拉力影响或剪切位移引起的岩块断裂造成的,其值的大小与裂隙渗流能力有很大的关系,对于光滑平行裂隙,裂隙开度就是两个平板之间的垂直距离,是一常数且适用于立方定律;而实际上,天然裂隙并不是光滑的,它们是粗糙不平、起伏不一的,故裂隙开度也不是常数。基于此,学者们提出了以下用以表征裂隙开度的几种方法。

(1)力学开度bm。在给岩石裂隙施加应力的情况下,应力从零开始,裂隙面发生的最大闭合变形量为最大力学开度bmax,从初始应力开始,裂隙因受压导致闭合,且闭合量为Δb,则力学开度为

(2)平均开度b。裂隙平均开度是由裂隙开度函数表达式推算的裂隙开度平均值,前提是裂隙开度分布函数已知。

(3)等效水力开度bh。等效水力隙宽是为评价裂隙渗流能力而提出,经典的立方定律不适用于粗糙裂隙,因此提出等效水力隙宽,从而将立方定律应用于天然裂隙,再由立方定律反推得到天然裂隙的等效水力开度,等效水力开度的值一般比力学开度小,使用它的前提是裂隙渗流量Q已知。具体公式为

式中:w为平行裂隙间流动区域宽度;υ为流体运动黏度;g为重力加速度;Q为渗流量。

对于光滑且平行的岩石裂隙,以上3种开度相等且为一常数,而对天然裂隙其值往往不等。以上3种开度虽都表征裂隙开度,对于实际裂隙却都无法直接由测量而获得,力学开度bm的前提是首先得到最大力学开度bmax,平均开度b需先将裂隙开度分布函数精确拟合出来,而等效水力开度bh需要知道裂隙渗流量。(www.xing528.com)

3.应力对渗流影响

岩石裂隙长期受到应力作用的影响,应力对岩石裂隙渗透性尺寸效应影响不容忽视。法向应力对岩石裂隙渗透性影响实际上是改变岩石裂隙开度的分布,从而影响岩石裂隙渗透性,因此,法向应力对岩石裂隙渗透性影响与岩石块体的刚度、裂隙开度分布特征有很大的关系。对于裂隙开度分布不均、岩石刚度较低的岩石裂隙,当岩石受到法向应力时,接触区域极易出现弹性形变,甚至接触区域发生损坏,使接触面积增大,直至达到最大法向应力。值得注意的是,当裂隙面的接触区域在法向应力作用下增大时,此时产生一定的岩屑,填充了裂隙区域,也会对岩石裂隙渗透性产生一定的影响。基于此,国内外许多学者对单裂隙和应力渗流展开了研究。

Louis对单裂隙渗流与应力的耦合进行了室内研究,得出的渗透系数公式为

式中:为法向应力为0时的渗透系数;Kf为裂隙渗透系数;σ为法向应力;a为经验系数。

Gale对玄武岩、大理岩及花岗岩的岩石裂隙展开了室内研究,总结出的渗透系数经验公式为

式中:α、β为常数;σ为法向应力;g为重力加速度;υ为流体运动黏度。

刘继山基于孙广忠的指数型σn-ΔVn曲线公式,提出了以下公式,即

式中:An=bm0Kn0,Kn0为初始法向刚度,bm0为裂隙的初始力学开度;α为常数。

4.其他影响因素

岩石裂隙渗透性除受裂隙开度、裂隙面粗糙度和法向应力影响之外,还与岩石各向异性、岩石裂隙所处的环境温度、物理化学的腐蚀溶解作用等因素有关。

1)各向异性

由于裂隙的存在,岩体体现出各向异性的特征,使得岩石裂隙的表面形态具有方向性,从而对裂隙开度的分布、渗流路径与沟槽流的形成产生一定的影响。沟槽的形成为流体流动提供了路径,若某处流通阻力较小,则渗流量比较大。

2)环境温度

由于岩体所处的环境并不是恒温的,因此温度对岩石裂隙渗透性具有一定的影响。温度对岩石裂隙渗透性的影响主要概括为两个方面:一方面,流体温度增加,流体运动黏度减小,则渗流速度明显增加;另一方面,岩石裂隙温度增加,其将会使裂隙开度减小,从而使岩石裂隙渗流量降低。因此,当岩石裂隙所处温度增加时,渗透性增加与否,还要取决于两种因素的影响程度。

3)腐蚀溶解作用

腐蚀溶解作用主要包含物理作用与化学作用,一方面,岩石裂隙本身长期在大自然的作用下发生一系列的风化作用,岩石与流体之间物理作用主要为受流体冲刷作用产生的矿物碎屑的运移与扩散;另一方面,当流体流经岩石裂隙时,流体本身含有的化学元素与岩石裂隙矿物质发生化学作用,其与离子浓度大小、pH值等流体环境变化息息相关。乔丽苹等在2007年用CT扫描检测岩石裂隙后发现:腐蚀溶解作用产生的裂隙面次生开度和宏观裂隙面粗糙度的变化,导致了裂隙接触面及沟槽流性状发生变化。流体对裂隙的冲刷、充填物的排出及对裂隙表面碎屑的排出过程均对裂隙开度及渗流通道产生重要影响。对于裂隙面接触区,流体对其溶解后,裂隙开度进一步减小从而导致渗流量随之减小。而对于非接触区域,腐蚀溶解作用则增加了平均裂隙开度,从而渗流量增加。此外,岩石刚度、岩石与流体的化学成分、所处应力环境在腐蚀溶解过程中也起到重要作用。