峰后砂岩非Darcy流渗透特性的试验研究

研究高应力状态下，尤其是峰后低围压下岩石的渗透性具有十分重要的现实意义。利用获得专利权的岩石渗透试验装置与MTS815．02岩石力学伺服试验系统相配套，用来测试单轴峰后给定应变状态下岩样的非Darcy流渗透特性。在阐述岩石Darcy流渗透性的测试原理及误差的基础上，介绍了峰后岩石非Darcy流渗透特性的测试原理、试验系统与测试方案，并给出峰后中砂岩非Darcy渗透特性的试验结果。试验数据表明，单轴峰后应力状态下中砂岩的渗透率k与峰前比较有量级增加，峰后k值随轴向应变ε增长呈二次抛物线关系。     

高围压条件下含充填裂隙类岩石水渗流试验研究

 进行高围压、高水压条件下的含充填裂隙类岩石的渗透性试验研究,根据配比试验,制作模拟砂岩的试样,并应用自主研发的三轴试验仪器进行试验研究。研究发现：(1) 不同充填裂隙试样的渗透系数不同,但不同围压下渗透系数均处于同一数量级;(2) 围压升高时,充填裂隙介质的渗透系数呈下降趋势;(3) 渗透结构面几何特征是影响试样渗透性的主要因素之一;(4) 试样渗透性规律应建立在试验的基础上。     

压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

 基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

凝灰岩渗透性演化规律分析研究

以往的试验试样主要为花岗岩、砂岩、煤岩,对凝灰岩的渗透性演化规律研究较少,本文针对某矿区开采区底部基岩凝灰岩进行不同围压和渗压条件下的岩石瞬时三轴力学性质试验,对凝灰岩的渗透演化规律进行了初步探讨,分析了凝灰岩试验样本渗透性在应力应变全过程的演化规律与渗透系数随围压变化规律,为岩石工程的长期稳定性分析提供参考。     

压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

双联动软岩渗流–应力耦合流变仪的研制

 为研究软岩的长期力学特性,研制双联动软岩渗流–应力耦合三轴流变仪。该仪器特别适用于软岩、硬土在不同应力条件下的流变特性。仪器采用先进的伺服控制、滚珠丝杠和液压等技术组合,能自动稳压、自动记录应力–位移曲线、温度历时曲线。设备除了能够实现普通三轴试验机的功能,由于其独特的设计形式,还可以同时对2个试样实现相同轴压、不同围压、相同水压的力学试验;可以进行围压控制、孔隙水压力控制,同时可以测量孔隙水压力等等。使用情况表明,该试验装置结构简单,稳定性好,精度高,是一套功能齐全、使用方便的试验装置。     

利用显微X光CT对围压和孔隙水压条件下岩石试样的细微成像及其分析

 为得到岩石试样在各种围压和孔隙水压条件下的成像并分析其变形,利用显微X光CT系统获得具有5 mm高分辨率的三维图像。为此,设计和制造了一个可以对岩石试样同时加围压和孔隙水压的新型压力容器。用此容器,对高20 mm、直径10 mm的Berea砂岩及Noto硅藻泥岩试样施加静水压并使之变形。在各种围压和孔隙水压条件下,每隔15° 测试其径向尺寸。试样的平均直径随着有效围压的增长而单调减小。在此,有效围压被定义为围压和孔隙水压之差。随着有效围压的增加,其直径的变化根据不同的方向而不同,即其变形的各向异性特征得到了证实。Noto硅藻泥岩试样的各向异性比最大,达8%。实验结果表明,此显微X光CT方法可用来测试在各种围压和孔隙水压条件下一般方法很难测得、小或不规整试样的变形。     

低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪研制及其应用

 详细介绍研制的低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪,该试验系统可以在常温～90 ℃范围、三轴室活塞最大轴向力1 000 kN、围压40 MPa内对直径50和100 mm的标准试样进行轴向和径向渗透试验。解决长时间、高温(＜90 ℃)条件下试样气体渗透密封性、微流量气体体积量测以及长时间试验温度保持均匀、恒定等技术问题,确保复杂条件下低渗透介质渗透性测试。应用研制的三轴仪,对雅砻江锦屏II级电站辅助洞白山组大理岩进行渗透性测试。试验结果表明：研制的三轴仪可以满足温度–应力–渗流耦合试验的要求,试验过程稳定、试验数据精度较高,可用于石油/天然气地下能源储存、低渗透油气田开发、高瓦斯矿井瓦斯抽放、放射性废料地质深埋处置等工程中围岩介质渗透特性研究,可为工程安全和环境评估提供基本参数。     

辽西花岗岩水–岩耦合力学特性试验研究

为了研究水–岩耦合作用对辽西花岗岩力学性质的影响,采用MTS–815岩石力学试验系统,通过对花岗岩试样施加不同的围压和孔隙水压力,对其变形破坏过程进行试验研究,分析水–岩耦合作用下辽西花岗岩的有效峰值强度、扩容现象、残余强度、峰后强度及其参数的演化规律。研究结果表明,有效峰值强度折减系数随孔隙水压力增大近似呈线性增长,但变化斜率随着围压增大而逐渐减小。在围压较小时孔隙水压对有效强度折减系数有明显的影响,在围压较大而孔隙水压较小时,施加应力压缩孔隙喉道抑制了孔隙水压对试样的作用。扩容起点是致密岩体水岩耦合作用增强的特征点,围压使得试样的扩容起点发生滞后,而孔隙水压力使得扩容起点提前发生,扩容现象与水岩耦合作用相互促进。水–岩耦合作用下试样的残余强度为对应状态峰值强度的21%~35%,Hoek-Brown常数随着围压的增大呈非线性增长,其值为3.5~5.0。峰后段试样的似内摩擦角变化不大,似黏聚力随着应变软化参数的增加有逐渐减小的趋势,而相同应变软化参数对应的似黏聚力则随着孔隙水压力的增大而减小,且似黏聚力、孔隙水压和应变软化参数间的关系可用3次样条曲面进行描述。     

基于核磁共振技术的白云岩卸荷损伤与渗透特性试验研究

深部岩体工程往往面临开挖卸荷效应日益增强、节理裂隙愈加发育、强地下水环境等复杂的工程地质问题。为掌握开挖卸荷对岩体力学特性和渗透特性的影响规律,以白云岩为试验对象,开展不同卸荷围压比△σ(100%,90%,60%,30%,0)和不同孔隙压力P(0,5,10MPa)下的三轴卸荷渗透试验,并借助核磁共振技术对试验前后的岩石孔隙度进行测试,以阐述岩石卸荷损伤及渗透特性演变规律。试验结果表明:不同孔隙水压下岩石的卸荷变形规律基本一致,均经历平稳过渡→匀速增长→快速增加→急剧扩张4个阶段,且岩石所能承受的应变极限几乎相等,与之相对应,卸荷过程中岩石渗透率亦具有缓慢渗透→稳定渗透→加速渗透→渗透突增四级演变特征;孔隙水压的存在加速了岩石内部裂隙的产生和扩展,孔隙水压力越大,孔隙度越大,渗透率越大,孔隙度、变形和渗透率具有显著的正相关,但相比孔隙水压,卸荷围压比对岩石变形影响更大,当△σ60%后,岩石中的裂隙数量和贯通程度会发生突增,说明强烈的开挖卸荷可导致岩体宏观破坏面的形成进而使渗透能力急剧增大,这对地下水丰富地段的地下工程施工安全不利。     

高压引水隧洞陡倾角断层岩体高压压水试验研究

结合一抽水蓄能电站高压岔管区高压压水试验,详细介绍了具有陡倾角断层岩体的高压压水试验方法及试验成果。探讨了岩体高压下水力劈裂区扩展的波动理论和渗透破坏特性,明确了岩体与土体渗透破坏形式差异。试验首次对岩体内的渗透压力和变形进行了同步测量,以了解高压条件下岩体的渗透变形特性。在高孔隙压力作用下,岩体的变形发展试验成果表明,岩体应力和稳定性分析过程中孔隙压力的作用不可忽视,因此采用耦合理论对高孔隙压力环境下的工程岩体进行分析有助于降低围岩失效风险。     

砂岩与砂质泥岩渗透性能试验研究

利用柔性壁渗透仪对取自兰州地区的砂岩和砂质泥岩试样进行了渗透性能的试验研究,通过施加不同围压和渗透压,比较砂岩与砂质泥岩两者的渗透性能,并根据试验数据对渗透系数与渗透压进行拟合,同时,利用扫描电镜(SEM)对渗透前后的砂岩和砂质泥岩进行微观分析。试验结果表明:在200 kPa围压时,渗透系数随渗透压增加有增长趋势,在300 kPa、400 kPa围压时,渗透系数随渗透压增加先增大后保持稳定;在同等围压和渗透压下,砂质泥岩的渗透系数要大于砂岩;根据物理力学性质指标,可通过岩石吸水率和孔隙率对渗透系数进行判定。通过观察电镜结果可知,渗透试验前后,两者内部结构变化较大。     

Coupled hydro-mechanical effect of a fractured rock mass under high water pressure

To explore the variation of permeability and deformation behaviors of a fractured rock mass in high water pressure,a high pressure permeability test(HPPT),including measuring sensors of pore water pressure and displacement of the rock mass,was designed according to the hydrogeological condition of Heimifeng pumped storage power station.With the assumption of radial water flow pattern in the rock mass during the HPPT,a theoretical formula was presented to estimate the coefficient of permeability of the rock mass using water pressures in injection and measuring boreholes.The variation in permeability of the rock mass with the injected water pressure was studied according to the suggested formula.By fitting the relationship between the coefficient of permeability and the injected water pressure,a mathematical expression was obtained and used in the numerical simulations.For a better understanding of the relationship between the pore water pressure and the displacement of the rock mass,a 3D numerical method based on a coupled hydro-mechanical theory was employed to simulate the response of the rock mass during the test.By comparison of the calculated and measured data of pore water pressure and displacement,the deformation behaviors of the rock mass were analyzed.It is shown that the variation of displacement in the fractured rock mass is caused by water flow passing through it under high water pressure,and the rock deformation during the test could be calculated by using the coupled hydro-mechanical model.     

峰后大理岩非线性渗流特征及机制研究

 在围岩开挖扰动区中,围岩应力和裂隙水压力将会显著地影响其渗流性质。当水头压力梯度增大时,渗流速率增大,Darcy流转化为非线性渗流。首先,采用研制的温度–应力–渗流耦合的岩石力学试验系统进行不同静水压力下大理岩峰后非线性渗流试验,研究渗流速率随压力梯度的演化规律,将其演化过程分为稳定Darcy流、Darcy流向非线性渗流过渡段和非线性渗流3个阶段进行分析,并采用完全二次多项式描述渗流速率与水头压力梯度的关系。然后,通过试验中记录的变形数据,拟合临界启动压力梯度和裂隙水力开度与试样侧向变形的函数关系式,得到不同静水压力条件下由水头压力引起的裂隙水力开度的变化规律;并深入分析临界启动压力梯度、固有渗透系数和二次项系数演化的内在机制。随着静水压力的升高,试样中裂隙水力开度逐渐减小,引起固有渗透系数逐渐减小,二次项系数和临界启动压力梯度逐渐增大;随着水头压力的增大,裂隙水力开度逐渐增大,引起固有渗透系数增大,临界启动压力梯度和二次项系数减小。     

深部巷道底板岩体渗透性高压压水试验研究

岩体渗透性是反映岩体水力学特征的重要参数,为探究深部岩体的渗透性,采用钻孔高压压水试验手段,对东滩煤矿深部巷道底板四段岩体进行了现场原位压水试验,获得了大量实测数据。试验和数据分析结果表明：岩体在压水过程中经历了“隔水-导渗-稳渗”的过程,随着压水的进行,岩体的渗透性不断增强。东滩煤矿深部底板的厚层泥岩具有低阻弱渗的特点,厚层砂岩和互层具有高阻弱渗的特点,四段岩体原始状态下渗透性均较差。注水压力与流量关系曲线具有很好的指数关系,除厚层砂岩外,厚层泥岩和互层的注水压力-流量关系具有明显的分段性。岩体等效裂隙宽度随着注水压力的增大具有较好的指数关系且具有明显的分段性,即可分为突变点前的稳定阶段和突变点后的突增阶段。可通过裂隙宽度变化量是否大于0来判断岩体内是否发生明显渗流。研究结果有助于加强对深部岩体在水压作用渗透性变化的认识,为深部煤层的安全开采提供重要的参考依据。     

周期性渗透压作用下红砂岩渗透特性试验研究

水库运行期水位的周期性变化使软岩岸坡防洪限制水位以下的岩体长期处在周期性变化渗透压作用的环境中,这种周期性变化的渗透作用对软岩的渗透特性将产生很大的影响。以三峡库区红砂岩为研究对象,利用自主研发的"具有模拟库水位周期性变化环境下水压变化条件的渗透仪"对红砂岩进行周期性渗透试验,探讨防洪限制水位以下的红砂岩在周期性渗透压作用下的渗透特性变化规律。试验结果表明,随着周期性渗透压的变化,红砂岩的渗水量在第一个渗透周期增长最快,而后逐渐减小;随着周期性渗透压的变化,红砂岩的渗透速度和渗透系数也呈周期性变化;不同岩样的累计渗水量、渗透速度和渗透系数的变化存在一定的差异,但经过4个渗透周期之后,红砂岩的累积渗水量、渗透速度和渗透系数随压力的变化范围稳定,且变化趋势一致。研究结果说明,三峡水库岸坡防洪限制水位以下的红砂岩在水库运行期经历4次周期性水位变化之后,渗透特性逐渐趋于稳定。     

岩体渗透特性对边坡稳定性影响分析

绝大多数岩质边坡的破坏均是由于地下水在裂隙中的渗流而引起,岩体的渗透特性对边坡稳定性的影响是不可忽视的。文章介绍了裂隙岩体渗透系数的确定方法及边坡的稳定性分析方法,并基于3D-FLAC模拟分析,探讨了岩体渗透系数对边坡稳定性的影响等问题,研究表明,随着岩体渗透系数的增大,孔隙水压力增大,有效应力减小,边坡的安全系数降低。     

隧道透水性衬砌环渗透系数合理取值与工程措施探讨

应用地下深埋隧道渗流场和考虑渗透体积力的弹塑性解,结合某工程实例分析衬砌与围岩渗透系数不同比值对隧道渗流场、渗漏流量、塑性区、位移和衬砌围岩压力等影响规律,探讨透水性衬砌的可行性和合理渗透系数取值。实例分析表明,当衬砌为不透水材料时,洞周围岩中孔隙水压、塑性区、塑性区边缘的位移和衬砌承受的围岩压力均最大;若稍增加衬砌渗透性,则孔隙水压、塑性区、塑性区边缘的位移和衬砌承受的围岩压力迅速减小;随衬砌渗透系数与围岩渗透系数比值的逐渐增大,趋于稳定值。分析结果进一步表明,采用透水性衬砌是可行的,且当衬砌渗透系数与围岩渗透系数比值等于或大于1.0时较为合理。最后,针对洞周环境要求的渗流量以及钢筋混凝土衬砌的耐久性问题提出衬砌环的设计思想,并探讨具体工程措施,以便工程设计参考。     

不同饱和度砂岩渗透率、孔隙度随应力变化规律研究

 制备含水饱和度为0%～70%的砂岩岩样,利用低渗透岩石气体渗透测试装置,对不同含水饱和度的砂岩岩样进行气渗试验,测量其在不同围压和渗压下的渗透率以及对应围压下的孔隙度,分析和讨论不同含水饱和度低渗透砂岩渗透率、孔隙度与应力三者之间的关系。得到以下结论：含水饱和度低于50%的低渗透砂岩,其气测渗透率随孔隙压力的增大而减小,含水饱和度高于50%的低渗透砂岩,其气测渗透率的变化规律相反;气测渗透率与孔隙压力符合指数函数关系;随着含水饱和度的增大,气测渗透率对孔隙压力变化的敏感性减少,且气测渗透率对孔隙压力变化的敏感性随着孔隙压力的增大而增大;绝对渗透率、孔隙度与围压均呈指数函数关系;随着含水饱和度的增大,绝对渗透率对围压变化的敏感性增大,对孔隙度变化的敏感性减小,且绝对渗透率和孔隙度对围压变化的敏感性均是随着围压增大而减小;低渗透砂岩的孔隙度与其绝对渗透率的变化成正相关,孔隙度的少量降低即能引起其绝对渗透率的大幅度下降;绝对渗透率与孔隙度成指数函数关系;随着含水饱和度增大,绝对渗透率对孔隙度变化的敏感性增强,且随着孔隙度的增大,绝对渗透率对孔隙度变化的敏感性也逐渐增强。