高渗压下岩体水力学特性研究进展(=》武娜、刘倩、史绪鑫、郑丽娜)

高渗压下岩体水力学特性研究进展(=》武娜、刘倩、史绪鑫、郑丽娜) 第 11 卷 第 24 期 2011 年 8 月 科 学 技 术 与 工 程 Vol. 11 No. 24 Aug( 20111671—1815( 2011) 24-5879-08 Science Technology and Engineering 2011 Sci. Tech. Engng. 檲檲残 檲檲檲檲檲檲残 檲檲残 综 述 檲檲檲檲檲檲残地球科学 高渗压下岩体水力学特性研究进展 1 2 3 4 张 浩 张德成 杜飞翔 张 昭 ( 昆明理工大学地球科学系1 ，昆明 650093; 昆明理工大学土木工程系2 ，昆明 650224; 云南省交通规划设计研究院3 ， 昆明 650011; 四川省煤田地质局一三五队4 ，泸州 646000)摘 要 工程中涉及高水压条件的情况越来越多，高渗压下岩体水力学特性研究已成为岩土工程中急待解决的前沿性课题。从 5 个方面介绍目前岩体水力学特性研究的最新成果，系统和分析目前最新的研究成果，对研究理论和方法中存在的问题进行深入探讨。认为试验设备和试验仪器的局限性是该领域研究的瓶颈，应该加强试验装置研发和岩体在高渗压下水力学行为机理研究。关键词 高孔隙水压 水力学特性 水-岩相互作用 启动压力梯度 有效应力 渗透试验仪器中图法分类号 P642; 文献标志码 A 天然岩体在漫长的地质作用过程中产生了大 践明，设计工程的经济性和安全性在合理的渗流量的孔隙和裂隙，形成了多尺度空隙系统，流体在 分析和恰当的渗流控制措施下是可控的。 因此，高这些空隙系统中流动对岩体的强度和稳定性有显 渗压下岩体的水力学特性研究是当前重大工程研著影响。由水在空隙系统中流动诱发的地质灾害 究的热点课题之一。在工程领域经常出现，最显著的是大型水电站高坝 随着人类工程活动范围和规模逐渐扩大，人类建设工程、深埋隧道工程、矿山工程，岩石高边坡工 活动改变了区域或局部地下水的补给、径流和排泄程等。法国 Malpasset 大坝失事是由于岩体的渗透 路径，使原始地下水渗流场结构发生变化，进而影力作用引起的 〔1〕 。 深埋长隧道的一个重大工程地 响岩体强度和稳定性。 地下水渗流以渗透压力作质灾害问题就是异常地下水流的“高压突水 ” 煤 。 用于岩体，影响岩体应力场分布，同时岩体应力场矿矿井中底鼓突水是在开采过程中岩体变形引起 使空隙产生形变，又影响岩体的渗流场，这种相互岩体渗透性的改变，使岩体内部或下部岩体内地下 作用称之为渗流-应力耦合 ( Coupling of Seepage and Stress) ，简称流固耦合。 流固耦合的关键问题是在水沿连通的节理裂隙运动，引起岩体物理力学性质 不同工况下流体介质与固体介质之间的力学耦合的变化，而导致矿井突水。 有 90 以上的岩质边坡 〔2〕 基本规律，我国在这方面的研究还处于起步阶段 ，破坏与地下水渗透力作用有关 。 大量的工程实 很多问题有待深入研究。2011 年 4 月 18 日收到 1 主要研究进展第一作者简介: 张 浩( 1985—) ， 汉族， 男， 湖北荆州人，矿产普查 硕 研与勘探 专 业， 士 研 究 生， 究 方 向: 成 矿 预 测。 E-mail: zhang- 1( 1 水岩相互作用hao111520 163( com。 水岩相互作用 ( Water-Rock Interaction，WRI) 在 5880 科 学 技 术 与 工 程 11 卷自然界中广泛存在，是力学和地球科学研究的前沿 究的基础且前沿课题，是其他水力学特性研究根本课题，是岩土体稳定性研究程度最高的领域之一 。 基础，解决好这一领域的复杂问题，将大大提高其 〔3〕Toth 从整个地质科学的角度，将地下水视为基本 他研究领域的研究水平。地质营力之一，认为地下水与环境的相互作用无处 1( 2 低渗透岩启动压力梯度不在，而这种作用可以分为三大类，即化学相互作 由于达西定律表示压力损失完全由黏滞力决用( Chemical Interaction) ( 溶解、水合、水解、氧化、还 定，而流体在低渗透介质( Low Permeability Medium)原、酸性腐蚀、化 成沉底、离子交换、硫酸盐还原、溶 中渗流时的压力损失不完全表现为黏滞阻力 ，因此解固体 和 浓 集 及 弱 透 水 层 水 力 越 流 相 伴 的 超 渗 不服从达西定律，即非达西渗流问题。 非达西渗流透) ，物理相互作用 ( Physical Interaction) ( 润滑作用 有两个研 究 领 域， 高 速 非 达 西 流 和 低 速 非 达 西 即及对空隙水压力的控制 ) 和动力相互作用 ( Kinetic 流，低速非达西渗流 ( Low Velocity Non-Darcy Flow) 〔23〕Interaction) ( 水、液相、非液相物质及热量的传输 ) 。 也称为达西渗流的下限 。由于在渗流开始时，有 〔4〕仵彦卿 将地下水与岩土体的相互作用分为 3 种， 效过水断面在不断变化，而不符合达西线性阻力定即力学作用( 静水压力和动水压力作用 ) 、物理作用 律。低渗透介质中不符合达西定律的流体流动称 〔24〕( 软化、润滑、泥化作用及结合水的强化作用 ) 和化 为低渗透非达西渗流。Hansbo 、Mitchell〔25〕、Mill-学作用( 离子交换、溶解、水化、水解、溶蚀及氧化还 er〔26〕都曾发现低渗透介质的非达西现象，这些现象 〔5〕原) 。徐则民 分别阐述了滑坡灾害孕育激发过程 包括随着水力梯度 Mechani- 的变化渗透率发生明显的变化中的三大水岩相互作用，即水岩力学作用 (( 即流速与水力梯度非线性比例关系 ) 和所谓的“启cal Water-Rock Interaction， 水 MWRI) 、 岩 物 理 作 用 动压力梯度 ( Start- Pressure Gradient) ( 低于启动 up( Physical Water-Rock Interaction，PWRI) ，水岩化学 压力梯度渗流不会发生 ) ” 因此， 。 启动压力梯度的作用( Chemical Water-Rock Interaction， 。 测定方 法 研 究 成 为 低 渗 透 介 质 渗 流 研 究 的 关 键 在CWRI) 上个世纪六十年代就有学者注意到水对岩 问题。体的作用不能仅从基于 Terzaghi 有效应力定律的空 自然界中大体积岩体由于裂隙未发育、未连通隙水压力效应简单地考虑，水对岩体的作用机制还 或极为稀疏等原因，其渗透率很低。 从碎屑岩到结有化学应力腐蚀。 因此，有很多学者陆续开展了水 晶岩，渗透率越来越低，均属于低渗透岩石 ( 渗透系对岩体 ( 岩 石 ) 物 理 力 学 特 性 ( 弹 性 模 量 和 泊 松 数低于 10 ,6 cms , 1 ) 。随着岩体埋藏深度的增加， 〔6—8〕比 、 度〔9—12〕、 擦 变 形 特 性〔13—17〕 和 时 效 变 强 摩 较大地应力致使裂隙不断愈合或堵塞，渗透率越来 〔18， 〕 19形 等) 影响机制的研究，这些研究结果均表明， 越低。高、中渗透率岩石的渗透以及裂隙岩体的渗水对岩体 ( 岩石 ) 物理力学特性影响具有时效 性。 透问题均进行了广泛研究，而低渗透岩体的渗透特 〔20〕 〔27〕周翠英 等给予特殊岩石类-软岩的水岩相互作用 性研究相对较薄弱。 宋付权 针对低渗透岩心稳机制研究重视，加强了软岩与水的化学腐蚀规律和 定时间长，精确测量流量困难等问题，设计了一种力学效应的研究。 关于水岩相互作用的试验研究， 用非稳态渗流测压方式求解岩心的启动压力梯度 ; 〔21〕 〔28〕汤连生 等研究了不同循环流速下，对不同化学性 吕成远 与 流 则 采 用“毛 细 管 平 衡 法 ” “压 差- 量 〔29〕质的水化学溶液作用下的花岗岩、红砂岩和灰岩进 法”相结合的方法进行启动压力梯度测定; 杨琼行了单轴抗压强度试验，取得了对时效性的定量结 在岩心中形成稳定渗流后关闭驱替泵，量测岩心封果，分析了影响岩石化学损失的 5 个主要因素。 周 闭端得压力衰减曲线，通过不稳定渗流的数学模型 〔22〕 〔30〕翠英 等应用静止水浸泡的方法研究不同种类软 求算启动压力梯度; 邓玉珍 通过测定低渗透岩心岩与水作 用 过 程 中 水 溶 液 离 子 浓 度 的 变 化 规 律。 的启动压力梯度，建立了统一的油水两相启动压力水岩相互 作用机理是高渗压下岩体水力学特性研 梯度模型。随着地下水资源、石油资源的大量开发24 期 张 等: 浩， 高渗压下岩体水力学特性研究进展 5881以及水利水电、矿山、深埋隧道等工程建设和废弃 透砂岩油藏压力响应的影响，研究表明有效应力对物处置、环境变化等研究的发展，不能再将低渗透 裂缝型低渗透油藏的渗流能力影响很大 ，有效应力岩石作为不透水体或隔水体这样一个简单问题研 的增加能够大大降低裂缝型油藏渗透率和孔隙度 ，究。低渗透介质所起的作用越来越显著，对地下水 以致使降低储层的储容系数和窜流系数 ，从而影响 〔39〕渗流场的 控 制 作 用 尤 为 突 出， 渗 透 机 理 非 常 复 其 双重介质间窜流压力的动态特征。 曾平 测定了杂，涉及广泛的学科。 在不同条件下低渗透砂岩渗透率的变化规律 ，全面1( 3 有效应力对岩体渗透性的影响 温度、有效应力和含水饱和度对砂岩渗透率的 当岩石发生流固耦合渗流时，在应力场的作用 影响，温度、有效应力和含水饱和度均使岩石孔隙下，岩石裂隙结构面隙宽以及岩体骨架颗粒都会发 率降低，三者耦合对岩石渗透率的影响是复杂的 。生体积变形，进而影响岩石的渗透性能; 而在渗流 低渗透岩石渗流过程中存在明显的流固耦合效应 ，场的作用下，渗流的静水压力和动水压力会使得岩 采用 FDES-641 驱替评价系统对采自长庆油田的砂 〔31〕石裂隙 面 发 生 扩 展， 导 致 岩 石 渗 透 性 能 的 变 也 岩岩样进行试验和分析 ，以研究低渗透岩石渗透 〔31〕化 。在多孔介质中，流体孔隙水压力是流体介质 率与有效应力之间的关系，试验表明岩石渗透率随对固体介质的主要作用方式，有效应力能引起多孔 有效应力的增加而呈现规律性减小。 以上这些研介质移动、变位，使多孔介质在不同的应力状态下 究都表明岩石渗透系数随有效围压升高而降低的有不同的渗透性和孔隙度。 特别是高渗压工况下， 规律，且渗透系数不可恢复性。有效应力对固体介质的作用更为显著和强烈 。 1( 4 岩体在应力-应变全程中的水力学特性 目前已经有很多学者采用不同试验方式研究 岩体的渗透性主要受控于岩体结构面，但对于了有效应力与岩体渗透性之间的相互关系 。 林彦 处于一定应力状态下工程岩体而言，其变形过程中 〔32〕 〔33〕兵 、刘建军 分别采用气测法测量了岩样的绝 的渗透性表现得尤为复杂。 与一般意义上的岩体对渗透率随有效应力的变化关系，分析认为渗透率 结构的控渗效应不同，工程岩体的结构与受力状态随有效应力升高而降低，当有效应力再降低时，渗 和变形程度有显著关联性，因此，岩体的渗透性也 〔34〕透率不能恢复到原始值。 陈祖安 采用氮气为渗 会随岩体的变形而表现出复杂的动态特征 。 岩体透介质，通过试验研究了大庆砂岩渗透率随围压变 工程、水利工程、石油开采、煤层气开发和煤炭开采化的规律，利用试验数据拟合了渗透率与围压关系 等领域的岩体应力场是动态变化的。 所以，如何反 〔35〕曲线。范学平 对某岩心进行了试验，拟合有效应 映岩体水力学特性随应力应变变化的规律对于以力( 近似取围压与孔隙水压力之差 ) 与渗透率之间 上工程领域渗透问题的研究至关重要 。 〔36〕的关系。贺玉龙 采用出口端水压力为零的方式 全应力-应变过程渗透试验是目前研究变形岩进行了不同围压升降过程中，圆柱体砂岩和人造裂 体渗透性应用较多的试验方法，很多学者根据试验隙花岗岩的渗透率试验研究，发现单裂隙花岗岩的 过程岩石的渗透性与应力、应变的关联特征，从不渗透率对有效应力的敏感程度远大于砂岩 ，而砂岩 同角度就变形体的渗透性与应力或应变的关系进 〔40—43〕渗透率 的 恢 复 程 度 则 远 大 于 单 裂 隙 花 岗 岩 。 熊 行了实验研究或模拟分析 。Louis〔44〕 等提出过 〔37〕伟 分别以氮气和煤油为流体介质，对人造及?烊?岩石渗透系数随应力大小变化的经验，Somer-岩心进行渗透试验，研究表明有效应力增大，渗透 ton〔45〕讨论过应力对媒的渗透性影响，Brace〔46〕 系统率随之减小，当有效应力恢复到原始值时，渗透率 总结了这方面已有的试验资料。 他们研究的共同不能完全复原，并提出了渗透率不可逆的有效应力 点是只涉及峰前区应力应变大小对岩体渗透性的临界点。 影 响，认 为 渗 透 系 数 随 应 力 增 加 而 减 小 。 〔38〕 李宜强 数值分析了有效应力对裂缝型低渗 Senseny〔47〕则将研究范围扩大到峰值应力，认为达 5882 科 学 技 术 与 工 程 11 卷到峰值应力时，岩石渗透率只有少许增加的结论 。 生孔隙、裂纹扩展、破坏会使其渗透性发生变化，使 〔48〕耿可勤 根据岩体裂隙渗流试验结果，采用机械隙 岩体水力学特性在不同应力应变状态下有不同表宽( Mechanical Aperture) 的概念并根据节理岩体的 现。在定性评价方面，不同岩体在全应力-应变过程力学本构关系导出含一组或多组节理的岩体的等 中也表现出相似的规律: 在弹性阶段，渗透率.