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岩石渗透性

[拼音]:yanshi shentouxing

[外文]:permeability of rocks

流体(通常指地下水和石油)在动力作用下在岩石中的流动称为岩石渗流,岩石被流体渗过的性能称为岩石的渗透性。

岩石渗流对岩石力学性质有重要的影响,它会改变岩石的受力情况,引起岩石变形、破裂、软化、泥化或溶蚀,从而危及岩体的稳定性。因此岩石渗透性是岩石力学的主要研究内容之一。

渗透性基本规律

水在岩石中的渗流是一个很复杂的问题,至今还没完全研究清楚。工程上为了便于探讨,往往把水在岩石中的流动假定为同在其他边界条件下的流动一样,分为层流和非层流,并借用水力学和流体力学的原理和方法进行研究。在层流动动中,水头损失与流速呈线性关系,是1852年法国H.-P.-G.达西用砂土作实验得出的。实验用的砂土具有均匀分布的互相连通的孔隙,即所谓连续多孔介质。通过试验,得出被称为达西渗流定律的下述公式:

v =KJ

或Q =KJA,式中v为渗透流速;K为比例常数,称为渗透系数;J为水力坡降,表示渗透水流沿流向每前进单位距离时的水头损失;Q为渗透流量;A为垂直于渗流方向的截面积。在层流运动中水流平稳,水质点的运动轨迹互相平行。

在非层流运动中,一般假定水头损失与流速呈非线性关系:

v =K┡J1/m,

式中K┡为非层流时的渗透系数;m为非线性指数,通常为1~2。在非层流运动中,水流不平稳,水质点的运动轨迹互相穿插。

地下水在岩石中的渗流大都以层流运动为主。只有当水力坡降很大,岩石中存在大裂隙,大空洞,水流湍急时,才出现非层流。

渗流水不是通过整个断面,而只通过岩石中的贯通的孔隙或裂隙流动,因此流动的实际平均速度大于达西定律所列的。但为方便起见,工程上仍按达西定律计算。

渗透系数

岩石不是连续多孔介质,它的渗透系数也不是常数, 因为受到渗透压力、 岩石中的应力状态、温度、 地下水的物理化学性质的影响。 为了便于计算,通常还是假定为常数。对于不包含裂隙的岩块,进行室内试验所得出的渗透系数见表1。

裂隙岩体的渗透性主要取决于裂隙的特性、分布和组合规律,而不取决于岩块本身。由于岩体中贯通性的裂隙组是各向异性的,所以它们的渗透性也是各向异性的。因此通过实验所得到的渗透系数与用达西渗流定律所得到的K有差别,前者称为当量渗透系数(Ke),即把裂隙岩体当成连续多孔介质时得出的渗透系数。某些岩体的Ke见表2。

对于裂隙岩体的渗透性,从20世纪50年代以来就有多人进行理论研究和室内研究。这些研究大都是在假定岩体内各组裂隙呈规则分布,且其性状(走向、倾向、倾角)及裂隙的间距、 宽度为已知的条件下进行的。实际裂隙岩体的渗透性要复杂得多,裂隙的连通情况、粗糙程度、充填物的性质尤难掌握。要了解岩体裂隙的综合效应,宜在野外进行渗透试验。

渗透试验

岩体的野外渗透试验有多种方法,常用的是压水试验和抽水试验。压水试验是在钻孔中安放止水栓塞,将试验段与其他部分隔开,然后向试段压水,迫使水流进入岩体,试验结果常用单位吸水量ω表示:

式中Q为压入流量(升/分);S为压水时试验段所受的压力水头(米);L为试验段长度(米)。一般认为,如果坝基岩体的ω≥0.01~0.05升/(分·米2),就需要进行防渗处理。

压水试验结果常用吕荣做单位。M.吕荣1933年规定试验所用压力为10千克力/厘米2(1千克力=9.80665牛顿)。一个吕荣单位等于在规定压力下,每米试段岩体所吸收的水量为每分钟一升。 如果岩体的吸水量小于1吕荣,实际上可认为是不透水的,可不进行防渗处理。岩体的渗透系数可通过ω或吕荣单位估算。

抽水试验是从钻孔中抽水,使地下水位在钻孔周围发生不同程度的降落,降落后的水位轨迹有如一个漏斗,称降落漏斗。在钻孔中水位降深S和抽水量Q稳定以后,降落漏斗的轮廓也就大体稳定。如图所示,H为含水层厚度;S为抽水孔水面降深;l为钻孔进水段长度;r为抽水孔半径;r1、r2为观测孔至抽水孔距离;S1、S2为观测孔水面降深。在钻孔周围打观测孔,就可以确定降落漏斗的边界,从而把漏斗的较大半径,即影响半径R确定下来。在Q、S和观测孔水面降深S1、S2和渗透系数之间有一定的函数关系,据此可算出岩体的渗透系数。

影响岩石渗透性的其他因素

地下水的水位、流速、流向、流量、压力以及地下水的物理和化学性质等都对岩石的渗透性有作用;岩体结构、岩体应力、岩体中的微裂隙等因素也对岩石的渗透性有影响。因此,研究岩石的渗透性,应对上述各种因素进行观测、试验和研究。

渗流控制

为了防止由于岩石的渗透性造成地下水渗流所带来的危害(如增加对大坝的浮托力),应采用渗流控制措施。常用的方法是抽水、排水并对岩体进行灌浆处理(即用水泥或其他材料封堵岩体中的裂隙以降低其渗透性,或设置灌浆帷幕以延长渗透途径)。上述方法既可以单独使用,也可结合使用。

参考书目

米勒主编,李世平等译:《岩石力学》,煤炭工业出版社,北京,1981。(L.Müller, ed.,Rock Mechanics),Springer-Verlag,Wien,1974.)

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