岩石滲透性

流體(通常指地下水和石油)在動力作用下在岩石中的流動稱為岩石滲流,岩石被流體滲過的性能稱為岩石的滲透性。

岩石滲透性

岩石滲流對岩石力學性質有重要的影響,它會改變岩石的受力情況,引起岩石變形、破裂、軟化、泥化或溶蝕,從而危及岩體的穩定性。因此岩石滲透性是岩石力學的主要研究內容之一。
滲透性基本規律 水在岩石中的滲流是一個很複雜的問題,至今還沒完全研究清楚。工程上為了便於探討,往往把水在岩石中的流動假定為同在其他邊界條件下的流動一樣,分為層流和非層流,並借用水力學和流體力學的原理和方法進行研究。在層流動動中,水頭損失與流速呈線性關係,是1852年法國H.-P.-G.達西用砂土作實驗得出的。實驗用的砂土具有均勻分布的互相連通的孔隙,即所謂連續多孔介質。通過試驗,得出被稱為達西滲流定律的下述公式:

v =KJ

或 Q =KJA,式中v為滲透流速;K為比例常數,稱為滲透係數;J水力坡降,表示滲透水流沿流向每前進單位距離時的水頭損失;Q為滲透流量;A為垂直於滲流方向的截面積。在層流運動中水流平穩,水質點的運動軌跡互相平行。
在非層流運動中,一般假定水頭損失與流速呈非線性關係:

v =K┡J1/m,

式中K┡為非層流時的滲透係數;m為非線性指數,通常為1~2。在非層流運動中,水流不平穩,水質點的運動軌跡互相穿插。
地下水在岩石中的滲流大都以層流運動為主。只有當水力坡降很大,岩石中存在大裂隙,大空洞,水流湍急時,才出現非層流。
滲流水不是通過整個斷面,而只通過岩石中的貫通的孔隙或裂隙流動,因此流動的實際平均速度大於達西定律所列的。但為方便起見,工程上仍按達西定律計算。
滲透係數 岩石不是連續多孔介質,它的滲透係數也不是常數, 因為受到滲透壓力、 岩石中的應力狀態、溫度、 地下水的物理化學性質的影響。 為了便於計算,通常還是假定為常數。對於不包含裂隙的岩塊,進行室內試驗所得出的滲透係數見表1。 裂隙岩體的滲透性主要取決於裂隙的特性、分布和組合規律,而不取決於岩塊本身。由於岩體中貫通性的裂隙組是各向異性的,所以它們的滲透性也是各向異性的。因此通過實驗所得到的滲透係數與用達西滲流定律所得到的K有差別,前者稱為當量滲透係數(Ke),即把裂隙岩體當成連續多孔介質時得出的滲透係數。某些岩體的Ke見表2。 對於裂隙岩體的滲透性,從20世紀50年代以來就有多人進行理論研究和室內研究。這些研究大都是在假定岩體內各組裂隙呈規則分布,且其性狀(走向、傾向、傾角)及裂隙的間距、 寬度為已知的條件下進行的。實際裂隙岩體的滲透性要複雜得多,裂隙的連通情況、粗糙程度、充填物的性質尤難掌握。要了解岩體裂隙的綜合效應,宜在野外進行滲透試驗。
滲透試驗 岩體的野外滲透試驗有多種方法,常用的是壓水試驗和抽水試驗。壓水試驗是在鑽孔中安放止水栓塞,將試驗段與其他部分隔開,然後向試段壓水,迫使水流進入岩體,試驗結果常用單位吸水量ω表示:

式中Q為壓入流量(升/分);S為壓水時試驗段所受的壓力水頭(米);L為試驗段長度(米)。一般認為,如果壩基岩體的ω≥0.01~0.05升/(分·米2),就需要進行防滲處理。
壓水試驗結果常用呂榮做單位。M.呂榮1933年規定試驗所用壓力為10千克力/厘米2(1千克力=9.80665牛頓)。一個呂榮單位等於在規定壓力下,每米試段岩體所吸收的水量為每分鐘一升。 如果岩體的吸水量小於1呂榮,實際上可認為是不透水的,可不進行防滲處理。岩體的滲透係數可通過ω或呂榮單位估算。
抽水試驗是從鑽孔中抽水,使地下水位在鑽孔周圍發生不同程度的降落,降落後的水位軌跡有如一個漏斗,稱降落漏斗。在鑽孔中水位降深S和抽水量Q穩定以後,降落漏斗的輪廓也就大體穩定。如圖所示,H為含水層厚度;S為抽水孔水面降深;l為鑽孔進水段長度;r為抽水孔半徑;r1、r2為觀測孔至抽水孔距離;S1、S2為觀測孔水面降深。在鑽孔周圍打觀測孔,就可以確定降落漏斗的邊界,從而把漏斗的最大半徑,即影響半徑R確定下來。在Q、S和觀測孔水面降深S1、S2和滲透係數之間有一定的函式關係,據此可算出岩體的滲透係數。 影響岩石滲透性的其他因素 地下水的水位、流速、流向、流量、壓力以及地下水的物理和化學性質等都對岩石的滲透性有作用;岩體結構、岩體應力、岩體中的微裂隙等因素也對岩石的滲透性有影響。因此,研究岩石的滲透性,應對上述各種因素進行觀測、試驗和研究。
滲流控制 為了防止由於岩石的滲透性造成地下水滲流所帶來的危害(如增加對大壩的浮托力),應採用滲流控制措施。常用的方法是抽水、排水並對岩體進行灌漿處理(即用水泥或其他材料封堵岩體中的裂隙以降低其滲透性,或設定灌漿帷幕以延長滲透途徑)。上述方法既可以單獨使用,也可結合使用。
參考書目
 米勒主編,李世平等譯:《岩石力學》,煤炭工業出版社,北京,1981。(L.Müller, ed.,Rock Mechanics),Springer-Verlag,Wien,1974.)

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