CN105223117A - 多空隙组合地质单元渗透模拟材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水文地质学科领域，涉及一种可模拟天然岩体复杂渗透特性的多空隙组合地质单元渗透模拟材料及其制备方法，是以可单独密铺的、形状规则的各向同性材料块作为基块，对基块进行渗透等效处理如刷浆、钻通孔填砂，块缝填砂后，根据天然岩体发育的优势裂隙方向和/或优势溶孔方向，平铺基块并逐层堆垒，并在上下两层基块之间设置滤层，得到多空隙组合地质单元渗透模拟材料。基块宜采用普通烧结粘土砖，这样得到的组合材料，用管道流模拟溶孔流，用平板窄缝流模拟裂隙流，用孔隙介质模拟储水构造，能够模拟具有各向异性且包含孔隙、裂隙、溶隙等结构构造特征的天然岩体的渗透特性。

Description

多空隙组合地质单元渗透模拟材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及水文地质学科领域，尤其是一种用于模拟岩溶通道、孔隙、裂隙等多空隙地质单元从而研究天然岩体复杂渗流特性的材料。

背景技术

天然岩体漫长地质历史演化过程大多具有断裂、褶皱构造，形成了大量的孔隙、裂隙和溶隙，是地下水渗流的良好通道。除对隧洞等地下工程施工有着极大的涌水、突水、透水等潜在威胁外，也影响隧洞稳定和结构安全，因此，研究具多空隙组合的复杂地质单元的地下水渗流特性具有很大的现实意义。

对岩体地下水渗流及渗透特性的研究方法主要有三种：物理模拟测试、理论分析和利用计算机的数值模拟计算。这三种研究方法目前均是考虑在单因素作用下的。

基于松散砂的大量室内试验提出的著名线性Darcy定律，在学术界和工程界也被广泛用来描述裂隙岩体的裂隙流和岩溶地层的溶孔流，但不能很好地反映裂隙岩体中沿裂隙渗流各向异性特征。一些研究者根据水力学平板窄缝流理论，推求出地下水在裂隙岩体中沿裂隙运动的水流公式，主要考虑裂隙网络通道，而裂隙网络渗透特性因裂隙发育组数、各组裂隙几何特征的差异等常常表现出明显的各向异性。原因在于岩溶地层往往含有大量的、空间分布复杂且具显著随机性的岩溶通道。

研究表明，无论用经典的基于多孔介质理论的Darcy公式，还是用平板窄缝理论为基础的裂隙流公式，均难以客观描述溶孔流运动。基于此，一些研究者用管道流来间接描述岩溶地层的溶孔流，并从静力学平衡理论推求出单管道流渗流公式。然而，用单一的孔隙流(Darcy定律)、裂隙流(开口立方定律)或溶孔流(管道流公式)描述岩体体渗流特性，均没能反映天然地质体复杂空隙组合及其空间递变特征。由此，以理论分析结合计算机的数值模拟计算来完成对复杂地质单元的地下水渗流特性显得十分困难。

然而，若以物理模拟测试方式完成前述的研究，在室内试验中需要大量的岩体材料，现场取回受技术和交通等制约显得不便，因此，如何用一种具有类似渗流特性的、非天然岩体的组合材料来模拟具有孔隙、裂隙和溶隙的复杂地质单元，反映天然地质体复杂空隙组合及其空间递变特征，从而研究其整体渗流特性，则成为当前一个非常有现实意义的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多空隙组合地质单元渗透模拟材料，使其能够模拟具有各向异性且包含裂隙、孔隙、溶隙等结构构造特征的天然岩体的复杂渗透特性。

本发明解决问题的主要思路是：选择材料性质尽可能接近的原料，考虑现实因素与材料特性，经多次试验，选择合适原材料，综合利用刷浆、钻通孔、填充、重叠等渗透等效处理方法，研制出相似性和经济性均较为适宜的多空隙组合材料。初期尝试的原料有：木板、瓷砖、浇筑混凝土板、海绵、空心砖、切割后的小石板、聚苯乙烯材料、地板砖、普通烧结粘土砖等，除普通烧结粘土砖外，其余试验材料均无法最大程度地满足强度、裂隙与天然岩体情况接近、价格低廉、加工方便、配制场地要求小等要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：多空隙组合地质单元渗透模拟材料的制备方法，所述模拟材料用于模拟综合渗透系数为K₀的天然岩体，选择可单独密铺的、形状规则的各向同性材料块作为基块，以其密铺排列平面为参考面，垂直参考面的轴线方向作为基准方向，根据其形状，确定密铺排列垂直通缝线方向的一个方向为第一方向，确定与第一方向、基准方向均垂直的方向为第二方向；对基块进行渗透等效处理，测定基块第一方向的初始渗透系数K₁，若K₁＞K₀则对基块部分表面刷浆处理，用面浆层封闭基块的部分孔隙，使其第一方向刷浆处理后的渗透系数等于K₀，获得刷浆表面积；若K₁＜K₀则对基块进行钻通孔处理，孔内填充第一等效介质，使其第一方向通孔填充处理后的渗透系数等于K₀，获得钻孔密度和第一等效介质填充密度；将两块基块按密铺排列方式相互层叠，它们之间的缝隙填充第二等效介质，使其第二方向的渗透系数K₂也等于K₀，获得间隙值和第二等效介质填充密度；根据天然岩体发育的优势裂隙方向和/或优势溶孔方向，平铺基块并逐层堆垒，堆垒时按前述方式在基块之间填充第二等效介质，并在上下两层基块之间设置滤层，得到多空隙组合地质单元渗透模拟材料。这样得到的组合材料，用管道流模拟溶孔流，用平板窄缝流模拟裂隙流，用孔隙介质模拟储水构造，能够模拟具有各向异性且包含裂隙、孔隙、溶隙等结构构造特征的天然岩体的复杂渗透特性。

优选以普通烧结粘土砖作为基块，第一方向选择为其高度方向，进行刷浆处理时的表面选择砖的底面和/或顶面，钻通孔时选择在单块普通烧结粘土砖上钻四个均布且贯通其底面和顶面的通孔。就渗透性而言，普通烧结粘土砖为各向同性材料，强度、裂隙与天然情况接近、价格低廉、加工方便、配制场地要求小。

所述第一等效介质和第二等效介质分别为具有相适应级配和渗透性参数的砂。砂作为一种渗水介质使用，易于得到，不同粒径颗粒级配易于达到不同的渗透参数，从而方便调配制作出满足渗透性等效于天然岩体条件的多空隙组合地质单元渗透模拟材料。

以上所述经两方向渗透等效处理的材料适合于制作截面模型，如果要制作大的立体模型，最好还对基准方向进行等效处理，即：将两块基块沿基准方向相互层叠，它们之间的缝隙填充第三等效介质，使其基准方向的渗透系数K₃也等于K₀，获得间隙值和第三等效介质填充密度，填充时，根据所得的间隙值和第三等效介质填充密度，沿所述的基准方向排布两层以上的基块。

本发明的多空隙组合地质单元渗透模拟材料，包括根据天然岩体的优势裂隙方向和/或优势溶孔方向依次平铺并逐层堆垒的、经渗透等效处理的基块，所述基块为可单独密铺的、形状规则的各向同性材料块，在上下两层基块之间设置有滤层。

所述的渗透等效处理方式为表面刷浆处理形成面浆层以封闭部分的基块孔隙。此种处理方式在基块的渗透系数偏大时使用，以使之接近天然岩体材料。

所述的渗透等效处理方式为对基块进行钻通孔处理，通孔内填充砂。此种处理方式在基块的渗透系数偏小时使用，以使之接近天然岩体材料，同时以通孔填充方式模拟溶孔，钻孔时就应考虑到铺排时所述通孔的方向，应使之与天然岩体的优势溶孔方向基本一致。

所述的渗透等效处理方式为相邻基块之间设置间隙并在间隙内填充砂。此种处理方式主要用于天然岩体裂隙充填情况的模拟。对普通烧结粘土砖，由于其本身的弱透水性，在垂直于高度方向的方向，无论最初K₂相对于K₀偏大、偏小，均用填砂的方式来处理，通过组合不同级配和不同压实度达到快速方便的目的。

本发明的有益效果是：可以实现在室内建造较大物理模型，更加逼近原位岩体具多空隙组合的复杂渗流特性，有利于地下水渗流方面的基础科学研究和工程实践指导。

附图说明

图1是对基块进行渗透等效处理的过程示意图。

图2是表面刷浆的等效处理方式示意图。

图3是钻通孔加工的等效处理方式示意图。

图4是图3的俯视图。

图5是相邻基块之间设置间隙并在间隙内填充砂的等效处理方式示意图。

图6是渗透试验装置的示意图。

图7是本发明的多空隙组合地质单元渗透模拟材料应用于物理模型试验的堆垒示意图。

图中标记为：1-模拟边界，2-多空隙组合介质，3-出水口，4-出水管，5-烧杯，6-进出水口界面，7-进水管，8-储水容器，9-排气阀，10-水槽，11-进水口，12-溢水管，13-测压管，14-排水口，21-基块，22-第一等效介质，23-间隙保持条，24-滤层，25-通孔，26-面浆层，27-第二等效介质，水头h，夹角α。

具体实施方式

岩体工程中所遇的天然岩体大多构造复杂，具有渗透性。下面以采用普通烧结粘土砖作为基块说明本发明多空隙组合地质单元渗透模拟材料的制备过程。该材料用于模拟综合渗透系数等于K₀的天然岩体。普通烧结粘土砖为长方体，其在三个方向上均可实现单独密铺，钻孔的方向可人为控制，并且可灵活调节平铺方位。

普通烧结粘土砖标准尺寸为长×宽×高＝210mm×115mm×53mm，渗透特性具有各向同性特征，渗透系数的数量级约10^-6cm/s，属弱透水材料。

如图1所示，首先测定普通烧结粘土砖在高度方向的渗透系数K₁，并与天然岩体综合渗透系数K₀进行比较，确定该方向上渗透等效的处理方式，然后通过试验实现该方向渗透等效，即K₁＝K₀；再将两砖层叠，砖与砖之间的间隙填充砂形成一组合构造单元，并试验测定该组合构造单元在垂直于砖的高度方向上的渗透系数K₂，实现与高度方向垂直的方向上渗透等效，即K₂＝K₀。

如图2所示，当岩体的渗透性比10^-6cm/s小时，在砖的表面进行刷浆处理，例如，刷上水泥浆，凝固后形成面浆层26以堵塞部分孔隙，降低基块21的渗透性。

如图3和图4所示，当岩体渗透性大于10^-6cm/s时，在砖体210mm×115mm截面钻直径10mm的通孔25并使其均匀分布，均匀分布的目的是使其大量基块堆垒后形成的多空隙组合地质单元渗透模拟材料各部分具有均匀的渗透特性，通孔25不宜太大，太大则填充介质易漏出且易损毁原材料，太小则钻通孔用的钻头不易买到。在知道用于向通孔25填充的砂的渗透系数时，孔的数量由截面渗透系数等效这一条件计算可得；将已知级配和渗透性的砂按照对应压实性测试的密度相等的原则，可计算出各孔需填充的砂的质量，并照此全部填入孔中。反之，为实现在搭建物理模型的过程中孔与孔的距离在同一个方向上分别相等以保证均匀性，确定钻四个通孔，孔的位置如图3和图4所示。

钻通孔的位置主要考虑在搭建模型的过程中孔与孔的距离在同一个方向上分别相等。

如图3和图4所示，距离可由等式：

$\left\{\begin{array}{c}2x+x+x=115mm\\ 2y+y+y=210mm\end{array}\right.$

计算得到。对于标准尺寸的普通烧结粘土砖，在确定了钻通孔的数量和直径后，可通过计算得到相应的用于向通孔填充的砂的渗透系数和质量。

如图5所示，钻通孔填充后的普通烧结粘土砖用纱网、滤纸、纱网逐层包裹后放入用混凝土浇筑的渗透试验装置中，并用混凝土将边界封死，进行渗透性的测验。这样便使得砖高度方向的渗透能力与天然岩体等效即K₁＝K₀，并由此得知高度方向等效应采用的钻孔密度和第一等效介质填充密度。

如图6所示，平行于砖底面方向(与砖高度方向垂直)的渗透等效处理：采用两块砖层叠，砖与砖之间的间隙填充砂的方式。由此形成的组合构造单元用纱网、滤纸、纱网逐层包裹后放入用混凝土浇筑的渗透试验装置中，并用混凝土将边界封死，进行渗透性的测验。为方便操作，间隙值选择为10mm，边界即是砖的边界。根据该方向的渗透性也要与天然岩体等效即K₂＝K₀，以及垂直该方向截面的几何尺寸，可以计算出需要填充砂的渗透系数，而对应压实性的密度也可以测得，并由此得知高度方向等效应采用的砂及其填充质量。

如图7所示，首先完成对单个砖块的渗透等效处理，即根据实际情况进行刷浆或钻通孔填砂处理，之后，根据天然岩体的优势裂隙方向，使砖的底面与模型底面的夹角α与裂隙倾角一致，平铺并逐层堆垒砖块，堆垒时在相邻砖块之间适当置入间隙保持条23，并在基块之间填充符合要求的第二等效介质27，间隙保持条23的横截面为正方形，其边长为10mm，即间隙值为10mm，并在上下两层砖块之间设置滤层24，滤层24可以用滤纸，或者滤纸与纱布、纱网的复合层状物制作，得到用于模拟渗透系数等于K₀的天然岩体的多空隙组合地质单元渗透模拟材料。

具体用于隧洞、边坡、地基等工程渗透试验及研究时，一般还应在物理模型制作过程中按模型比例置入隧洞、边坡、地基等工程等的模拟装置。

Claims (8)

1.多空隙组合地质单元渗透模拟材料的制备方法，所述模拟材料用于模拟综合渗透系数为K₀的天然岩体，其特征是：

选择可单独密铺的、形状规则的各向同性材料块作为基块，以其密铺排列平面为参考面，垂直参考面的轴线方向作为基准方向，根据其形状，确定密铺排列垂直通缝线方向的一个方向为第一方向，确定与第一方向、基准方向均垂直的方向为第二方向；

对基块进行渗透等效处理，测定基块第一方向的初始渗透系数K₁，若K₁＞K₀则对基块部分表面刷浆处理，用面浆层封闭基块的部分孔隙，使其第一方向刷浆处理后的渗透系数等于K₀，获得刷浆表面积；若K₁＜K₀则对基块进行钻通孔处理，孔内填充第一等效介质，使其第一方向通孔填充处理后的渗透系数等于K₀，获得钻孔密度和第一等效介质填充密度；将两块基块按密铺排列方式相互层叠，它们之间的缝隙填充第二等效介质，使其第二方向的渗透系数K₂也等于K₀，获得间隙值和第二等效介质填充密度；

根据天然岩体发育的优势裂隙方向和/或优势溶孔方向，平铺基块并逐层堆垒，堆垒时按前述方式在基块之间填充第二等效介质，并在上下两层基块之间设置滤层，得到多空隙组合地质单元渗透模拟材料。

2.如权利要求1所述的多空隙组合地质单元渗透模拟材料的制备方法，其特征是：以普通烧结粘土砖作为基块，第一方向选择为其高度方向，进行刷浆处理时的表面选择砖的底面和/或顶面，钻通孔时选择在单块普通烧结粘土砖上钻四个均布且贯通其底面和顶面的通孔。

3.如权利要求1或2所述的多空隙组合地质单元渗透模拟材料的制备方法，其特征是：所述第一等效介质和第二等效介质分别为具有相适应级配和渗透性参数的砂。

4.如权利要求1或2所述的多空隙组合地质单元渗透模拟材料的制备方法，其特征是：将两块基块沿基准方向相互层叠，它们之间的缝隙填充第三等效介质，使其基准方向的渗透系数K₃也等于K₀，获得间隙值和第三等效介质填充密度，根据所得的间隙值和第三等效介质填充密度，沿所述的基准方向排布有两层以上的基块。

5.多空隙组合地质单元渗透模拟材料，其特征是：包括根据天然岩体的裂隙方向和/或优势溶孔方向依次平铺并逐层堆垒的、经渗透等效处理的基块，所述基块为可单独密铺的、形状规则的各向同性材料块，在上下两层基块之间设置有滤层。

6.如权利要求5所述的多空隙组合地质单元渗透模拟材料，其特征是：所述的渗透等效处理方式为表面刷浆处理形成面浆层以封闭部分的基块孔隙。

7.如权利要求5所述的多空隙组合地质单元渗透模拟材料，其特征是：所述的渗透等效处理方式为对基块进行钻通孔处理，通孔内填充砂。

8.如权利要求5所述的多空隙组合地质单元渗透模拟材料，其特征是：所述的渗透等效处理方式为相邻基块之间设置间隙并在间隙内填充砂。