CN105606510B - 充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法，包括以下步骤：试验材料的准备，准备光滑裂隙岩体和粗糙裂隙岩体各一份；确定光滑裂隙岩体在贯穿光滑无充填裂隙和贯穿光滑充填裂隙两种试验工况下的渗流试验方案，确定粗糙裂隙岩体在贯穿粗糙无充填裂隙和粗糙充填裂隙两种试验工况下的渗流试验方案；对步骤2中的四组试验方案进行实验准备和实施；对步骤3中所得到的四组试验数据进行分析，利用回归分析的方法得到相应的试验系数；根据步骤4得到的分析结果对充填贯通裂隙岩石渗流性能进行检测。能对地下工程渗流规律做全面的研究，对地下工程渗流治理和渗流环境下的支护设计与实施具有指导意义。
Description
技术领域
本发明属于地下工程中安全技术领域，特别涉及充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法。
背景技术
裂隙岩体是我国水利、矿山、隧道、核废料储存等各种工程经常遇到的复杂介质，其渗透特性研究是当前岩体力学研究领域的热点之一。
国内外专家与学者虽然在贯通裂隙渗流方面、低渗透岩石渗流方面的研究中取得了一些进展，但大部分是对光滑无充填裂隙岩体、或者粗糙无充填裂隙渗流特征进行探究，同时研究岩石低渗透、贯通裂隙、充填物、粗糙面方面，现有的文献很少出现，而工程中所遇到的绝大部分渗流裂隙都为粗糙、粗糙充填裂隙，而对研究粗糙有充填裂隙岩石的渗流规律尚还没有形成较成熟的理论。在光滑无充填裂隙渗流规律基础上，直接通过试验，来得出粗糙充填裂隙面的渗流规律比较困难。目前急需寻找一种在光滑无充填裂隙渗流规律的基础上，对含充填物粗糙裂隙岩体渗流规律进行研究和渗流性能进行检测的方法。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法，已知贯穿光滑裂隙面有渗流规律立方定律，通过试验条件逐步逼近的方法，先构造出贯穿光滑有充填物裂隙面的渗流规律公式，再构造出贯穿粗糙无充填裂隙面的渗流规律公式，最后再利用叠加原理将贯穿光滑有充填物裂隙面的渗流规律公式和贯穿粗糙无充填裂隙面的渗流规律公式进行带有待定参数的叠加，最终得出贯穿粗糙有充填裂隙岩体的渗流规律公式。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法，包括以下步骤：
步骤1：试验材料的准备，准备光滑裂隙岩体和粗糙裂隙岩体各一份；
步骤2：确定光滑裂隙岩体在贯穿光滑无充填裂隙和贯穿光滑充填裂隙两种试验工况下的渗流试验方案，确定粗糙裂隙岩体在贯穿粗糙无充填裂隙和粗糙充填裂隙两种试验工况下的渗流试验方案；
步骤3：对步骤2中的四组试验方案进行实验准备和实施；
步骤4：对步骤3中所得到的四组试验数据进行分析，利用回归分析的方法得到相应的试验系数；
步骤5：根据步骤4得到的分析结果对充填贯通裂隙岩石渗流性能进行检测。
所述步骤1中试验材料的准备的具体步骤为：
从地下工程中取待研究原岩岩样，制作偶数个标准试件备用，将标准试件平均分成两份，一份标准试件用岩体裂隙切割仪过标准试件的上下面中心切出贯穿的光滑裂隙，一份标准试件用劈裂装置劈裂出过标准试件的上下面中心的贯穿粗糙裂隙。
所述岩体裂隙切割仪包括钢架，所述钢架的一侧固定可调角度的三脚架，所述钢架的另一侧固定支架，所述三脚架的上平面为倾斜面，所述三脚架上设有固定夹块，固定夹块之间夹有标准试件，标准试件与三脚架之间设置垫片；所述支架上设置升降装置，所述升降装置上安装刀具，刀具位于标准试件的上部。
所述劈裂装置为巴西劈裂试验机；所述劈裂装置的试件模具上支撑标准试件，所述试件模具的两侧部均设置对标准试件位置进行调节的调节紧固件，所述试件模具上部中间位置设有与标准试件轴线相垂直的钢条，钢条的刃口与标准试件相对应。
所述步骤2中试验工况为贯穿光滑无充填裂隙的试验方案为：用水力比降和裂隙开度作为光滑裂隙岩体的渗流影响因素，然后设置不同水平的水力比降和裂隙开度对光滑裂隙岩体的渗流进行试验。
所述步骤2中试验工况为光滑充填裂隙的试验方案为：用水力比降、裂隙开度、充填物级配和渗透水压作为渗流试验因素，然后对各因素设置不同水平进行光滑裂隙岩体的渗流试验。
所述步骤2中试验工况为粗糙无充填裂隙的试验方案为：用水力比降、裂隙开度、隙面粗糙系数JRC和渗透水压作为渗流影响因素，然后对各因素设置不同水平进行光粗糙隙岩体的渗流试验。
所述步骤2中试验工况为粗糙充填裂隙的试验方案为：用水力比降、裂隙开度、充填物级配、隙面粗糙系数JRC和渗透水压作为渗流影响因素，然后对各因素设置不同水平进行光粗糙隙岩体的渗流试验。
所述步骤3的具体步骤为：
步骤3-1：根据充填物的级配配比和不同隙面粗糙系数JRC对劈裂岩石试件进行筛选，并对岩石试件进行打磨制作；
步骤3-2：在渗流试验机上依次进行四组试验方案中的每一次试验，测定每一次试验岩体的渗流系数。
所述步骤4中对试验数据进行分析的具体过程为：
步骤4-1：利用对光滑裂隙岩体进行渗流试验的实验数据对渗流立方定律进行验证；
步骤4-2：对光滑充填裂隙渗流试验进行数据处理，构造渗流系数与光滑充填裂隙渗流试验中各渗流实验因素的关系式，利用回归分析的方法对关系式中的待定试验系数进行最优化拟合；
步骤4-3：对粗糙无充填裂隙渗流试验进行数据处理，构造渗流系数与粗糙无充填裂隙渗流试验中各渗流实验因素的关系式，利用回归分析的方法对关系式中的待定试验系数进行最优化拟合；
步骤4-4：对粗糙充填裂隙渗流试验进行数据处理，构造渗流系数与粗糙充填裂隙渗流试验中各渗流实验因素的关系式，利用回归分析的方法得到关系式中的待定试验系数。
所述步骤4-1的具体过程为：将在同种试验条件下(即水力比降、裂隙开度相同)得出的渗流系数实验数据和渗流立方定律公式得出的渗流系数进行相似度检验，当相似度R值大于设定值时，则渗流立方定律得证；如果相似度R小于设定值，则对立方定律的试验系数进行修正，根据试验数据利用最小二乘法的原理，回归出试验系数。
所述步骤4-2的具体过程为：在渗流立方定律的基础上构造渗流系数与水力比降、裂隙开度、充填物级配、渗透水压的带有待定系数的关系式，利用试验数据，利用回归分析的方法对关系式里的待定系数进行最优化拟合。
所述步骤4-3的具体过程为：在渗流立方定律的基础上构造渗流系数与水力比降、裂隙开度、隙面粗糙系数JRC、渗透水压的带有待定系数的关系式，利用试验数据，利用回归分析的方法对关系式里的待定系数进行最优化拟合。
所述步骤4-4的具体过程为：利用叠加原理，将步骤4-2和步骤4-3中的关系式进行叠加，得出渗流系数与水力比降、裂隙开度、隙面粗糙系数JRC、充填物级配、渗透水压的带有待定系数的关系式，再根据粗糙充填裂隙渗流试验的实验数据，回归出待定系数。
本发明的有益效果为：
本发明进行了贯穿光滑无充填裂隙、贯穿光滑充填、贯穿粗糙无充填、粗糙充填四种试验工况下渗流实验，能够得出各种地下工程岩体渗流试验条件下的渗流规律，具有广泛的代表性，能裂隙渗流规律实现有效的探索。
本发明利用逐步逼近的方法，从已知的贯穿光滑裂隙面有渗流规律立方定律，先构造出贯穿光滑有充填物裂隙面的渗流规律公式，再构造出贯穿粗糙无充填裂隙面的渗流规律公式，最后再利用叠加原理将贯穿光滑有充填物裂隙面的渗流规律公式和贯穿粗糙无充填裂隙面的渗流规律公式进行带有待定参数的叠加，最终得出贯穿粗糙有充填裂隙岩体的渗流规律公式，简化了试验的难度和构造粗糙充填裂隙渗流公式的难度，对其他因素变化比较的实验也具有思路上的指导意义。
附图说明
图1为本发明所用岩体裂隙切割仪示意图；
图2为本发明中的改进的巴西劈裂装置示意图；
图3为岩体裂隙切割仪切割的光滑裂隙岩体试件；
图4为改进的巴西劈裂装置劈裂出的粗糙裂隙岩体试件；
图中，1、刀具，2、试件，3、三脚架，4、钢架，5、垫块，6、固定夹块，7、试件模具，9、调节螺丝，10、钢条。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
本发明的充填贯通裂隙岩石渗流性能检测方法主要通过以下技术方案实现的：
步骤一：从地下工程中取待研究原岩岩样，制作50个以上标准试件备用，标准试件的尺寸为直径50mm、高度100mm圆柱，将标准试件平均分成两份，一份用图1中所示的岩体裂隙切割仪过上下面圆心切出贯穿的光滑裂隙，切割后的光滑裂隙岩体试件如图3所示；一份用图2中所示的改进的巴西劈裂装置，劈裂出过上下面圆心的贯穿粗糙裂隙，劈裂出的粗糙裂隙岩体试件如图4所示。
如图1所示，不同角度岩体裂隙切割仪由钢架4、固定夹块6、可调角度的三角架3、垫块5、刀具1等主要部分组成，其中刀具1位置固定，刀具1的半径大于标准试件2的高度，可调角度的三角架3可以通过改变三角架3的倾角来改变刀具1和标准试件2的相对位置，来切出标准试件2的不同倾角。
如图2所示，劈裂装置为巴西劈裂试验机，改进的巴西劈裂装置在试件模具7上下中间位置设置有钢条10，试件模具7上支撑标准试件2，试件模具7的两侧部均设置对标准试件2位置进行调节的调节螺丝9，钢条10使得劈裂装置能从试件2中间位置劈裂出裂隙。
步骤二：进行贯穿光滑无充填裂隙、贯穿光滑充填、贯穿粗糙无充填、粗糙充填四种试验工况下渗流实验方案设计，设置四个试验方案中的影响因素，根据经验设置一定的水平数，其中贯穿光滑无充填裂隙渗流试验方案设计，是用水力比降、裂隙开度作为光滑裂隙岩体渗流影响因素，设置不同水平的水力比降和裂隙开度，用该试验来验证立方定律；光滑充填裂隙渗流试验方案设计，用水力比降、裂隙开度、充填物级配、渗透水压作为试验因素，根据经验和现有研究成果，对各因素设置一定的水平；粗糙无充填裂隙渗流试验方案设计，用水力比降、裂隙开度、隙面粗糙系数JRC、渗透水压作为影响该工况下渗流系数的因素，根据经验，为各因素设置合理的水平；粗糙充填裂隙渗流试验方案设计，用水力比降、裂隙开度、充填物级配、隙面粗糙系数JRC、渗透水压作为影响因素，根据经验和现有资料，为各因素设置合理的水平。
步骤三：进行四组试验方案的实验准备和实施，其包括充填物的级配配比和不同隙面粗糙系数JRC劈裂岩石试件的筛选和试件打磨制作，在渗流试验机上依次进行四组试验方案中的每一次试验，测定每一次试验的渗流系数，其中渗流试验机是具有渗透装置电液伺服岩石试验机。
步骤四：对四组试验数据进行分析和充填贯通裂隙岩石渗流性能探究，包括四个过程，首先利用光滑裂隙岩体渗流试验的实验数据对立方定律进行验证，其次对光滑充填裂隙渗流试验进行数据处理和渗流规律探索，再次对粗糙无充填裂隙渗流试验进行数据处理和渗流规律探索，最后对粗糙充填裂隙渗流试验进行数据处理和渗流规律探索。
利用光滑裂隙岩体渗流试验的实验数据对立方定律进行验证，其过程为，在同种试验条件(水力比降、裂隙开度)得出的渗流系数实验数据和立方定律公式得出的渗流系数进行相似度检验，当相似度R值大于一定的值时，则立方定律得证，如果相似度R小于一定的值，则提出对立方定律的系数修正，根据试验数据利用最小二乘法的原理，回归出试验系数。
对光滑充填裂隙渗流试验进行数据处理和渗流规律探索，在立方定律的基础上构造渗流系数与水力比降、裂隙开度、充填物级配、水压的带有待定系数的关系式，利用试验数据，用回归分析的方法对公式里的待定系数进行最优化拟合。
对粗糙无充填裂隙渗流试验进行数据处理和渗流规律探索，在立方定律的基础上构造渗流系数与水力比降、裂隙开度、隙面粗糙系数JRC、渗透水压带有待定系数的关系式，利用试验数据，用回归分析的方法对公式里的待定系数进行最优化拟合。
对粗糙充填裂隙渗流试验进行数据处理和渗流规律探索，在二、三两组拟合公式的基础上，利用叠加原理，将二、三组公式对象带有待定系数的叠加，得出渗流系数与水力比降、裂隙开度、隙面粗糙系数JRC、充填物级配、渗透水压带有待定系数的关系式，再根据第四组试验的实验数据，回归出待定系数。
步骤五：根据步骤四得到的关系式对充填贯通裂隙岩石渗流性能进行检测。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1：试验材料的准备，准备光滑裂隙岩体和粗糙裂隙岩体各一份；
步骤2：确定光滑裂隙岩体在贯穿光滑无充填裂隙和贯穿光滑充填裂隙两种试验工况下的渗流试验方案，确定粗糙裂隙岩体在贯穿粗糙无充填裂隙和粗糙充填裂隙两种试验工况下的渗流试验方案；
所述步骤2中试验工况为贯穿光滑无充填裂隙的试验方案为：用水力比降和裂隙开度作为光滑裂隙岩体的渗流影响因素，然后设置不同水平的水力比降和裂隙开度对光滑裂隙岩体的渗流进行试验；试验工况为光滑充填裂隙的试验方案为：用水力比降、裂隙开度、充填物级配和渗透水压作为渗流试验因素，然后对各因素设置不同水平进行光滑裂隙岩体的渗流试验；
所述步骤2中试验工况为粗糙无充填裂隙的试验方案为：用水力比降、裂隙开度、隙面粗糙系数JRC和渗透水压作为渗流影响因素，然后对各因素设置不同水平进行粗糙裂隙岩体的渗流试验；试验工况为粗糙充填裂隙的试验方案为：用水力比降、裂隙开度、充填物级配、隙面粗糙系数JRC和渗透水压作为渗流影响因素，然后对各因素设置不同水平进行粗糙裂隙岩体的渗流试验；
步骤3：对步骤2中的四组试验方案进行实验准备和实施；
所述步骤3的具体步骤为：
步骤3-1：根据充填物的级配配比和不同隙面粗糙系数JRC对劈裂岩石试件进行筛选，并对岩石试件进行打磨制作；
步骤3-2：在渗流试验机上依次进行四组试验方案中的每一次试验，测定每一次试验岩体的渗流系数；
步骤4：对步骤3中所得到的四组试验数据进行分析，利用回归分析的方法得到相应的试验系数；
所述步骤4中对试验数据进行分析的具体过程为：
步骤4-1：利用对光滑裂隙岩体进行渗流试验的实验数据对渗流立方定律进行验证；
步骤4-2：对光滑充填裂隙渗流试验进行数据处理，构造渗流系数与光滑充填裂隙渗流试验中各渗流实验因素的关系式，利用回归分析的方法对关系式中的待定试验系数进行最优化拟合；
步骤4-3：对粗糙无充填裂隙渗流试验进行数据处理，构造渗流系数与粗糙无充填裂隙渗流试验中各渗流实验因素的关系式，利用回归分析的方法对关系式中的待定试验系数进行最优化拟合；
步骤4-4：对粗糙充填裂隙渗流试验进行数据处理，构造渗流系数与粗糙充填裂隙渗流试验中各渗流实验因素的关系式，利用回归分析的方法得到关系式中的待定试验系数；
步骤5：根据步骤4得到的分析结果对充填贯通裂隙岩石渗流性能进行检测。
2.如权利要求1所述的充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法，其特征是，所述步骤1中试验材料的准备的具体步骤为：
从地下工程中取待研究原岩岩样，制作偶数个标准试件备用，将标准试件平均分成两份，一份标准试件用岩体裂隙切割仪过标准试件的上下面中心切出贯穿的光滑裂隙，一份标准试件用巴西劈裂试验机劈裂出过标准试件的上下面中心的贯穿粗糙裂隙。
3.如权利要求2所述的充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法，其特征是，所述岩体裂隙切割仪包括钢架，所述钢架的一侧固定可调角度的三脚架，所述钢架的另一侧固定支架，所述三脚架的上平面为倾斜面，所述三脚架上设有固定夹块，固定夹块之间夹有标准试件，标准试件与三脚架之间设置垫片；所述支架上设置升降装置，所述升降装置上安装刀具，刀具位于标准试件的上部。
4.如权利要求1所述的充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法，其特征是，所述步骤4-1的具体过程为：将在同种试验条件下得出的渗流系数实验数据和渗流立方定律公式得出的渗流系数进行相似度检验，当相似度R值大于设定值时，则渗流立方定律得证；如果相似度R小于设定值，则对立方定律的试验系数进行修正，根据试验数据利用最小二乘法的原理，回归出试验系数。
5.如权利要求1所述的充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法，其特征是，所述步骤4-2的具体过程为：在渗流立方定律的基础上构造渗流系数与水力比降、裂隙开度、充填物级配、渗透水压的带有待定系数的关系式，利用试验数据，利用回归分析的方法对关系式里的待定系数进行最优化拟合。
6.如权利要求1所述的充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法，其特征是，所述步骤4-3的具体过程为：在渗流立方定律的基础上构造渗流系数与水力比降、裂隙开度、隙面粗糙系数JRC、渗透水压的带有待定系数的关系式，利用试验数据，利用回归分析的方法对关系式里的待定系数进行最优化拟合。
7.如权利要求1所述的充填贯通裂隙岩石渗流性能对比试验检测方法，其特征是，所述步骤4-4的具体过程为：利用叠加原理，将步骤4-2和步骤4-3中的关系式进行叠加，得出渗流系数与水力比降、裂隙开度、隙面粗糙系数JRC、充填物级配、渗透水压的带有待定系数的关系式，再根据粗糙充填裂隙渗流试验的实验数据，回归出待定系数。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Qi Inventor after: Li Shucai Inventor after: Gao Song Inventor after: Jiang Bei Inventor after: Zeng Zhaonan Inventor before: Wang Qi Inventor before: Niu Jinping Inventor before: Pan Rui Inventor before: Wang Lei Inventor before: Qin Qian Inventor before: Yu Hengchang Inventor before: Li Yanpei Inventor before: Liang Yanhong Inventor before: Huo Wentao Inventor before: Zhang Chuankui Inventor before: Shi Changsheng Inventor before: Li Shucai Inventor before: Zhang Ruoxiang Inventor before: Wang Dechao Inventor before: Zeng Yanjun Inventor before: Guo Nianbo Inventor before: Wang Baoqi Inventor before: Shao Xing Inventor before: Xu Hongbin Inventor before: Gao Hongke Inventor before: Gao Song Inventor before: Luan Yingcheng Inventor before: Sun Huibin Inventor before: Jiang Bei Inventor before: Wang Fuqi Inventor before: Ren Yaoxi Inventor before: Wang Chunhe |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |