CN105928858B - 大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法；所要解决的技术问题是，针对天然岩体存在多组交叉裂隙，现有原位压水试验难以区分不同性质裂隙导水性差异，无法判识诱发地质灾害与环境污染的控水裂隙组难题。采取的技术方案，包括如下步骤：a、清除表层岩石，暴露新鲜待考察裂隙；b、基于构造地质分析对待考察裂隙分类；c、获取包含有效裂隙的待测岩样；d、岩样预处理；e、岩样装入有机玻璃管并预留间隙；f、侧壁防渗封堵处理；g、形成渗流压力室；h、连接加压供水设备；i、启动加压供水设备；j、改变渗流压力达稳流状态；k、获取步骤a中不同性质待考察裂隙渗流数据；l、测试结果对比分析，判识控水裂隙组。
Description
技术领域
本发明涉及一种大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，是一种用于断裂破碎带和裂隙密集区等关键导水地质体水力特性辨别、评价与定量表征的有效方法。也是不同性质、不同产状裂隙组导水性差异对比研究的可靠手段。测试结果为识别控水裂隙组提供可靠参数，同时也是区域岩体渗流评估的重要依据，通常为学者们最为关心。本发明适用于局部构造应力场作用下不同性质裂隙差异性导水特征研究，尤其适宜断裂破碎带、节理裂隙密集区等关键导水地质体水力特性定量表征。
背景技术
岩体是力学性质十分复杂的非均匀各向异性介质，天然岩体经构造、风化、卸荷等地质作用后常发育尺寸多样、错落交切的裂隙。裂隙的存在为降雨、泄洪雾化雨及地表水提供下渗通道和存储场所，从而引发岩质边坡滑动及地下硐室塌方；地表水入渗到达高放射性废物处置库会沟通核废料与地下水体间水力联系，造成区域地下水环境核污染；地面污染物随下渗水迁移扩散，造成大面积地下水体污染。可见裂隙岩体渗流研究具有重要的理论价值与迫切的工程需求。
天然裂隙因构造应力场和外力作用形式的不同而呈现性质各异、产状不一态势，导水特征差异明显。因而局部构造应力场作用下裂隙组渗流特性分类评价及水力参数定量表征，对岩质边坡稳定性分析、滑坡灾害治理及污染物随地下水迁移预测而言至关重要。然而，现有原位压水试验仅能定性获知一定范围内裂隙总体导水规律与“等效”水力参数，并不具备同类裂隙固有渗流属性定量考察功能，难以有效区分异类裂隙导水性差异，从而无法准确辨识诱发岩质边坡滑动和影响污染物迁移的控水裂隙组，导致防治地质灾害及环境污染的针对性措施无法及时实施。因此，如何定量表征导水地质体水力特性，如何于错落交切的裂隙网络中分类评价裂隙固有渗流属性，如何辨别诱发地质灾害及环境污染的控水裂隙组是摆在科研人员面前亟待攻破的难题。基于构造地质分析选取包含待考察裂隙且不受尺寸效应影响的原状样品，经室内高压渗流测试获取关键地质体水力参数，解析异类裂隙导水性差异，确定诱发地质灾害及环境污染的控水裂隙组，是岩质边坡稳定性分析、滑坡灾害治理及地下水环境评估的必要前提，亦是促使裂隙岩体渗流研究发展的关键环节。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对天然岩体受局部构造应力场作用而发育尺寸多样、错落交切的多组裂隙，现有原位压水试验仅能定性获知裂隙组总体导水规律与“等效”水力参数，难以有效区分不同性质裂隙导水性差异，无法判识诱发地质灾害与环境污染的控水裂隙组难题。
本发明提供一种用于断裂破碎带和裂隙密集区等关键导水地质体水力特性辨别、评价与定量表征的有效方法。即针对关键导水地质体经切槽注胶获取包含目标裂隙的大尺寸不规则原状岩样，通过室内高压渗流测试定量表征地质体水力参数，分类剖析交切裂隙组导水性差异，判识诱发地质灾害及环境污染的控水裂隙组。
本发明采取的技术方案是：一种大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法：包括如下步骤：
a、清除野外出露良好的裂隙密集带表层风化破碎岩石，向待考察区域深部开挖竖向探槽，暴露新鲜待考察裂隙；
b、基于构造地质分析，对步骤a中暴露出的新鲜待考察裂隙按力学性质分类，分为剪切裂隙和张拉裂隙；
c、基于步骤b的分类结果，对步骤a探槽所揭露剪切裂隙和张拉裂隙采用切槽注胶取样法获取分别包含剪切裂隙和张拉裂隙的两类待测岩样；
d、基于步骤c所获两类原状不规则待测岩样，定义岩样的上层面为入渗面、下层面为出渗面，并对两面进行预处理；
e、将步骤d中预处理后的岩样装入内径和高度均略大的圆柱形有机玻璃管，管壁与岩样间形成注胶间隙的同时管端留存缓冲空间；
f、采用固化剂密封法对步骤e中的岩样进行侧壁防渗封堵处理；
g、待步骤f中防渗封堵处理完毕，定制与有机玻璃管配套的上、下盖，经锁紧机构装配后形成渗流压力室；
h、步骤g中渗流压力室一端通过进液管连接加压供水设备，另一端通过出液管连接储水容器；
i、待步骤h中各部件整体连接完毕，启动加压供水设备，水流在预设压力下沿样品内连通裂隙网络持续流动以饱和样品；
j、调节加压供水设备渗流压力值，待水流达稳定状态后记录相应压力、流量数据；进一步改变渗流压力值，获取一组对应不同渗流压力的稳态测试数据；
k、依次对步骤c所获其余岩样重复步骤d-j操作，直至所有样品测试完毕；
l、基于步骤k所获数据开展计算分析，得局部构造应力场作用下不同性质裂隙导水特性定量对比结果。
本发明技术方案中公开的大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，有效地解决了现有原位压水试验针对天然岩体受局部构造应力场作用发育错落交切的多组裂隙时仅能定性获知裂隙组总体导水规律与“等效”水力参数，难以有效区分不同性质裂隙导水性差异，无法判识诱发地质灾害与环境污染的控水裂隙组难题。同时，本发明测试方法中基于构造地质分析原理，对步骤a中暴露出的新鲜待考察裂隙按力学性质分类，分为剪切裂隙和张拉裂隙，然后将分别包含剪切裂隙和张拉裂隙的待考察岩样装配构成渗流压力室，在室内对两类岩样分别开展高压渗流测试，测试数据经计算对比：定量表征待考察地质体水力参数，分类剖析剪切裂隙与张拉裂隙导水性差异，判识诱发地质灾害及环境污染的控水裂隙组；从而有效解决了原位渗流测试遇到不同性质、不同产状的错落交切裂隙时，仅能定性获知裂隙组总体导水规律与“等效”水力参数，难以有效区分不同性质裂隙导水性差异，无法判识诱发地质灾害与环境污染的控水裂隙组难题。
本发明技术方案中公开的大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，步骤e中采用的有机玻璃管为壁厚1.5cm的圆柱型无盖透明筒，其内径可依待测样品等效内径在10-30cm范围内自主选择，高度可依待测样品等效高度在10-40cm范围内自主选择。采用壁厚1.5cm的透明有机玻璃管作渗流压力室承压壁，既满足试验时1Mpa压力上限承载需求，又具备侧壁渗漏直观判别功效，例如试验前的调试阶段将荧光素钠投至入渗流体，基于其荧光示踪效果观察侧壁是否出现荧光水流实现侧壁渗漏直观判断与结果可靠度客观评估目的。进一步，步骤g中形成的“渗流压力室”呈圆柱型，易于配套部件如圆盘型上、下盖加工组装并便于常规环形密封圈精确匹配，有助实现最佳密封效果。“渗流压力室”上、下盖均为不锈钢圆盘，圆盘内侧设置3-5组同心环形卡槽，其中圆盘厚度为2-2.5cm，环形卡槽深度为1-1.5cm，同心环形卡槽1.5cm等宽度辐射分布于圆盘，相邻卡槽间设置宽度为1.5cm的隔墙，可匹配3-5种内径尺寸处于8-30cm范围的有机玻璃管，顺利实现“渗流压力室”内径可调，满足多种内径不规则岩样测试需求。“渗流压力室”锁紧拉杆是直径为1.5cm，两端带内外螺纹的不锈钢杆件，分为基本杆和加长杆两种类型，基本杆和加长杆通过螺纹连接或拆卸实现“渗流压力室”高度可调，满足10-40cm高度范围内的岩样测试需求，其中基本长度为10-15cm，加长杆长度为5-10cm。
本发明技术方案中公开的大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，本渗流测试方法中采用的加压供水设备为现有技术中常规技术产品，其主要运行参数为：采用恒压差控渗流方式，压力控制范围为0-1MPa，控制精度为±1kPa，体积测量范围为0-1500ml，测量精度为±1％FS。本渗流测试方法通过加压供水设备调节渗流压力，待水流达稳定状态后记录相应压力、流量数据；进一步改变渗流压力值重复上述步骤，获取一组对应不同压力值的稳态数据，直至所有样品测试完毕，获取步骤a中岩体待考察部位不同性质裂隙渗流数据；基于上述测试数据开展计算分析，进一步结合各样品所含裂隙数量、张开度等地质统计信息得局部构造应力场作用下不同性质裂隙差异导水性对比结果，判识控水裂隙组以便采取针对性地质灾害防治和环境污染治理措施。
对本发明渗流测试方法的进一步补充，步骤c所述的切槽注胶取样法，包括如下步骤：
步骤1、在地质灾害或环境污染易发区选择出露良好的裂隙密集带，划定考察区域范围并清除浅表层风化破碎岩石；
步骤2、向考察区域深部开挖竖向探槽，暴露错落交切的新鲜待测试目标裂隙，运用构造地质分析将目标裂隙按力学性质分为剪切与张拉两类裂隙；
步骤3、根据室内渗流测试目的及步骤2裂隙分布与交切形式，确定纳入待取岩样的裂隙数量，划定待取岩样形状、尺寸并标记取样轮廓；
步骤4、沿步骤3轮廓边缘自上而下切割竖向沟槽并清除槽内碎石，当四周沟槽连通后待取岩样侧面与母岩脱离，仅剩底面与母岩连接；
步骤5、将尺寸适宜的泡沫薄板制成与步骤4沟槽轮廓相匹配的形状后置于槽内并固定，泡沫薄板与待取岩样间预留注胶间隙；
步骤6、将环氧树脂固化剂逐层注入步骤5的注胶间隙，胶液受重力驱动顺环状封闭空间自由流淌并均匀充填间隙，当前层间隙被充填凝固后重复步骤6直至间隙被胶液填满；
步骤7、借助步骤2探槽临空面的操作之便，沿步骤4竖向沟槽底端向临空面内侧开挖横向沟槽用于切断待取岩样底面与母岩的连接；
步骤8、待步骤4竖向沟槽与步骤7横向沟槽切割贯通后岩样与母岩脱离并在侧面胶体保护下被整体取出，获取包含目标裂隙的不规则原状裂隙岩。
此切槽注胶取样法所用环氧树脂固化剂为828#环氧树脂与300#Y固化剂按体积比1:0.8混合后经二甲苯稀释所得无色全透明胶液。
此切槽注胶取样法采用逐层循环叠加的方式将环氧树脂固化剂注入注胶间隙，每层胶液厚度控制在2-3cm。即前一层厚度为2-3cm的胶液缓慢填充间隙，待其充分散热并均匀凝结后注入下一层胶液，如此循环直至全部预留间隙被胶液封堵填充。此注胶方式旨在确保胶液凝结所产生热量及时充分散失，呈现无色透明且均匀饱满的胶体凝结状态，有效避免因热量短时急聚而造成气泡堆积、结块肿胀等潜在薄弱层出现，便于达最佳封固效果。
此切槽注胶取样法采用环氧树脂固化剂进行注胶间隙封堵，旨在发挥其无死角充填、高强柔性防护功效，即凝结前利用胶液受重力驱动在封闭空间内自高势位向低势位流淌的属性达间隙空间无死角充填效果；凝结后利用固态胶体高强度、柔性缓冲特质保护岩样内裂隙免受扰动以获取客观测试结果。另外侧面胶体于岩样四周形成的柔性保护层具有震荡缓冲作用，利于长距离运输中样品的完好保存。
对切槽注胶取样法的进一步补充，步骤1中考察区域范围为5x5m-10x10m，浅表风化破碎层厚度为10-15cm。
对切槽注胶取样法的进一步补充，步骤2中竖向探槽长度为100-150cm，宽度为50-100cm，深度为40-80cm。
对切槽注胶取样法的进一步补充，步骤3中取样轮廓依目标裂隙分布、交切形式及样品拟纳入目标裂隙数量而定，可为矩形、圆形、椭圆形、马蹄形或其他不规则形状。
对切槽注胶取样法的进一步补充，步骤4中竖向沟槽宽度为2-3cm，深度为10-30cm。
对切槽注胶取样法的进一步补充，步骤5中泡沫薄板是厚度为0.5-1cm具备一定支撑刚度的可塑性泡沫薄板，泡沫薄板与待取岩样间预留注胶间隙宽度为1-1.5cm。
对切槽注胶取样法的进一步补充，步骤6中环氧树脂固化剂为828#环氧树脂与300#Y固化剂按体积比1:0.8混合后经二甲苯稀释所得无色全透明胶液，分层注入时每层胶液厚度控制在2-3cm。
对切槽注胶取样法的进一步补充，步骤7中横向沟槽宽度为1-2cm。
对切槽注胶取样法的进一步补充，步骤8所获岩样为近似长方体的不规则块体，其等效直径为10-30cm、等效高度为10-40cm；步骤8所获含未经扰动目标裂隙的不规则原状裂隙岩样可用于室内高压渗流测试，定量表征导水地质体水力特性，分类评价天然裂隙渗流属性，辨别诱发地质灾害或环境污染的控水裂隙组，为岩质边坡稳定性分析、滑坡灾害治理及地下水环境评估提供客观依据。
对本发明测试方法的进一步补充，步骤f中采用固化剂密封法对步骤e中的岩样进行侧壁防渗封堵处理方法，具体步骤如下：
a、于野外考察区域采用切槽注胶取样法获取包含多组交叉裂隙且满足裂隙岩体渗流特征考察所需的大尺寸、不规则原状岩样，用泡沫气垫等缓冲材料包裹岩样，封装入箱后运至实验室；
b、开箱拆除步骤a岩样外层包裹材料后暴露被固化剂胶体凝结的侧面和未经扰动的上下端面，对暴露面开展预处理操作；
c、按步骤b处理后的岩样尺寸选取内径和高度均略大的圆柱形有机玻璃管，以便置入岩样后管两端留存缓冲空间，侧壁留存注胶间隙；
d、取塑料泡沫薄板裁至中空环状，将裁剪完毕的泡沫薄板紧密套置于步骤b的岩样中部；
e、将步骤d套有泡沫薄板的岩样塞入步骤c所选且直立于试验台的有机玻璃管中部，管壁与岩样间形成注胶间隙的同时管端留存缓冲空间，泡沫薄板将注胶间隙分割为上下两部分；
f、采用分层的方式向步骤e上部间隙内注入调配均匀的环氧树脂固化剂胶液，胶液受重力驱动在环状间隙内自高势位向低势位流淌至液面水平后停止流动，当前层胶液终凝后重复注胶操作直至胶液面齐平于岩样端面时停止注胶；步骤b岩样与步骤c有机玻璃管固结一体，步骤e上部注胶间隙封堵完毕；
g、翻转步骤f中岩样与有机玻璃管固结体使其下端面朝上，暴露步骤e下部注胶间隙以待封堵；为避免不均匀夹层影响侧壁胶体防渗功效，揭除或烧掉步骤d中用于支撑未凝胶液重量的泡沫薄板；
h、重复步骤f中分层注胶流程对步骤e的下部注胶间隙填充封堵，待胶液面齐平于岩样端面时停止注胶，终凝后步骤e下部间隙封堵完毕。
此侧壁防渗封堵处理方法步骤c中采用的有机玻璃管为壁厚1.5cm的圆柱型无盖透明筒，其内径可依待测样品等效内径在10-30cm范围内自主选择，高度可依待测样品等效高度在10-40cm范围内自主选择。采用壁厚1.5cm的透明有机玻璃管作渗流压力室承压壁，既满足试验时1Mpa压力上限承载需求，又具备侧壁渗漏直观判别功效，例如试验前的调试阶段将荧光素钠投至入渗流体，基于其荧光示踪效果观察侧壁是否出现荧光水流实现侧壁渗漏直观判断与结果可靠度客观评估目的。
此侧壁防渗封堵处理方法采用环氧树脂固化剂封堵间隙，旨在发挥其无死角充填、高强柔性防护功效，即凝结前利用胶液受重力驱动在封闭空间内自高势位向低势位流淌的属性达间隙空间无死角充填效果；凝结后利用固态胶体高强度、柔性缓冲特质保护岩样内裂隙免受扰动以获取客观测试结果。本侧壁防渗封堵处理方法所用环氧树脂固化剂为828#环氧树脂与300#Y固化剂按体积比1:0.8混合后经二甲苯稀释所得无色全透明胶液。本侧壁防渗封堵处理方法采用逐层循环叠加的方式将环氧树脂固化剂注入步骤e的注胶间隙，每层胶液厚度控制在1-2cm。即前一层厚度为1-2cm的胶液缓慢填充间隙，待其充分散热均匀凝结后再注入下一层胶液，如此循环直至液面齐平于岩样端面时停止注胶。此注胶方式旨在确保胶液凝结所产生热量及时充分散失，凝结后胶体呈无色透明且均匀饱满状态，有效避免因热量短时急聚而造成气泡堆积、结块肿胀等极易诱发侧壁渗漏的潜在薄弱层出现，利于实现最佳防渗效果。另外，初始胶液层厚度控制在1-2cm可减轻泡沫薄板承载重量，显著降低未凝胶液的渗漏机率。
对侧壁防渗封堵处理方法的进一步补充，步骤a中考察区域范围为5x5-10x10m。
对侧壁防渗封堵处理方法的进一步补充，步骤b中的预处理操作主要包含去棱角、除碎块流程。
对侧壁防渗封堵处理方法的进一步补充，步骤c中有机玻璃管壁厚为1.5cm。
对侧壁防渗封堵处理方法的进一步补充，步骤d中泡沫薄板是厚度为0.25-0.75cm的中空环状薄板，其中外环为贴合管内径且尺寸略大的圆形、内环为贴合岩样轮廓且尺寸略小的不规则形状。
对侧壁防渗封堵处理方法的进一步补充，步骤e中注胶间隙宽度为1-2cm，缓冲空间高度为2-3cm。
对侧壁防渗封堵处理方法的进一步补充，步骤f中环氧树脂固化剂为828#环氧树脂与300#Y固化剂按体积比1:0.8混合后经二甲苯稀释所得无色全透明胶液，分层注入时每层胶液厚度控制在1-2cm。
对本发明测试方法的进一步补充，步骤g中的上、下盖均为不锈钢圆盘，其中圆盘厚度为2-2.5cm，圆盘内侧设置3-5组同心环形卡槽，相邻卡槽间距为1.5cm。环形卡槽深度为1-1.5cm，同心环形卡槽以1.5cm等宽度辐射分布于圆盘，相邻卡槽间设置宽度为1.5cm的隔墙，可匹配3-5种内径尺寸处于8-30cm范围的有机玻璃管，顺利实现“渗流压力室”内径可调，满足多种内径不规则岩样测试需求。
对本发明测试方法的进一步补充，步骤a中的探槽长度为100-150cm，宽度为50-100cm，深度为40-80cm。
对本发明测试方法的进一步补充，步骤e中的间隙为1-2cm。
本发明与现有技术相比：
1、本发明的渗流测试方法具有高效性。针对容易诱发地质灾害与环境污染的断裂破碎带、裂隙密集区等关键地质体，利用探槽揭露地质体内在裂隙的真实数量、分布形式与交切类型，定位取样后直接针对包含目标裂隙的大尺寸样品开展室内测试，避免了常规压水试验利用多个钻孔推测目标裂隙位置、产状、延伸范围的程序，大大节省了花费于重复钻孔的物资消耗。2、本发明的渗流测试方法具有确定性。所取大尺寸原状岩样中包含待考察目标裂隙确定性产状及张开度信息，避免了常规压水试验借助物探仪器推测深部未知裂隙物理参数时引入的估算误差。3、本发明所用切槽注胶取样法灵活自由、目标明确。针对探槽揭露出的确定性裂隙，根据研究目的采用便捷取样工具对岩体切割任意不规则形状沟槽从而获取包含最大数量目标裂隙的多种尺寸原状样品。突破了常规取样仪器对样品形状和尺寸的特定限制，从而使所取样品最大限度满足实验室研究所需。4、本渗流测试方法所配压力室锁紧装置其内径与高度均可大范围调节，满足不同内径与高度样品的测试需求，扩大了待测样品尺寸范围，解决了常规室内测试针对不同尺寸样品必须更换压力室的难题，节省了压力室配套装置加工制作花费的时间和物资。5、本发明的测试方法可节约用水，避免水资源浪费。采用加压供水设备与储水容器相连通的方式进行循环式渗流测试，弥补了野外原位压水试验无法回收测试用水从而造成水资源大量浪费的缺陷。
附图说明
图1是渗流压力室的结构示意图。
图2是室内渗流测试的实验装置布置图。
其中，1、有机玻璃管，2、上盖，3、下盖，4、卡槽，5、锁紧拉杆，6、岩样，7、渗流压力室，8、进液管，9、加压供水设备，10、回液管，11、储水容器。
具体实施方式
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-2和具体实施方式做进一步的描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，包括如下步骤：
a、清除野外出露良好的裂隙密集带表层风化破碎岩石，向待考察区域深部开挖竖向探槽，暴露新鲜待考察裂隙；此步骤中探槽长度为100-150cm，宽度为50-100cm，深度为40-80cm。
b、基于构造地质分析，对步骤a中暴露出的新鲜待考察裂隙按力学性质分类，此步骤中待考察裂隙分为剪切裂隙和张拉裂隙；
c、基于步骤b的分类结果，对步骤a探槽所揭露剪切裂隙和张拉裂隙采用切槽注胶取样法获取分别包含剪切裂隙和张拉裂隙的两类待测岩样；
d、基于步骤c所获两类原状不规则待测岩样，定义岩样的上层面为入渗面、下层面为出渗面，并对两面进行预处理；
e、将步骤d中预处理后的岩样装入内径和高度均略大的圆柱形有机玻璃管，管壁与岩样间形成注胶间隙的同时管端留存缓冲空间；此步骤中注胶间隙宽度为1-2cm，缓冲空间高度为2-3cm；
f、采用固化剂密封法对步骤e中的岩样进行侧壁防渗封堵处理；
g、待步骤f中防渗封堵处理完毕，定制与有机玻璃管1配套的上盖2和下盖3，经锁紧机构5装配后形成渗流压力室；上盖2和下盖3均为圆盘，圆盘的一侧平面上设置3-5组同心环形卡槽4，每相邻两个卡槽4之间的距离为1.5cm；
h、步骤g中渗流压力室一端通过进液管连接加压供水设备，另一端通过出液管连接储水容器；
i、待步骤h中各部件整体连接完毕，启动加压供水设备，水流在预设压力下沿样品内连通裂隙网络持续流动以饱和样品；
j、调节加压供水设备的控制面板设定渗流压力值，待水流达稳定状态后记录相应压力、流量数据；进一步改变渗流压力值，获取一组对应不同渗流压力的稳态测试数据；
k、依次对步骤c所获其余岩样重复步骤d-j操作，直至所有样品测试完毕；
l、基于步骤k所获数据开展计算分析，得局部构造应力场作用下不同性质裂隙导水特性定量对比结果，判识控水裂隙组以便采取针对性地质灾害防治和环境污染治理措施。
上述渗流测试方法步骤c中的切槽注胶取样法，包括如下步骤：
步骤1、在地质灾害或环境污染易发区选择出露良好的裂隙密集带，划定考察区域范围并清除浅表层风化破碎岩石；此步骤中考察区域范围为5x5m-10x10m，浅表风化破碎层厚度为10-15cm。
步骤2、向考察区域深部开挖竖向探槽，暴露错落交切的新鲜待测试目标裂隙，运用构造地质分析将目标裂隙按力学性质分为剪切与张拉两类裂隙；此步骤中竖向探槽长度为100-150cm，宽度为50-100cm，深度为40-80cm。
步骤3、根据室内渗流测试目的及步骤2裂隙分布与交切形式，确定纳入待取岩样的裂隙数量，划定待取岩样形状、尺寸并标记取样轮廓；此步骤中取样轮廓依目标裂隙分布交切形式及样品拟纳入目标裂隙数量而定，可为矩形、圆形、椭圆形、马蹄形或其他不规则形状。
步骤4、沿步骤3轮廓边缘自上而下切割竖向沟槽并清除槽内碎石，当四周沟槽连通后待取岩样侧面与母岩脱离，仅剩底面与母岩连接；此步骤中竖向沟槽宽度为2-3cm，深度为10-30cm。
步骤5、将尺寸适宜的泡沫薄板制成与步骤4沟槽轮廓相匹配的形状后置于槽内并固定，泡沫薄板与待取岩样间预留注胶间隙；此步骤中泡沫薄板是厚度为0.5-1cm具备一定支撑刚度的可塑性泡沫薄板，泡沫薄板与待取岩样间预留的注胶间隙宽度为1-1.5cm。
步骤6、将环氧树脂固化剂逐层注入步骤5的注胶间隙，胶液受重力驱动顺环状封闭空间自由流淌并均匀充填间隙，当前层间隙被充填凝固后重复步骤6直至间隙被胶液填满；此步骤中环氧树脂固化剂为828#环氧树脂与300#Y固化剂按体积比1:0.8混合后经二甲苯稀释所得无色全透明胶液，分层注入时每层胶液厚度控制在2-3cm。
步骤7、借助步骤2探槽临空面的操作之便，沿步骤4竖向沟槽底端向临空面内侧开挖横向沟槽用于切断待取岩样底面与母岩的连接；此步骤中横向沟槽宽度为1-2cm。
步骤8、待步骤4竖向沟槽与步骤7横向沟槽切割贯通后岩样与母岩脱离并在侧面胶体保护下被整体取出，获取包含目标裂隙的不规则原状裂隙岩；此步骤所获岩样为近似长方体的不规则块体，其等效直径为10-30cm、等效高度为10-40cm。此步骤所获含未经扰动目标裂隙的不规则原状裂隙岩样可用于室内高压渗流测试，定量表征导水地质体水力特性，分类评价天然裂隙渗流属性，辨别诱发地质灾害或环境污染的控水裂隙组，为岩质边坡稳定性分析、滑坡灾害治理及地下水环境评估提供客观依据。
上述渗流测试方法步骤f中采用固化剂密封法对步骤e中的岩样进行样品侧壁防渗封堵处理方法，具体步骤如下：
a、于野外考察区域采用切槽注胶取样法获取包含多组交叉裂隙且满足裂隙岩体渗流特征考察所需的大尺寸、不规则原状岩样，用泡沫气垫等缓冲材料包裹岩样，封装入箱后运至实验室。
b、开箱拆除步骤a岩样外层包裹材料后暴露被固化剂胶体凝结的侧面和未经扰动的上下端面，对暴露面开展预处理操作；此步骤中的预处理操作主要包含去棱角、除碎块流程。
c、按步骤b处理后的岩样尺寸选取内径和高度均略大的圆柱形有机玻璃管，以便置入岩样后管两端留存缓冲空间，侧壁留存注胶间隙；此步骤中采用的有机玻璃管为壁厚1.5cm的圆柱型无盖透明筒，其内径可依待测样品等效内径在10-30cm范围内自主选择，高度可依待测样品等效高度在10-40cm范围内自主选择。采用壁厚1.5cm的透明有机玻璃管作渗流压力室承压壁，既满足试验时1Mpa压力上限承载需求，又具备侧壁渗漏直观判别功效，例如试验前的调试阶段将荧光素钠投至入渗流体，基于其荧光示踪效果观察侧壁是否出现荧光水流实现侧壁渗漏直观判断与结果可靠度客观评估目的。
d、取塑料泡沫薄板裁至中空环状，将裁剪完毕的泡沫薄板紧密套置于步骤b的岩样中部；此步骤中泡沫薄板是厚度为0.25-0.75cm的中空环状薄板，其中外环为贴合管内径且尺寸略大的圆形、内环为贴合岩样轮廓且尺寸略小的不规则形状。
e、将步骤d套有泡沫薄板的岩样塞入步骤c所选且直立于试验台的有机玻璃管中部，管壁与岩样间形成注胶间隙的同时管端留存缓冲空间，泡沫薄板将注胶间隙分割为上下两部分；此步骤中注胶间隙宽度为1-2cm，缓冲空间高度为2-3cm。
f、采用分层的方式向步骤e上部间隙内注入调配均匀的环氧树脂固化剂胶液，胶液受重力驱动在环状间隙内自高势位向低势位流淌至液面水平后停止流动，当前层胶液终凝后重复注胶操作直至胶液面齐平于岩样端面时停止注胶。步骤b岩样与步骤c有机玻璃管固结一体，步骤e上部注胶间隙封堵完毕；此步骤中环氧树脂固化剂为828#环氧树脂与300#Y固化剂按体积比1:0.8混合后经二甲苯稀释所得无色全透明胶液，分层注入时每层胶液厚度控制在1-2cm。
g、翻转步骤f中岩样与有机玻璃管固结体使其下端面朝上，暴露步骤e下部注胶间隙以待封堵；为避免不均匀夹层影响侧壁胶体防渗功效，揭除或烧掉步骤d中用于支撑未凝胶液重量的泡沫薄板；此步骤中利用尖嘴夹或火焰喷枪揭除或烧掉用于支撑未凝胶液重量的泡沫薄板。
h、重复步骤f中分层注胶流程对步骤e的下部注胶间隙填充封堵，待胶液面齐平于岩样端面时停止注胶，终凝后步骤e下部间隙封堵完毕。
下面举一个实施例对本发明的方法进行详细描述：
在野外容易诱发地质灾害与环境污染的地质体如岩质边坡或核废物处置库附近的裂隙密集区选择一处500cmx500cm待考察区域，利用铁锹、铁镐、扁铲、便携式切割机等工具清除该区域表层10-15cm厚的风化破碎岩石，继续向岩体深部开挖长度为120cm，宽度为100cm，深度为80cm的方形探槽。岩体深部的张拉裂隙与剪切裂隙暴露出相互交切的迹线于清理区顶面及所挖探槽侧壁，研究者基于构造地质原理对所暴露裂隙进行人工分类标识，经分类得知该探槽左侧200x120cm岩体范围内暴露出24条迹长不等的剪切裂隙和17条迹长不等的张拉裂隙，而右侧200x120cm岩体范围内暴露出21条迹长不等的剪切裂隙和31条迹长不等的张拉裂隙。用石灰粉在所暴露的新鲜岩层顶面标定各拟取岩样的取样边界，其中样品1取样边界近似马蹄形，等效直径为32cm，边界内包含13条剪切裂隙和2条张拉裂隙；样品2取样边界近似椭圆形，等效直径为26cm，边界内包含9条张拉裂隙和1条剪切裂隙。需作说明的是即使样品中混入少量其他性质裂隙，如样品1所示13条剪切裂隙中混入2条张拉裂隙，因测试过程中张拉裂隙对整体渗流贡献较主导性剪切裂隙微不足道，故其影响忽略不计。利用便携式切割机、扁铲等工具沿样品1、2标定的取样边界向下开挖宽度均为2cm、深度分别为36cm和28cm的沟槽，将厚度为1cm的塑料泡沫薄板加工成沟槽轮廓形状放置于槽内并使之紧密接触槽底，岩样与塑料泡沫薄板间留存宽度为1cm的注胶间隙，固定泡沫隔板并封堵周边可能导致胶液溢流的缝隙，将按比例调配均匀的环氧树脂固化剂分层注入注胶间隙，每层胶液厚度控制在2cm直至注胶间隙被均匀充填。待胶液终凝后从探槽侧壁沿隔板底部位置向内开挖水平向沟槽，切断岩样与岩体的连接后取出样品1、2。
为使所取岩样在长距离运输途中不受损伤和扰动，以缓冲泡沫气垫层包裹样品顶、底面方式装箱运输，样品1、2在侧面胶体及顶、底面气垫层共同保护下运回实验室。室内测试前拆除顶、底面气垫层及侧面泡沫隔板，遗留约1cm厚的固结胶体于岩样侧面，需作说明的是因发明人定义所取岩样上层面即顶面为入渗面，下层面即底面为出渗面，试验时水流由顶面流入后在侧壁防渗密封约束下经连通裂隙从底面流出，故此时侧面遗留的固结胶体对测试结果无影响。进一步对样品顶、底面进行去棱角、除碎块预处理，处理完毕将其分别放入内径36cm、高度40cm和内径30cm、高度32cm的有机玻璃管内，样品与侧壁间预留2cm注胶间隙，注胶间隙内插入依样品外形裁剪而得中空环状泡沫薄板，泡沫薄板厚度均为0.5cm。采用分层注入法将按体积比为1：0.8调配均匀的环氧树脂固化剂注入注胶间隙实现侧壁防渗封堵处理，待胶液终凝后将样品1、2连同与其固结的有机玻璃管一并装入相匹配的锁紧机构形成渗流压力室1、2。
如图2所示，将渗流压力室7的入渗端通过进液管8连接加压供水设备9，出渗端通过出液管10连接储水容器11，加压供水设备9通过导管连接储水容器后实现水流循环利用。待各部件连接完毕，启动加压供水设备，水流在预设压力下沿岩样内连通裂隙网络持续渗流并饱和样品，调节加压供水设备的控制面板设定渗流压力值，达稳流状态后记录压力、流量等数据，进一步改变渗流压力值，获取一组对应不同渗流压力的稳态测试数据。对渗流压力室2重复上述连接设备、启动设备、改变压力值、记录稳态数据等操作最终分别获取样品1、2多组高压稳态渗流测试数据。对所获数据展开计算分析，得到剪切与张拉两种性质裂隙的定量导水特征结果，经对比判识可得局部构造应力场作用下的控水裂隙组，有助于地质灾害防治和环境污染治理措施的有效针对实施。
对比例
为突显本发明独具的不同性质裂隙对比考察功能，现针对野外同一区域同期构造应力场作用下形成的剪切和张拉两类裂隙，采用同种取样方法获取同一规格原状样品，经同等试验条件后得水力参数测试结果如下，以示对比：
表1 某岩质边坡周围区域原状裂隙岩室内渗流测试结果
由上表测试结果知，相同试验条件下包含剪切裂隙的原状样品渗透系数处于10- 7m*s-1量级，而包含张拉裂隙的原状样品平均渗透系数为10-6m*s-1左右，相比之下张拉裂隙的渗透系数较剪切裂隙约高一个数量级，经判断知张拉裂隙为该构造应力场作用下此区域的控水裂隙组。试验数据有力地证明了本发明测试方法可定量表征导水地质体水力特性，并可有效对比区分裂隙网络中不同性质裂隙固有渗流属性，进而客观辨识诱发地质灾害及环境污染的控水裂隙组。由此说明本发明针对错落交切裂隙网络时独具分类评价裂隙固有渗流属性的切实功效。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、清除野外出露良好的裂隙密集带表层风化破碎岩石，向待考察区域深部开挖竖向探槽，暴露新鲜待考察裂隙；
b、基于构造地质分析，对步骤a中暴露出的新鲜待考察裂隙按力学性质分类，分为剪切裂隙和张拉裂隙；
c、基于步骤b的分类结果，对步骤a探槽所揭露剪切裂隙和张拉裂隙采用切槽注胶取样法获取分别包含剪切裂隙和张拉裂隙的两类待测岩样；
d、基于步骤c所获两类原状不规则待测岩样，定义岩样的上层面为入渗面、下层面为出渗面，并对两面进行预处理；
e、将步骤d中预处理后的岩样装入内径和高度均略大的圆柱形有机玻璃管，管壁与岩样间形成注胶间隙的同时管端留存缓冲空间；
f、采用固化剂密封法对步骤e中的岩样进行侧壁防渗封堵处理；
g、待步骤f中防渗封堵处理完毕，定制与有机玻璃管配套的上、下盖，经锁紧机构装配后形成渗流压力室；
h、步骤g中渗流压力室一端通过进液管连接加压供水设备，另一端通过出液管连接储水容器；
i、待步骤h中各部件整体连接完毕，启动加压供水设备，水流在预设压力下沿样品内连通裂隙网络持续流动以饱和样品；
j、调节加压供水设备渗流压力值，待水流达稳定状态后记录相应压力、流量数据；进一步改变渗流压力值，获取一组对应不同渗流压力的稳态测试数据；
k、依次对步骤c所获其余岩样重复步骤d-j操作，直至所有样品测试完毕；
l、基于步骤k所获数据开展计算分析，得局部构造应力场作用下不同性质裂隙导水特性定量对比结果；
所述步骤c中所述的切槽注胶取样法，包括如下步骤：
步骤1、在地质灾害或环境污染易发区选择出露良好的裂隙密集带，划定考察区域范围并清除浅表层风化破碎岩石；
步骤2、向考察区域深部开挖竖向探槽，暴露错落交切的新鲜待测试目标裂隙，运用构造地质分析将目标裂隙按力学性质分为剪切与张拉两类裂隙；
步骤3、根据室内渗流测试目的及步骤2裂隙分布与交切形式，确定纳入待取岩样的裂隙数量，划定待取岩样形状、尺寸并标记取样轮廓；
步骤4、沿步骤3轮廓边缘自上而下切割竖向沟槽并清除槽内碎石，当四周沟槽连通后待取岩样侧面与母岩脱离，仅剩底面与母岩连接；
步骤5、将尺寸适宜的泡沫薄板制成与步骤4沟槽轮廓相匹配的形状后置于槽内并固定，泡沫薄板与待取岩样间预留注胶间隙；
步骤6、将环氧树脂固化剂逐层注入步骤5的注胶间隙，胶液受重力驱动顺环状封闭空间自由流淌并均匀充填间隙，当前层间隙被充填凝固后重复步骤6直至间隙被胶液填满；
步骤7、借助步骤2探槽临空面的操作之便，沿步骤4竖向沟槽底端向临空面内侧开挖横向沟槽用于切断待取岩样底面与母岩的连接；
步骤8、待步骤4竖向沟槽与步骤7横向沟槽切割贯通后岩样与母岩脱离并在侧面胶体保护下被整体取出，获取包含目标裂隙的不规则原状裂隙岩。
2.如权利要求1所述的大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，其特征在于，步骤2中竖向探槽长度为100-150cm，宽度为50-100cm，深度为40-80cm。
3.如权利要求1所述的大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，其特征在于，步骤4中所获原状待测岩样为近似长方体的不规则块体，其等效直径为10-30cm，等效高度为10-40cm。
4.如权利要求1所述的大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，其特征在于，步骤f中采用固化剂密封法对步骤e中的岩样进行侧壁防渗封堵处理，具体步骤如下：
a、于野外考察区域采用切槽注胶取样法获取包含多组交叉裂隙且满足裂隙岩体渗流特征考察所需的大尺寸、不规则原状岩样，用泡沫气垫缓冲材料包裹岩样，封装入箱后运至实验室；
b、开箱拆除步骤a岩样外层包裹材料后暴露被固化剂胶体凝结的侧面和未经扰动的上下端面，对暴露面开展预处理操作；
c、按步骤b处理后的岩样尺寸选取内径和高度均略大的圆柱形有机玻璃管，以便置入岩样后管两端留存缓冲空间，侧壁留存注胶间隙；
d、取塑料泡沫薄板裁至中空环状，将裁剪完毕的泡沫薄板紧密套置于步骤b的岩样中部；
e、将步骤d套有泡沫薄板的岩样塞入步骤c所选且直立于试验台的有机玻璃管中部，管壁与岩样间形成注胶间隙的同时管端留存缓冲空间，泡沫薄板将注胶间隙分割为上下两部分；
f、采用分层的方式向步骤e上部间隙内注入调配均匀的环氧树脂固化剂胶液，胶液受重力驱动在环状间隙内自高势位向低势位流淌至液面水平后停止流动，当前层胶液终凝后重复注胶操作直至胶液面齐平于岩样端面时停止注胶；步骤b岩样与步骤c有机玻璃管固结一体，步骤e上部注胶间隙封堵完毕；
g、翻转步骤f中岩样与有机玻璃管固结体使其下端面朝上，暴露步骤e下部注胶间隙以待封堵；为避免不均匀夹层影响侧壁胶体防渗功效，揭除或烧掉步骤d中用于支撑未凝胶液重量的泡沫薄板；
h、重复步骤f中分层注胶流程对步骤e的下部注胶间隙填充封堵，待胶液面齐平于岩样端面时停止注胶，终凝后步骤e下部间隙封堵完毕。
5.如权利要求4所述的大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，其特征在于，步骤c中的注胶间隙宽度为1-2cm。
6.如权利要求1所述的大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，其特征在于，步骤g中的上、下盖均为不锈钢圆盘，圆盘一侧平面上设置多组同心环形卡槽，相邻卡槽间距为1.5cm。
7.如权利要求1所述的大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，其特征在于，步骤a中的探槽长度为100-150cm，宽度为50-100cm，深度为40-80cm。
8.如权利要求1所述的大尺寸不规则原状裂隙岩室内渗流测试方法，其特征在于，步骤e中的间隙宽度为1-2cm。
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