一種低滲透巖石流變滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域，具體涉及一種低滲透巖石滲透率與體積應(yīng)變關(guān) 系的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 低滲透巖石滲透特性的研究是目前巖石力學(xué)一個(gè)重要的研究課題，具有非常重要 的工程背景和意義。低滲透巖石在許多地下巖石工程中普遍存在，如地下存儲(chǔ)洞庫、大壩壩 基、地下引水隧洞等。對(duì)于深埋的低滲透巖石，由于存在一定地下水，通常會(huì)涉及水與巖石 的相互耦合作用，主要是滲透水壓影響圍巖的應(yīng)力分布情況，改變巖石所處應(yīng)力場(chǎng)，而應(yīng)力 的重分布又導(dǎo)致巖石滲透特性發(fā)生變化，進(jìn)而引起滲流場(chǎng)的改變。對(duì)于低滲透巖石而言，有 必要開展應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中的滲透性演化規(guī)律研究，分析低滲透率巖石滲流-應(yīng)力耦合條 件下的滲透特性。
[0003] 巖石的流變力學(xué)特性試驗(yàn)是確定巖石長期穩(wěn)定性的主要手段之一，而滲流-應(yīng)力 耦合條件下的流變力學(xué)試驗(yàn)對(duì)于研究低滲透巖石在水環(huán)境中的長期穩(wěn)定性具有十分重要 的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低滲透巖石流變滲 透率與體積應(yīng)變關(guān)系的確定方法，通過低滲透巖石在滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)中滲透率演 化規(guī)律對(duì)相應(yīng)的體積應(yīng)變曲線進(jìn)行分階段劃分，分析各階段體積應(yīng)變變化與滲透率變化特 征，確定各階段滲透率與體積應(yīng)變的關(guān)系。
[0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種低滲透巖石流變滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系的確定方 法，其特征在于:取巖芯試樣放入三軸滲流-流變?cè)囼?yàn)儀上，施加圍壓和滲壓進(jìn)行三軸滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)，得到滲流-應(yīng)力耦合流變條件下的滲透率曲線和體積應(yīng)變流變曲線，將 體積應(yīng)變流變曲線根據(jù)滲透規(guī)律進(jìn)行階段劃分，并利用函數(shù)擬合方式分析各階段滲透率與 體積應(yīng)變關(guān)系，得到滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)中低滲透巖石滲透率與體積應(yīng)變的關(guān)系表達(dá) 式。
[0006] 進(jìn)一步，所述三軸滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)采取分級(jí)加載的方式，先對(duì)同批次的巖 芯試樣進(jìn)行滲流-應(yīng)力耦合三軸瞬時(shí)試驗(yàn)，取流變?cè)囼?yàn)的初始加載水平為瞬時(shí)試驗(yàn)中峰值 強(qiáng)度的55 %~65 %，隨后依次按峰值強(qiáng)度的5 %左右加載，每級(jí)流變時(shí)間不少于50小時(shí)，直 至巖樣發(fā)生流變破壞。
[0007] 進(jìn)一步，所述滲透率曲線的變化規(guī)律為：初始加載時(shí)滲透率迅速下降，并逐漸平 穩(wěn)，在流變變形階段基本保持定值，當(dāng)最后一級(jí)加載后滲透率顯著增加，并最終達(dá)到峰值。
[0008] 進(jìn)一步，體積應(yīng)變流變曲線可根據(jù)滲透率變化規(guī)律劃分為三個(gè)階段，分別為初始 加載階段、流變變形階段和流變破壞階段;所述初始加載階段為從巖樣初始加載到第一級(jí) 加載水平的流變變形，所述流變變形階段為中間各級(jí)應(yīng)力水平下的流變變形，所述流變破 壞階段為最后一級(jí)的流變破壞。
[0009] 進(jìn)一步，將三個(gè)階段的滲透率-體積應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合，其中流變破壞階段的 體積應(yīng)變?nèi)◇w積應(yīng)變相對(duì)值，即實(shí)際體積應(yīng)變與流變破壞階段初始點(diǎn)體積應(yīng)變之差的絕對(duì) 值;擬合各階段滲透率與體積應(yīng)變的關(guān)系曲線，并得到滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)中滲透率與 體積應(yīng)變的關(guān)系表達(dá)式。
[0010] 有益效果:本發(fā)明將低滲透巖石在滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)中的體積應(yīng)變根據(jù)滲 透率演化規(guī)律進(jìn)行分階段劃分，能夠根據(jù)滲流-應(yīng)力耦合三軸流變?cè)囼?yàn)中的滲透演化規(guī)律， 分析不同階段的滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系，可以得到整個(gè)流變?cè)囼?yàn)中的滲透率與體積應(yīng)變關(guān) 系式，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)巖石在滲透-應(yīng)力耦合條件下的長期穩(wěn)定性問題具有參考價(jià)值。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本實(shí)施例巖樣的體積應(yīng)變流變曲線與滲透率流變曲線圖；
[0012]圖2為本發(fā)明方法確定初始加載階段體積應(yīng)變與滲透率關(guān)系曲線；
[0013]圖3為本發(fā)明方法確定流變變形階段體積應(yīng)變與滲透率關(guān)系曲線；
[0014] 圖4為本發(fā)明方法確定流變破壞階段體積應(yīng)變與滲透率關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施 例。
[0016] 實(shí)施例:本實(shí)施例通過低滲透巖石試樣在滲流-應(yīng)力耦合條件下的流變力學(xué)特性 試驗(yàn)得到體積應(yīng)變流變曲線與滲透率流變曲線，通過滲透率在流變?cè)囼?yàn)中的變化規(guī)律對(duì)體 積應(yīng)變曲線進(jìn)行階段劃分，利用函數(shù)擬合分階段研究滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)中的滲透率 與體積應(yīng)變關(guān)系，得到滲透率與體積應(yīng)變的關(guān)系表達(dá)式。
[0017] 本實(shí)施例的具體實(shí)施步驟如下：
[0018] ①利用取芯鉆具獲取地下花崗片麻巖巖芯試樣，選取完好、無損且原始的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)完整的巖芯試樣加工成高度為1〇〇_、直徑為50mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣。
[0019]②取圍壓(〇3/MPa)為巖石所受實(shí)際地應(yīng)力值4MPa，滲壓(Pi/MPa)為巖石所受實(shí)際 滲透壓力值2MPa，滲壓加載采取巖樣底端與頂端壓力差的形式加載，其中底端滲壓大于頂 端滲壓，兩者壓力差即為巖樣所施加的滲壓。采取分級(jí)加載的方法進(jìn)行滲流-應(yīng)力耦合流變 力學(xué)特性試驗(yàn):首先對(duì)與巖樣同批次的試樣進(jìn)行滲流-應(yīng)力耦合三軸瞬時(shí)試驗(yàn)，故本實(shí)施例 流變?cè)囼?yàn)的初始加載水平取瞬時(shí)試驗(yàn)中峰值強(qiáng)度的5 5 %，即1 2 5.0 0 Μ P a，每級(jí)加載 10.0 OMPa，每級(jí)流變時(shí)間為72小時(shí)，直至巖樣發(fā)生流變破壞。得到體積應(yīng)變流變曲線與滲透 率流變曲線，如圖1所示，圖中K為巖石的滲透率，ε ν為巖石的體積應(yīng)變、t為巖石的流變時(shí) 間。體積應(yīng)變流變曲線的滲透率變化規(guī)律為:初始加載時(shí)滲透率迅速下降，并逐漸平穩(wěn)，在 流變變形階段基本保持定值，當(dāng)最后一級(jí)加載后滲透率逐漸增加，隨后急劇增加并最終達(dá) 到峰值。
[0020]③將體積應(yīng)變流變曲線根據(jù)滲透率變化規(guī)律劃分為三個(gè)階段，分別為初始加載階 段、流變變形階段、流變破壞階段;初始加載階段為從巖樣初始加載到第一級(jí)加載水平的流 變變形，流變變形階段為中間各級(jí)應(yīng)力水平下的流變變形，流變破壞階段為最后一級(jí)的流 變破壞，取A點(diǎn)為初始加載階段與流變變形階段分界點(diǎn)，B點(diǎn)為流變變形階段與流變破壞階 段分界點(diǎn)，這兩點(diǎn)的體積應(yīng)變分別為εVA和εvB。
[0021] ④以體積應(yīng)變?chǔ)纽蜑闄M坐標(biāo)，滲透率K為縱坐標(biāo)，畫出各階段滲透率-體積應(yīng)變散點(diǎn) 圖；其中，初始加載階段采用指數(shù)函數(shù)擬合，如圖2所示;流變變形階段的滲透率剔除突變點(diǎn) 的數(shù)據(jù)后，均圍繞一圓心點(diǎn)分布，故認(rèn)為該階段的滲透率為常數(shù)C，如圖3所示;將流變破壞 階段體積應(yīng)變?nèi)◇w積應(yīng)變相對(duì)值ε ν1，即實(shí)際體積應(yīng)變與流變破壞階段初始點(diǎn)體積應(yīng)變之差 的絕對(duì)值：
[0022] ενι= | εν-ενβ
[0023] 然后采用指數(shù)函數(shù)擬合得到相應(yīng)的擬合曲線(如圖4所示）。
[0024]⑤通過分階段擬合可以得到滲流-應(yīng)力耦合條件下流變力學(xué)特性試驗(yàn)中的滲透率 與體積應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式：
[0026] 式中，tA、tB分別為Α點(diǎn)和8點(diǎn)的時(shí)間值，al、bl、Cl、a2、b2和C2均為參數(shù)，可通過滲流- 應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)結(jié)果擬合得到，本實(shí)施例滲透率與體積應(yīng)變擬合結(jié)果如下表所示。
[0027]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種低滲透巖石流變滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系的確定方法，其特征在于：取巖芯試樣 放入三軸滲流-流變?cè)囼?yàn)儀上，施加圍壓和滲壓進(jìn)行三軸滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)，得到滲 流-應(yīng)力耦合流變條件下的滲透率曲線和體積應(yīng)變流變曲線，將體積應(yīng)變流變曲線根據(jù)滲 透規(guī)律進(jìn)行階段劃分，并利用函數(shù)擬合方式分析各階段滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系，得到滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)中低滲透巖石滲透率與體積應(yīng)變的關(guān)系表達(dá)式。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低滲透巖石流變滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系的確定方法，其特征 在于:所述三軸滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)采取分級(jí)加載的方式，先對(duì)同批次的巖芯試樣進(jìn)行 滲流-應(yīng)力耦合三軸瞬時(shí)試驗(yàn)，取流變?cè)囼?yàn)的初始加載水平為瞬時(shí)試驗(yàn)中峰值強(qiáng)度的55%~ 65%，隨后依次按峰值強(qiáng)度的5%左右加載，每級(jí)流變時(shí)間不少于50小時(shí)，直至巖樣發(fā)生流變 破壞。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低滲透巖石流變滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系的確定方法，其特征 在于:所述滲透率曲線的變化規(guī)律為:初始加載時(shí)滲透率迅速下降，并逐漸平穩(wěn)，在流變變 形階段基本保持定值，當(dāng)最后一級(jí)加載后滲透率顯著增加，并最終達(dá)到峰值。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的低滲透巖石流變滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系的確定方法，其特征 在于:體積應(yīng)變流變曲線可根據(jù)滲透率變化規(guī)律劃分為三個(gè)階段，分別為初始加載階段、流 變變形階段和流變破壞階段;所述初始加載階段為從巖樣初始加載到第一級(jí)加載水平的流 變變形，所述流變變形階段為中間各級(jí)應(yīng)力水平下的流變變形，所述流變破壞階段為最后 一級(jí)的流變破壞。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的低滲透巖石流變滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系的確定方法，其特征 在于:將三個(gè)階段的滲透率-體積應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合，其中流變破壞階段的體積應(yīng)變?nèi)?體積應(yīng)變相對(duì)值，即實(shí)際體積應(yīng)變與流變破壞階段初始點(diǎn)體積應(yīng)變之差的絕對(duì)值;擬合各 階段滲透率與體積應(yīng)變的關(guān)系曲線，并得到滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)中滲透率與體積應(yīng)變 的關(guān)系表達(dá)式。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低滲透巖石流變滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系的確定方法，取巖芯試樣進(jìn)行三軸滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)，得到滲流-應(yīng)力耦合流變條件下的滲透率曲線和體積應(yīng)變流變曲線，將體積應(yīng)變流變曲線根據(jù)滲透規(guī)律進(jìn)行階段劃分，并利用函數(shù)擬合方式分析各階段滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系，得到滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)中低滲透巖石滲透率與體積應(yīng)變的關(guān)系表達(dá)式。本發(fā)明將低滲透巖石在滲流-應(yīng)力耦合流變?cè)囼?yàn)中的體積應(yīng)變根據(jù)滲透率演化規(guī)律進(jìn)行分階段劃分，能夠根據(jù)滲流-應(yīng)力耦合三軸流變?cè)囼?yàn)中的滲透演化規(guī)律，分析不同階段的滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系，可以得到整個(gè)流變?cè)囼?yàn)中的滲透率與體積應(yīng)變關(guān)系式，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)巖石在滲透-應(yīng)力耦合條件下的長期穩(wěn)定性問題具有參考價(jià)值。
【IPC分類】G01N15/08, G01N33/24, G01N11/00
【公開號(hào)】CN105606490
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610060682
【發(fā)明人】劉琳, 徐衛(wèi)亞, 王環(huán)玲, 王偉, 王如賓
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)
【公開日】2016年5月25日
【申請(qǐng)日】2016年1月28日