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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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K。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K。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K。，获得刷浆表面积；若K1 <K。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K。，获 得钻孔密度和第一等效介质填充密度；将两炔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K。，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 皇，堆皇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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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，g卩：将两炔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K。，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。
[0013] 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皇的、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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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K。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。
[0017] 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】
[0018] 图1是对基块进行渗透等效处理的过程示意图。
[0019] 图2是表面刷浆的等效处理方式示意图。
[0020] 图3是钻通孔加工的等效处理方式示意图。
[0021] 图4是图3的俯视图。
[0022] 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。
[0023] 图6是渗透试验装置的示意图。
[0024] 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皇 示意图。
[0025] 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，