26-面浆层，27-第二等效介质，水头h，夹角a。
【具体实施方式】
[0026] 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K。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。
[0027] 普通烧结粘土砖标准尺寸为长X宽X高=210mmX115mmX53mm，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。
[0028] 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!^，并与天然岩体综 合渗透系数K。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=K。;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=K。。
[0029] 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。
[0030] 如图3和图4所示，当岩体渗透性大于10 6cm/s时，在砖体210mmX115mm截面钻 直径IOmm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皇后形成的多空 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。
[0031] 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。
[0032] 如图3和图4所示，距离可由等式：
[0034] 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。
[0035] 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=K。，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。
[0036] 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1〇_，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=K。，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。
[0037] 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a 与裂隙倾角一致，平铺并逐层堆皇砖块，堆皇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 10臟，即间隙值为10臟，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K。的天然岩体的多空隙组合 地质单元渗透模拟材料。
[0038] 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。
【主权项】
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K。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 >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。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，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。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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01N15/08
【公开号】CN105223117
【申请号】CN201510639234
【发明人】符文熹, 雷孝章, 赵敏
【申请人】四川大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年9月30日