确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种确定裂隙岩体渗透性质的方法，具体涉及一种确定裂隙岩体不同 方向渗透率对孔隙度敏感程度的方法。
【背景技术】
[0002] 经历了漫长的地质成生改造作用和表生演化，赋存于一定地质应力环境中的岩体 内部都广泛发育着节理、层理、接触带、剪切带、断层等结构面，因此在实际工程中遇到的岩 体大多都是由结构面和完整岩块组成的裂隙岩体，由于裂隙岩体中复杂的不连续的结构面 对岩体的渗透性质有控制作用，使得裂隙岩体的渗透性质比一般的均质、连续、各向同性材 料的渗透性质复杂的多，对工程安全有着显著的影响，因此对裂隙岩体孔隙结构对其渗透 性质的研究具有重要的理论价值和工程意义。
[0003] 目前关于裂隙岩体的孔隙结构对岩体的渗流性质的影响所做的研究很少，这是由 于裂隙岩体一般包含有多组裂隙且岩体体积较大，受现场条件、试验设备及试验费用的限 制，在现场进行原位试验测量裂隙岩体的渗透率和孔隙度是十分困难甚至是不可能的，因 此只能通过室内试验的方法测量。但按室内试验试样大小所取的天然岩样通常只含有一组 或不包含裂隙，并不能充分反映裂隙岩体的孔隙结构对岩体的渗流性质的影响，且裂隙岩 体具有几何性质的多变性，不同岩体裂隙差异较大，取自部分岩体的天然岩样的试验结果 不具有充分代表性，并且目前缺乏有效的定量确定裂隙岩体的孔隙结构对岩体的渗流性质 的影响方法，但裂隙岩体的孔隙结构对岩体的渗透率有着显著影响，孔隙度的少量变化即 能引起渗透率的大幅度变化，因此迫切需要一种定量确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙 度敏感程度的方法
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种确定裂隙岩体 不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的方法。
[0005] 技术方案:本发明涉及一种确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的方 法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1，模拟实际裂隙岩体，制备与水平方向呈不同倾角的相似材料；
[0007] 步骤2,对各倾角相似材料逐级施加围压，每级围压稳定后分别测量各倾角相似材 料的渗透率和孔隙度，确定各倾角方向相似材料的渗透率与孔隙度的函数关系式；
[0008] 步骤3,对各函数关系式求导，所得导函数分别表示对应倾角方向相似材料的渗透 率对孔隙度的变化率；
[0009] 步骤4,对各导函数进行标准化处理，得到对应倾角方向单位孔隙度变化引起的单 位渗透率的变化量，该变化量即为待测实际裂隙岩体对应倾角方向的渗透率对孔隙度变化 的敏感程度。
[0010] 通过本发明的方法得到不同倾角方向上渗透率对孔隙度的变化率，标准化处理后 得到各倾角方向上单位孔隙度变化引起的单位渗透率变化量，可准确表征渗透率差异较大 的渗透各向异性岩体不同方向渗透率对孔隙度的敏感程度。
[0011 ]具体的，步骤1中，制备与水平方向呈不同倾角的相似材料的方法包括：
[0012] (1)根据实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，制作该裂隙 岩体的三维数字模型；
[0013] (2)将该三维数字模型输入3D打印机，旋转该三维数字模型，以实际裂隙岩体的粉 末为原料打印出与水平方向呈不同倾角的相似材料。
[0014] 较优的，倾角为0。、15。、30。、45。、60。、75。或90。。
[0015] 优选的，步骤2中，选取任一倾角相似材料，以该倾角相似材料在每级围压下的孔 隙度代表所有倾角相似材料在该级围压下的孔隙度。由于不同倾角方向相似材料孔隙度的 大小以及随围压的变化规律接近一致，因此可测量某一倾角相似材料的孔隙度来代表所有 倾角方向上相似材料的孔隙度。
[0016] 上述步骤2中，根据测得的各倾角相似材料在每级围压下的渗透率和孔隙度，以孔 隙度为横坐标、渗透率为纵坐标，作出各倾角方向孔隙度与渗透率的散点图，通过迭代法分 别得出与各散点图拟合度最高的函数关系式，即为相应倾角方向相似材料的渗透率与孔隙 度的函数关系式。
[0017] 上述步骤2中，逐级施加310^、810^、151^?、2510^、3010^及3510^的围压。
[0018]上述步骤4中，对各导函数进行标准化处理的方法为:将步骤3所得的导函数除以 对应倾角方向相似材料的初始渗透率，该初始渗透率为初始围压下测得的相似材料的渗透 率。
[0019] 有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：（1)本发明通过制备相似材 料来模拟实际裂隙岩体，不必进行原位试验，通过室内模型试验即可确定渗透各向异性裂 隙岩体不同方向渗透率对孔隙度的敏感程度，节省了大量物力和财力；同时，以数学分析方 法定量确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度的变化率，并对该变化率表达式进行标准化 处理，得到不同倾角方向上单位孔隙度变化引起的单位渗透率的变化量，可以准确表征渗 透率差异较大的裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度的敏感程度；（2)本发明的相似材料可 通过3D打印方法制备，可以精确反应各裂隙的空间形态和分布，所得相似材料能够充分模 拟实际裂隙岩体的性质，将其用于定量分析渗透各向异性岩体的渗透率对孔隙度的敏感程 度时，实验结果具有代表性。
【附图说明】
[0020] 图1为倾角为0°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
[0021 ]图2为倾角为15°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
[0022]图3为倾角为30°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
[0023]图4为倾角为45°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
[0024] 图5为倾角为60°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
[0025] 图6为倾角为75°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
[0026] 图7为倾角为90°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0028] 本发明的一种确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的方法，包括如下 步骤：
[0029] 步骤1，模拟实际裂隙岩体，制备与水平方向呈不同倾角的相似材料；
[0030] 倾角可为0°、15°、30°、45°、60°、75°或90° ;具体的，制备与水平方向呈不同倾角的 相似材料的方法包括如下两种：
[0031] 第一种，根据实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，分别制 作用于制备不同倾角相似材料的模具;根据实际裂隙岩体的力学性能配置水泥砂浆，倒入 模具，养护、脱模，得到不同倾角的相似材料。
[0032] 第二种，根据实际裂隙岩体的几何形态以及该岩体中裂隙的形态和分布，制作该 裂隙岩体的三维数字模型;将该三维数字模型输入3D打印机，旋转该三维数字模型，以实际 裂隙岩体的粉末为原料打印出与水平方向呈不同倾角的相似材料。通过3D打印方法制备相 似材料，可以精确反应各裂隙的空间形态和分布，所得相似材料能够充分模拟实际裂隙岩 体的性质，将其用于定量分析渗透各向异性时，实验结果具有代表性。
[0033] 步骤2,对各倾角相似材料逐级施加围压，每级围压稳定后分别测量各倾角相似材 料的渗透率和孔隙度，确定各倾角方向相似材料的渗透率与孔隙度的函数关系式；
[0034] 由于不同倾角方向相似材料孔隙度的大小以及随围压的变化规律接近一致，因此 可仅测量某一倾角相似材料在每级围压下的孔隙度，其可代表所有倾角相似材料在该级围 压下的孔隙度。
[0035] 可逐级施加3MPa、8MPa、15Mpa、25MPa、30