CN105510207A - 确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开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：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；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；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；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；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。
Description
技术领域
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
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。
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
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。
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：
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；
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；
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；
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。
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。
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：
(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；
(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。
较优的，倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°或90°。
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。
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。
上述步骤2中，逐级施加3MPa、8MPa、15Mpa、25MPa、30MPa及35MPa的围压。
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。
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
图1为倾角为0°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
图2为倾角为15°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
图3为倾角为30°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
图4为倾角为45°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
图5为倾角为60°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
图6为倾角为75°的相似材料的孔隙度与渗透率的散点图；
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
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
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：
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；
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：
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。
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。
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；
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。
可逐级施加3MPa、8MPa、15Mpa、25MPa、30MPa及35MPa的围压。
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，在坐标轴内分别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。
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；
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。
以初始围压下测得的各倾角方向相似材料的渗透率为该方向的初始渗透率，将某一倾角方向上的导函数除以该方向上的初始渗透率，得到该方向上单位孔隙度变化引起的单位渗透率的变化量，表征了该方向上渗透率对孔隙度变化的敏感程度。
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。
实施例
以定量确定某水电站河床坝基处渗透各向异性岩体不同方向渗透率对应力敏感程度为例，本发明的确定裂隙岩体渗透率对孔隙度敏感程度的方法包括如下步骤：
(1)根据实际渗透各向异性裂隙岩体的体积及岩体中结构面的空间形态、数量及分布情况，制作该裂隙岩体的三维数字模型，将三维数字模型输入3D打印机，旋转该三维数字模型，以待测实际裂隙岩体的粉末为原材料，分别打印出与水平方向成0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°倾角的裂隙岩体相似材料。
(2)对不同倾角相似材料分别逐级施加3MPa、8MPa、15Mpa、25MPa、30MPa及35MPa的围压，利用岩石气体渗透率测试装置测量不同围压下不同倾角相似材料的渗透率；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，因此以0°倾角相似材料在不同围压下的孔隙度代表所有倾角相似材料的孔隙度；以孔隙度φ为横坐标，渗透率k为纵坐标，分别作出不同倾角方向相似材料的渗透率与孔隙度的散点图，如图1～图7；然后用迭代法分别计算出与各倾角方向散点图拟合度最高的函数关系式，作为裂隙岩体不同方向渗透率与孔隙度的函数关系式，如表1。
表1裂隙岩体不同方向渗透率与孔隙度的函数关系式
| 倾角/° | 渗透率与孔隙度的函数关系式 |
| 0 | k＝11.18φ-0.69 |
| 15 | k＝130.71φ-0.82 |
| 30 | k＝147.73φ-0.57 |
| 45 | k＝131.19φ-0.81 |
| 60 | k＝141.91φ-0.66 |
| 75 | k＝117.51φ-0.62 |
| 90 | k＝129.56φ-0.7 |
(3)对不同倾角方向相似材料的渗透率与孔隙度的函数关系式进行求导，所得导函数的绝对值作为裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度的变化率的表达式，如表2。
表2裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度的变化率的表达式
(4)对裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度的变化率的表达式进行标准化处理，初始围压3MPa时0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°倾角方向处的初始渗透率分别为5.11e-17、5.07×10-16、7.38×10-16、5.23×10-16、2.05×10-15、1.33×10-16、5.87×10-16，以对应方向裂隙岩体的渗透率对孔隙度的变化率的表达式除以该初始渗透率，并取绝对值，得到裂隙渗透各向异性岩体渗透率对孔隙度敏感程度的定量表达式。
如表3，该表达式分别表示对应方向单位孔隙度变化引起的单位渗透率的变化量，该值表征了对应方向上渗透率对孔隙度变化的敏感程度。
表3裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的定量表达式
Claims (7)
1.一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，其特征在于，包括如下步骤：
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；
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；
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；
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。
2.根据权利要求1所述的确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的方法，其特征在于，步骤1中，所述制备与水平方向呈不同倾角的相似材料的方法包括：
(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；
(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。
3.根据权利要求1或2所述的确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的方法，其特征在于，所述倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°或90°。
4.根据权利要求1所述的确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的方法，其特征在于，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。
5.根据权利要求1或4所述的确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的方法，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的方法，其特征在于，步骤2中，逐级施加3MPa、8MPa、15Mpa、25MPa、30MPa及35MPa的围压。
7.根据权利要求1所述的确定裂隙岩体不同方向渗透率对孔隙度敏感程度的方法，其特征在于，步骤4中，所述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。
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