基本概念

如题所述

(1)岩体的孔隙性

岩体的孔隙包含岩石的孔隙、岩体的裂隙和溶隙三部分,岩体的孔隙性在很大程度上确定了岩体的渗透性能,一般来说,孔隙越发育,孔隙尺寸越大,岩体的渗透性能将越大。

一般用孔隙度来衡量岩体的孔隙性的大小。孔隙度(porosity)是岩体样品中孔隙的体积与整个岩体样品体积的比值。岩体的孔隙度n 包括正常孔隙度np和裂隙孔隙度nf(周志芳,2004)。正常孔隙度的大小,主要取决于岩石的类别、结构和构造;而裂隙孔隙度的大小决定于岩体所发育裂隙的组数、各组裂隙的密度和长度以及它们的张开度。

(2)岩体的渗透率(Permeability)

岩体渗透率是表征岩体介质特征的函数,它描述了岩体介质的一种平均性质,表示岩体介质传导流体的能力(仵彦卿,1996;薛禹群,2003)。渗透率仅取决于岩体的性质,而与流体的性质无关。

对单裂隙介质而言,岩体裂隙的渗透率为(仵彦卿,1996):

高放废物深地质处置中的溶质运移研究

式中:kf(σ)为岩体(单裂隙介质)在应力为σ时的渗透率,[L2];λ为岩体裂隙粗糙度有关的参数,当裂隙平直光滑无充填物时,λ=12,反之,λ< 12;b 为在初始应力条件时的单裂隙隙宽,[L]。

对裂隙系统而言,岩体的等效渗透率为(仵彦卿,1996):

高放废物深地质处置中的溶质运移研究

式中:S为岩体中裂隙的平均间距,[L];σa为岩体的等效法向应力,[ML-1T-2]。

(3)岩体的渗透系数(Coefficient of permeability)(仵彦卿,1996)

渗透系数,也称为水力传导系数(率)(Hydraulic conductivity)是岩体介质特征和流体特征的函数,它描述了岩体介质和流体的一种平均性质。在岩体水流系统中,渗透系数可表征地下水流经空间内任一点上的介质的渗透性;也可表征某一区域内介质的平均渗透性;也可表征某一裂隙段的渗透性。

对岩体裂隙介质而言,渗透系数可表示为(仵彦卿,1996):

高放废物深地质处置中的溶质运移研究

式中:Kf(σ)为岩体应力为σ时的渗透系数,[LT-1],当同时考虑温度异常时,则(4.3)可写成(仵彦卿,1996):

高放废物深地质处置中的溶质运移研究

其中:

[ρ(T)=ρ0exp-a1(T-T0)](4.5)

μ(T)=μ0exp-a2(T-T0)[](4.6)

式中:Kf(σ,T)为异常温压下岩体的渗透系数,[LT-1];ρ、ρ0分别为T、T0条件下流体的密度,[ML-3];μ、μ0分别为T、T0条件下流体的粘滞系数,[ML-1T-1];g为重力加速度,[LT-2];a1、a2为待定系数。

(4)粗糙度(Roughness)

粗糙度是指裂隙结构面侧壁的粗糙程度,是裂隙渗透性计算中的关键性指标之一(周志芳,2004)。一般用凸起度、相对粗糙度、节理粗糙度系数(JRC)等来表征。

凸起度是直接用裂隙表面的凸起高度函数或凸起高度的概率密度函数来描述裂隙表面的粗糙型,这种表示对一个已知的裂隙面是可行的,不适合实际工程应用。节理粗糙度系数(JRC)是工程中用来描述裂隙面粗糙性的一个重要几何参数,它是根据Barton N.等(1977)提出的10条标准剖面进行对照来确定的。

(5)裂隙隙宽(Aperture)

隙宽,也称为裂隙面的张开度,是指裂隙结构面相邻岩壁面的垂直距离,如果岩壁之间充填有黏土或其他充填物则包括充填物的结构面宽度(周志芳,2004)。它主要是岩体受张拉应力作用或结构面剪切位移导致岩石破裂扩张造成的,是表征裂隙渗透性能最重要的几何参数之一。它一般小于1mm。通常情况下,天然裂隙是粗燥不平的,隙宽是随着在裂隙面上的位置变化而变化,一般采用隙宽概率分布函数描述隙宽的变化情况。根据Snow D.T.(1968)、Priest S.D.(1976)、潘别桐等(1989)的研究,隙宽的分布型式主要有对数正态分布和负指数分布两种。

需要注意的是,隙宽在使用时有三种不同的表达:平均隙宽b(即隙宽函数的均值)、力学隙宽bm(机械隙宽)和等效水力隙宽bh。力学隙宽则指裂隙面发生的最大闭合变形量;等效隙宽是为了在隙宽不等的裂隙中应用“立方定律”而提出的概念,该值可通过实验所得的单宽流量利用立方定律求得。对于光滑平板裂隙,这三种隙宽的值是相等的;然而对于实际工程中的粗糙裂隙,它们一般是互不相等的,因此在运用含有隙宽的相关公式时需要弄清楚其中所指的隙宽的具体含义。

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