温度对软岩渗透系数影响的试验研究

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1、温度对软岩渗透系数影响的试验研究*徐增辉，刘光廷，叶源新，胡昱（清华大学水利水电工程系北京100084）摘要：为了研究温度对软岩的渗透系数的影响以满足工程设计的需要，通过对软岩恒定应力下水温和岩体温度、温度梯度对岩体渗透性能的影响试验，研究了温度单一因素对软岩渗透性能的影响规律，同时通过软岩的单一因素影响模型推导出了多因素影响模型并进行了试验验证；通过软岩的恒定温度卜-应力对软岩的渗透系数的影响，分析了温度应力对软岩渗透性能的影响。关键词：软岩；渗透系数；试验研究分类号：TU502.1岩体的渗透

2、性能是关系到岩体稳定和坝体安全的一个重要的指标山。温度是影响岩体渗透系数的一个重要因素，在岩体多场耦合研究中具有重要的意义。而现有研究大多缺乏温度对岩体的渗透系数的影响试验，因此进行温度对岩体渗流的影响试验是非常必要的。在地球表面，分布最广泛的是软岩。据统计，全球50%以上的地区分布着软岩，所以在筑坝过程中，将会不可避免地遇到与软岩相关的问题。我国西部水利工程开发中，已建和在建工程中都有修建在泥钙质胶结砾岩、钙质胶结砂岩等软弱基岩Z上的。因此，进行软岩的研究就显得特别的重要。1.渗流、温度与三轴

3、应力耦合试验系统为了研究温度对软岩渗透性能的影响，就需耍相应的渗流、温度试验设备。通过调查，发现国内没有相关的渗流与温度耦合试验设备，因此参照相关试验[2][31[4][5]自行研制了一套可用于渗流、温度与三轴应力的耦合试验设备。该套渗流、温度与三轴应力耦合试验系统由水压压力源系统、多路独立的温度控制系统、试件夹具、加载和自动控制系统、流量量测系统和数据采集分析系统组成，如图1所示。水压压力源系统提供0〜lOMPa的稳定压力，压力稳定在工送稿日期：2006-6-10作者简介：徐増辉（1976-）

4、,男（汉族），陕西，博士研究生基金项目：国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅啻江水电开发联合研究基金项目（项目批准号50539020）作水头的0.5%以内；独立的温度控制系统控制试件各个面的温度和水温，温度范围在0〜100°C,精度在土0.25°C以内，可以在试件上形成一定的温度条件和温度梯度；双轴徐变仪加载提供所需的恒定的应力条件；采用高精度的电子天平来量测渗透低渗透率的软岩渗流量；数据采集系统提供整个系统的全程数据记录和分析；渗透夹具的设计中，采用可固化高导热的硅胶作为密封材料

5、，采用多项措施来避免量测和密封这个两难的课题。实现了高精度温度流量量测和渗流过程中的密封问题。温控系统C（控制试件进水面温度）温控系统A（控制试件一面温度）水压压力源系统

6、流、温度与三轴应力研究，可用于水温和岩体温度对渗流的影响、温度梯度对渗流的影响和渗流与应力耦合试验等多方面的研究，实现了可控三轴加载下的渗流、温度与应力耦合试验。本文的研究对象是新疆某碾压混凝土拱坝坝基的软岩，其为棕红色砾岩，泥钙质胶接。因为温度对岩体的渗透性能试验可以分为温度和温度应力这两个方面，因此试验屮采用恒定应力下的温度影响软岩渗透系数试验和恒定温度下应力影响软岩渗透系数试验这两个部分。2恒定应力下的温度影响岩体渗透系数试验分析现有研究⑹⑺，结合本试验研究发现，恒定应力稳定渗流情况下，水

7、温和岩体温度、温度梯度是影响岩体渗透系数的主要因素。水温和岩体温度从一个稳定状态变化到另外一个一个稳定状态时，温度保持一致。水温使得水的粘滞系数改变从而造成岩体的渗透系数改变，而岩体温度变化改变了岩体的孔隙率从而造成岩体渗透系数变化。而温度梯度则是改变了水运动的动力因素，造成了岩体的渗透系数改变。下面分别对几个主要因素进行试验研究。2.1水温和岩体温度对岩体渗透性能的影响试验在试验中采用双轴徐变试验机进行恒定应力加载，渗流方向为水平。在试件进口加上稳定水压Q,出口和大气相通，即出口水压°2等于大

8、气压，保持恒定压差形成渗流。测得稳定渗流量，就可以计算出软岩的渗透系数。此处得到的渗透系数是基于流量等效原理，整个过水断面上的等效渗透系数。试验中渗流稳定以出入口温度、侧面温度和岩体内埋设的钳电阻温度计测得温度不再变化为准。图3为恒定压力下同时改变水温和岩体温度情况下，软岩的渗透系数变化曲线。从图中可以看出，水温和岩体温度对于岩体渗透系数的影响主要在于改变了水流的运动粘滞系数和岩体的孔隙率。水温升高则水体的运动粘滞系数减小，同时恒定应力下岩体温度升高，岩体孔隙率加大，岩体渗透系数就会增大；反之，