考虑基质渗透性的岩体单裂隙渗流及影响因素的室内和数值试验研究

摘要

为客观评价基质渗透性,并探明其在裂隙岩体渗流中的作用和比重,采用自主研制的应力–渗流耦合试验装置,开展水力耦合条件下完整岩芯和含贯穿单裂隙岩芯(泥岩、砂岩、石灰岩)的渗透试验研究,探究变围压(10~18 MPa)和变裂隙粗糙度系数(1.64~15.52)条件下裂隙、基质的渗流过程及规律。试验结果表明:基质和裂隙的渗透率均随围压的增加而降低,且裂隙渗透率的下降速率快于基质的下降速率,造成裂隙与基质的渗透率比值(K_(f)/K_(m))也逐渐下降;当围压增加至18 MPa时,泥岩的K_(f)/K_(m)已介于7~8(与裂隙粗糙度有关),小于一个数量级,基质渗透率已不容忽视。为进一步探索不可忽略基质渗透率的围压阈值,采用COMSOL构建含贯穿单裂隙岩芯的数值模型,模型中假定基质和裂隙内的渗流分别服从Darcy定律和Forchheimer定律,进而开展更大围压(3~53 MPa)范围和粗糙度系数(2.58~17.4)下的渗流数值模拟。数值模拟结果与试验结果较为一致,精准复现了裂隙及基质渗透率随围压和粗糙度系数的演化规律。若以K_(f)/K_(m)=10作为界定不可忽略基质渗透性的界限值,对应泥岩、砂岩、石灰岩的围压阈值分别为18,20,46 MPa。通过深入分析裂隙渗流场表明,随着围压和粗糙度系数的增加,裂隙的接触面积增大,过流面积相应降低,水流主要沿着缩窄的渗流通道贯穿裂隙;同时,过流通道的缩窄导致流速增加,在流场内形成涡流,进一步降低了裂隙的渗透性。系统探索了流体在裂隙和基质内的渗流过程及规律,提出采用K_(f)/K_(m)判定可否忽略基质渗透性的方法,为评价基质渗透性在裂隙岩体渗流中发挥的作用提供了定量指标。