柱狀節(jié)理巖體滲透張量測試方法及各向異性定量評估方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種柱狀節(jié)理巖體滲透張量測試方法及各向異性定量評估方法，具體 涉及一種基于張量不變性原理確定柱狀節(jié)理巖體滲透張量及滲透張量的主滲透系數(shù)和主 方向的方法以及定量評估滲透各向異性的方法。
【背景技術】
[0002] 柱狀節(jié)理是火山熔巖噴發(fā)溢流過程中由于冷卻收縮形成的呈不規(guī)則或規(guī)則形態(tài) 的原生張性破裂構造，柱狀節(jié)理多出現(xiàn)于玄武巖，在我國西南地區(qū)廣泛分布，西南地區(qū)諸 多已建或在建大型水電站位于柱狀節(jié)理玄武巖之上，柱狀節(jié)理巖體作為一種特殊的結構巖 體，具有力學性質的各向異性，同時也具有滲透的各向異性，由于柱狀節(jié)理巖體包含有多組 節(jié)理且柱體體積較大，按室內試驗大小所取的天然巖樣只含有一組或不包含節(jié)理，并不能 反映節(jié)理巖體滲流的各向異性，且柱狀節(jié)理巖體幾何性質的多變性，不同巖體節(jié)理差異較 大，取自部分巖體的天然巖樣的試驗結果不具有充分代表性，且缺乏有效的測量柱狀節(jié)理 巖體滲透張量及滲透張量主值及主方向的方法，因此雖然柱狀節(jié)理巖體的滲流性質對巖體 力學性質和工程安全有著顯著影響，但關于柱狀節(jié)理巖體的滲流性質所做的研究很少。
[0003] 鄒麗芳等利用塊組合體進行物模實驗研究了柱狀節(jié)理巖體的滲透性，但是沒有考 慮柱狀節(jié)理巖體滲透率的各向異性，且目前有關巖體滲透各向異性表征方法的研究很少， 有人通過將巖體滲透率的最大值和最小值之比來表示滲透各向異性，但是這個方法只能反 映最大值和最小值的比，并不能全面反映滲透的各向異性。
[0004] 因此，針對現(xiàn)有技術的缺點，如何有效的求取滲透張量及主方向并且測量柱狀節(jié) 理巖體的滲透各向異性成為迫切需要解決的問題。
【發(fā)明內容】
[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明的第一目的是提供一種柱狀節(jié)理巖體滲透張量的測試方法，本 發(fā)明的第二目的是提供一種柱狀節(jié)理巖體滲透各向異性定量評估方法。
[0006] 技術方案：本發(fā)明所述的一種柱狀節(jié)理巖體滲透張量的測試方法，包括如下步 驟：
[0007] 步驟1，模擬待測的實際柱狀節(jié)理巖體，制備不同柱體傾角的相似材料；
[0008] 步驟2,測量步驟1制得的相似材料的滲透率；
[0009] 步驟3,根據(jù)步驟2測得的相似材料的滲透率得到柱狀節(jié)理巖體的滲透張量[K]， 然后基于張量不變性理論得到滲透張量的最大主滲透系數(shù)K_、最小主滲透系數(shù)K_及主方 向a〇
[0010] 本發(fā)明通過模擬不同類型的實際柱狀節(jié)理巖體制作與其相符的相似材料，測量不 同柱體傾角相似材料的滲透率，并基于張量不變性原理得到柱狀節(jié)理巖體的滲透張量和滲 透張量的主滲透系數(shù)及主方向，解決了室內試驗測量天然巖體滲透張量的尺寸問題以及由 天然巖體的差異性造成的試驗結果離散性的問題。
[0011] 其中，步驟1制作的柱狀節(jié)理巖體相似材料的傾角為0°、15°、30°、45°、60°、 75° 或 90°。
[0012] 上述步驟3中得到的柱狀節(jié)理巖體的滲透張量[K]為：
[0014] 式中，Kxx，Kxy，Kyy分別為柱體傾角為0°、45°、90°的相似材料的滲透率。
[0015] 上述步驟3中基于張量不變性理論得到的主方向a為：
[0017] 上述步驟3中基于張量不變性理論得到的滲透張量最大主滲透系數(shù)K_和最小主 滲透系數(shù)Κ_為：
[0018] (1)當主方向ae[0, 90]U[180,270]時，
[0025] 上述步驟1中，制備相似材料的方法包括以下步驟：
[0026] 步驟11，基于相似關系模擬實際柱狀節(jié)理巖體，根據(jù)其巖體成分及空間形態(tài)，確定 所制備的模擬柱體的原料、大小及形狀；
[0027] 步驟12,根據(jù)所制備柱體的大小及形狀選用相應的模具；
[0028] 步驟13,將制備柱體的原料混合攪拌后倒入模具中，直至模具全部凹槽注滿后將 模具晾曬，拆卸，得到足夠數(shù)量的柱體；
[0029] 步驟14,將柱體粘結成柱狀節(jié)理模型，處理形成不同柱體傾角的柱狀節(jié)理巖體相 似材料。
[0030] 上述步驟2中，測量相似材料的滲透率的方法包括以下步驟：
[0031] 步驟21，先分別測量每個相似材料的直徑和高度并記錄，然后將相似材料包裹緊 密，保證氣體能夠從相似材料的下端面進入、上端面流出；
[0032] 步驟22,將包裹后的相似材料裝入氣體滲透率測試裝置，記錄滲透入相似材料內 的氣體量；
[0033] 步驟23,根據(jù)步驟21中測得的相似材料的直徑、高度以及步驟22中測得的滲入氣 體量計算其滲透率。
[0034] 本發(fā)明所述的一種柱狀節(jié)理巖體滲透各向異性定量評估方法，包括如下步驟：
[0035] (1)模擬待測的實際柱狀節(jié)理巖體，制備不同柱體傾角的相似材料；
[0036] (2)測量步驟（1)制得的相似材料的滲透率；
[0037] (3)根據(jù)步驟⑵測得的相似材料的滲透率，做出滲透率與傾角關系的散點圖；
[0038] (4)以離散點為插值點利用插值法計算出離散點的插值函數(shù)，該插值函數(shù)為滲透 率與柱體傾角的關系；
[0039] (5)對插值函數(shù)求微分，算得插值函數(shù)的導函數(shù)并作出導函數(shù)的圖形，該插值函數(shù) 的導函數(shù)為柱狀節(jié)理巖體滲透率隨柱體傾角變化的速率，即柱狀節(jié)理巖體滲透各向異性與 柱體傾角的關系。
[0040] 本發(fā)明通過制備不同柱體傾角的相似材料，計算出各個角度的滲透率，從而得到 滲透率與柱體傾角的函數(shù)關系，通過該函數(shù)的導函數(shù)來表征滲透各向異性與柱體傾角的關 系，量化每個傾角的滲透各向異性大小，全面反映了柱狀節(jié)理巖體滲透的各向異性。
[0041] 有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：（1)本發(fā)明通過模擬不同類型的 實際柱狀節(jié)理巖體制作與其相符的相似材料，測量不同柱體傾角相似材料的滲透率，并基 于張量不變性原理得到柱狀節(jié)理巖體的滲透張量和滲透張量的主滲透系數(shù)及主方向，并對 柱狀節(jié)理巖體滲透各向異性定量評估，解決了室內試驗測量天然巖體滲透張量的尺寸問題 以及由天然巖體的差異性造成的試驗結果離散性的問題；(2)本發(fā)明開創(chuàng)了柱狀節(jié)理巖體 滲透各向異性定量評估的新方法，通過本方法可以量化每個傾角的滲透各向異性大小，全 面反映柱狀節(jié)理巖體滲透的各向異性，解決了現(xiàn)有技術中滲透各向異性表征的片面性；（3) 本發(fā)明的方法測量成本低，可操作性強，結果精確，適用范圍廣。
【附圖說明】
[0042] 圖1為本發(fā)明的柱狀節(jié)理巖體滲透張量測試方法的流程圖。
[0043] 圖2為柱狀節(jié)理巖體滲透張量測試方法中測算滲透張量主值及主方向時的坐標 軸變換圖。
[0044] 圖3為柱狀節(jié)理巖體滲透各項異性評估方法中步驟（3)所得的滲透率與傾角關系 的散點圖。
[0045] 圖4為柱狀節(jié)理巖體滲透各項異性評估方法中步驟（4)所得的滲透率與柱體傾角 的擬合曲線。
[0046] 圖5為柱狀節(jié)理巖體滲透各項異性評估方法中步驟（5)所得的滲透率各向異性與 傾角關系曲線。
【具體實施方式】
[0047] 下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步說明。
[0048] 本發(fā)明提出一種利用柱狀節(jié)理巖體滲透張量的測試方法，基于張量不變性理論， 通過制作并測量不同柱體傾角相似材料滲透率，算得柱狀節(jié)理巖體的滲透張量和滲透張量 主值及主方向。如圖1所示，該測試方法包括以下步驟：
[0049] 步驟1 :模擬待測的實際柱狀節(jié)理巖體，制備不同柱體傾角的相似材料。
[0050] 具體的，基于相似關系模擬實際柱狀節(jié)理巖體，根據(jù)其巖體成分及空間形態(tài)，確定 所制備的模擬柱體的原料、大小及形狀；根據(jù)所制備柱體的大小及形狀選用相應的模具； 將制備柱體的原料混合攪拌后倒入模具中，直至模具全部凹槽注滿后將模具晾曬，拆卸，得 到足夠數(shù)量的柱體；將柱體粘結成柱狀節(jié)理模型，處理形成不同柱體傾角的柱狀節(jié)理巖體 相似材料。
[0051] 步驟2 :測量步驟1制得的相似材料的滲透率。
[0052] 具體的，先分別測量每個相似材料的直徑和高度并記錄，然后將相似材料包裹緊 密，保證氣體能夠從相似材料的下端面進入、上端面流出；將包裹后的相似材料裝入氣體滲 透率測試裝置，記錄滲透入相似材料內的氣體量；根據(jù)步驟21中測得的相似材料的直徑、 高度以及步驟22中測得的滲入氣體量計算其滲透率。
[0053] 步驟3 :基于張量不變性原理，測算柱狀節(jié)理巖體的滲透張量主值及主方向。
[0054] 具體的，將測得的柱體傾角為0°、45°、90°的相似材料的滲透率分別記做Kxx， Kxy，Kyy，算得柱狀節(jié)理巖體的二維滲透率張量是
，因滲透張量的對稱性Kxy =Kyx，以張量不變性為理論基礎計算柱狀節(jié)理巖體的滲透張量主值及主方向，具體方法如 下：
[0055] 以Kxx方向為X軸，以Kyy方向為y軸建立坐標系，由張量坐標系統(tǒng)的變換法則知，通 過旋轉坐標軸必能找到一個坐標系其坐標軸方向是柱狀節(jié)理巖體滲透張量的滲透主方向， 旋轉坐標軸x〇y，假設將坐標系x〇y繞原點旋轉α度可以得到坐標軸方向是滲透主方向的 新坐標系wor，其沿w軸方向的滲透率Kww和沿r軸方向的滲透率Κ"是主滲透率，則Κ" = 0。其中，K胃即為最大滲透系數(shù)K_，K"為最小主滲透系數(shù)K_
[0056] 根據(jù)平面坐標點旋轉計算公式：
[0057] Ax=x+ (ax-χ)cosα- (ay-y)sinα (1)
[0058] Ay=y+ (ax_x) sin α - (ay-y) cos α (2)
[0059] 式中：如圖2所示，（ax，ay)是平面任意一點A的坐標，α是A按旋轉中心點（x， y)旋轉的角度，（Ax，Ay)是A旋轉后得到A'點的坐標。
[0060] 若A點