关于岩石渗透性介绍

[拼音]：yanshi shentouxing

[外文]：permeability of rocks

流体（通常指地下水和石油）在动力作用下在岩石中的流动称为岩石渗流，岩石被流体渗过的性能称为岩石的渗透性。

岩石渗流对岩石力学性质有重要的影响，它会改变岩石的受力情况，引起岩石变形、破裂、软化、泥化或溶蚀，从而危及岩体的稳定性。因此岩石渗透性是岩石力学的主要研究内容之一。

水在岩石中的渗流是一个很复杂的问题，至今还没完全研究清楚。工程上为了便于探讨，往往把水在岩石中的流动假定为同在其他边界条件下的流动一样，分为层流和非层流，并借用水力学和流体力学的原理和方法进行研究。在层流动动中，水头损失与流速呈线性关系，是1852年法国H.-P.-G.达西用砂土作实验得出的。实验用的砂土具有均匀分布的互相连通的孔隙，即所谓连续多孔介质。通过试验，得出被称为达西渗流定律的下述公式：

v =KJ

或 Q =KJA，式中v为渗透流速；K为比例常数，称为渗透系数；J为水力坡降，表示渗透水流沿流向每前进单位距离时的水头损失；Q为渗透流量；A为垂直于渗流方向的截面积。在层流运动中水流平稳，水质点的运动轨迹互相平行。

在非层流运动中，一般假定水头损失与流速呈非线性关系：

v =K┡J1/m，

式中K┡为非层流时的渗透系数；m为非线性指数，通常为1～2。在非层流运动中，水流不平稳，水质点的运动轨迹互相穿插。

地下水在岩石中的渗流大都以层流运动为主。只有当水力坡降很大，岩石中存在大裂隙，大空洞，水流湍急时，才出现非层流。

渗流水不是通过整个断面，而只通过岩石中的贯通的孔隙或裂隙流动，因此流动的实际平均速度大于达西定律所列的。但为方便起见，工程上仍按达西定律计算。

岩石不是连续多孔介质，它的渗透系数也不是常数， 因为受到渗透压力、 岩石中的应力状态、温度、 地下水的物理化学性质的影响。 为了便于计算，通常还是假定为常数。对于不包含裂隙的岩块，进行室内试验所得出的渗透系数见表1。

裂隙岩体的渗透性主要取决于裂隙的特性、分布和组合规律，而不取决于岩块本身。由于岩体中贯通性的裂隙组是各向异性的，所以它们的渗透性也是各向异性的。因此通过实验所得到的渗透系数与用达西渗流定律所得到的K有差别，前者称为当量渗透系数(Ke)，即把裂隙岩体当成连续多孔介质时得出的渗透系数。某些岩体的Ke见表2。

对于裂隙岩体的渗透性，从20世纪50年代以来就有多人进行理论研究和室内研究。这些研究大都是在假定岩体内各组裂隙呈规则分布，且其性状(走向、倾向、倾角)及裂隙的间距、 宽度为已知的条件下进行的。实际裂隙岩体的渗透性要复杂得多，裂隙的连通情况、粗糙程度、充填物的性质尤难掌握。要了解岩体裂隙的综合效应，宜在野外进行渗透试验。

岩体的野外渗透试验有多种方法，常用的是压水试验和抽水试验。压水试验是在钻孔中安放止水栓塞，将试验段与其他部分隔开，然后向试段压水，迫使水流进入岩体，试验结果常用单位吸水量ω表示：

，

式中Q为压入流量（升／分）；S为压水时试验段所受的压力水头（米）；L为试验段长度（米）。一般认为，如果坝基岩体的ω≥0.01～0.05升／（分·米2），就需要进行防渗处理。

压水试验结果常用吕荣做单位。M.吕荣1933年规定试验所用压力为10千克力／厘米2（1千克力=9.80665牛顿）。一个吕荣单位等于在规定压力下，每米试段岩体所吸收的水量为每分钟一升。 如果岩体的吸水量小于1吕荣，实际上可认为是不透水的，可不进行防渗处理。岩体的渗透系数可通过ω或吕荣单位估算。

抽水试验是从钻孔中抽水，使地下水位在钻孔周围发生不同程度的降落，降落后的水位轨迹有如一个漏斗，称降落漏斗。在钻孔中水位降深S和抽水量Q稳定以后，降落漏斗的轮廓也就大体稳定。如图所示，H为含水层厚度；S为抽水孔水面降深；l为钻孔进水段长度；r为抽水孔半径；r1、r2为观测孔至抽水孔距离;S1、S2为观测孔水面降深。在钻孔周围打观测孔，就可以确定降落漏斗的边界，从而把漏斗的最大半径，即影响半径R确定下来。在Q、S和观测孔水面降深S1、S2和渗透系数之间有一定的函数关系，据此可算出岩体的渗透系数。

地下水的水位、流速、流向、流量、压力以及地下水的物理和化学性质等都对岩石的渗透性有作用；岩体结构、岩体应力、岩体中的微裂隙等因素也对岩石的渗透性有影响。因此，研究岩石的渗透性，应对上述各种因素进行观测、试验和研究。

为了防止由于岩石的渗透性造成地下水渗流所带来的危害（如增加对大坝的浮托力），应采用渗流控制措施。常用的方法是抽水、排水并对岩体进行灌浆处理（即用水泥或其他材料封堵岩体中的裂隙以降低其渗透性，或设置灌浆帷幕以延长渗透途径）。上述方法既可以单独使用，也可结合使用。

参考书目

1. 米勒主编，李世平等译：《岩石力学》，煤炭工业出版社，北京，1981。(L.Müller， ed.，Rock Mechanics)，Springer-Verlag，Wien，1974.)