王帅等：单轴压缩条件下裂隙粗糙度对渗透系数的影响 919· N Emptying Specimen holder P囹 Differential Fracture pressure sensor Pressure specimer sensor Entry close Exit close Collector Overflow valve 、Hydraulic Electronic pump scale A/D Schematic diagram of fracture flow system Specimen size:100mm×100mm×400mm Maximum flow pressure:I MPa Maximum flow velocity:20 L'min mpute 图7试验系统装置示意图 Fig.7 Schematic of the test system device 表2：无法向压力改变水压的试验方案 Table 2 Test scheme for changing hydraulic pressures without normal pressures Number Hydraulic pressure, Change value in fracture P/MPa aperture/mm 0.04 0.16 3 0.09 0.17 3 0.14 0.19 0.19 0.21 5 0.24 0.23 图8法向加载系统 6 0.29 0.24 Fig.8 Normal loading system 3试验结果及分析 3.1无法向压力下粗糙度对渗透系数的影响 在无法向压力的条件下，通过对粗糙度不同 的裂隙进行试验，得到了不同水压下粗糙度JRC 与渗透系数Ko的关系曲线，如图10所示，随着粗 糙度的增加，渗透系数逐渐减小，表明粗糙度越 大，渗透性能越小，主要是由于粗糙度的增加使得 图9模拟裂隙系统 裂隙面的起伏程度变复杂，凹凸数量变多，流体流 Fig.9 Simulated fracture system 经裂隙通道过程中会呈现出湍流或者涡流，通过 裂隙试样在没有法向压力作用下，密封胶板 裂隙面的流体受到的阻力增加，惯性效应增加，流 的压力和水压控制着裂隙宽度的变化，具体的变 动能量减小.如图11所示，流体在粗糙裂隙中的 化可以通过试验装置的位移监测系统测量得到， 自由流动会被凸起的高度阻断，从流动能量角度 如表2所示，裂隙宽度的变化量在0.16~0.24mm 分析，速度越大，压力越小，流体受到凸起高度的 之间.为了尽可能的仿真天然裂隙和避免打印精 影响会集中在a点到b点的区域，在这个区域，水 度的影响，选择了RC值大于10的裂隙模型进行 流处于加速和减压状态，使得流体的惯性作用增 了试验，根据表1所示，具体选取的值为10.8,12.8， 加.随着流体的流动，水流在b点的流速减小，压 14.5.16.7.18.7. 力增加，能量损失增加，在能量损失和压力增加的裂隙试样在没有法向压力作用下，密封胶板 的压力和水压控制着裂隙宽度的变化，具体的变 化可以通过试验装置的位移监测系统测量得到， 如表 2 所示，裂隙宽度的变化量在 0.16～0.24 mm 之间. 为了尽可能的仿真天然裂隙和避免打印精 度的影响，选择了 JRC 值大于 10 的裂隙模型进行 了试验，根据表 1 所示，具体选取的值为 10.8，12.8， 14.5，16.7，18.7. 3    试验结果及分析 3.1    无法向压力下粗糙度对渗透系数的影响 在无法向压力的条件下，通过对粗糙度不同 的裂隙进行试验，得到了不同水压下粗糙度 JRC 与渗透系数 K0 的关系曲线，如图 10 所示，随着粗 糙度的增加，渗透系数逐渐减小，表明粗糙度越 大，渗透性能越小，主要是由于粗糙度的增加使得 裂隙面的起伏程度变复杂，凹凸数量变多，流体流 经裂隙通道过程中会呈现出湍流或者涡流，通过 裂隙面的流体受到的阻力增加，惯性效应增加，流 动能量减小. 如图 11 所示，流体在粗糙裂隙中的 自由流动会被凸起的高度阻断，从流动能量角度 分析，速度越大，压力越小，流体受到凸起高度的 影响会集中在 a 点到 b 点的区域，在这个区域，水 流处于加速和减压状态，使得流体的惯性作用增 加. 随着流体的流动，水流在 b 点的流速减小，压 力增加，能量损失增加. 在能量损失和压力增加的 表 2    无法向压力改变水压的试验方案 Table 2    Test scheme for changing hydraulic pressures without normal pressures Number Hydraulic pressure, P/MPa Change value in fracture aperture/mm 1 0.04 0.16 2 0.09 0.17 3 0.14 0.19 4 0.19 0.21 5 0.24 0.23 6 0.29 0.24 Pressure sensor Overflow valve PS Entry close Emptying Differential pressure sensor Specimen holder Fracture specimen Exit close Collector Electronic scale Computer A/D Hydraulic pump Specimen size: 100 mm×100 mm×400 mm Schematic diagram of fracture flow system Maximum flow pressure: 1 MPa Maximum flow velocity: 20 L·min−l 图 7    试验系统装置示意图 Fig.7    Schematic of the test system device 图 8    法向加载系统 Fig.8    Normal loading system 图 9    模拟裂隙系统 Fig.9    Simulated fracture system 王    帅等： 单轴压缩条件下裂隙粗糙度对渗透系数的影响 · 919 ·