柱状节理岩体渗透张量测试方法及各向异性定量评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种柱状节理岩体渗透张量测试方法及各向异性定量评估方法，具体 涉及一种基于张量不变性原理确定柱状节理岩体渗透张量及渗透张量的主渗透系数和主 方向的方法以及定量评估渗透各向异性的方法。
【背景技术】
[0002] 柱状节理是火山熔岩喷发溢流过程中由于冷却收缩形成的呈不规则或规则形态 的原生张性破裂构造，柱状节理多出现于玄武岩，在我国西南地区广泛分布，西南地区诸 多已建或在建大型水电站位于柱状节理玄武岩之上，柱状节理岩体作为一种特殊的结构岩 体，具有力学性质的各向异性，同时也具有渗透的各向异性，由于柱状节理岩体包含有多组 节理且柱体体积较大，按室内试验大小所取的天然岩样只含有一组或不包含节理，并不能 反映节理岩体渗流的各向异性，且柱状节理岩体几何性质的多变性，不同岩体节理差异较 大，取自部分岩体的天然岩样的试验结果不具有充分代表性，且缺乏有效的测量柱状节理 岩体渗透张量及渗透张量主值及主方向的方法，因此虽然柱状节理岩体的渗流性质对岩体 力学性质和工程安全有着显著影响，但关于柱状节理岩体的渗流性质所做的研究很少。
[0003] 邹丽芳等利用块组合体进行物模实验研究了柱状节理岩体的渗透性，但是没有考 虑柱状节理岩体渗透率的各向异性，且目前有关岩体渗透各向异性表征方法的研究很少， 有人通过将岩体渗透率的最大值和最小值之比来表示渗透各向异性，但是这个方法只能反 映最大值和最小值的比，并不能全面反映渗透的各向异性。
[0004] 因此，针对现有技术的缺点，如何有效的求取渗透张量及主方向并且测量柱状节 理岩体的渗透各向异性成为迫切需要解决的问题。
【发明内容】
[0005] 发明目的：本发明的第一目的是提供一种柱状节理岩体渗透张量的测试方法，本 发明的第二目的是提供一种柱状节理岩体渗透各向异性定量评估方法。
[0006] 技术方案：本发明所述的一种柱状节理岩体渗透张量的测试方法，包括如下步 骤：
[0007] 步骤1，模拟待测的实际柱状节理岩体，制备不同柱体倾角的相似材料；
[0008] 步骤2,测量步骤1制得的相似材料的渗透率；
[0009] 步骤3,根据步骤2测得的相似材料的渗透率得到柱状节理岩体的渗透张量[K]， 然后基于张量不变性理论得到渗透张量的最大主渗透系数K_、最小主渗透系数K_及主方 向a〇
[0010] 本发明通过模拟不同类型的实际柱状节理岩体制作与其相符的相似材料，测量不 同柱体倾角相似材料的渗透率，并基于张量不变性原理得到柱状节理岩体的渗透张量和渗 透张量的主渗透系数及主方向，解决了室内试验测量天然岩体渗透张量的尺寸问题以及由 天然岩体的差异性造成的试验结果离散性的问题。
[0011] 其中，步骤1制作的柱状节理岩体相似材料的倾角为0°、15°、30°、45°、60°、 75° 或 90°。
[0012] 上述步骤3中得到的柱状节理岩体的渗透张量[K]为：
[0014] 式中，Kxx，Kxy，Kyy分别为柱体倾角为0°、45°、90°的相似材料的渗透率。
[0015] 上述步骤3中基于张量不变性理论得到的主方向a为：
[0017] 上述步骤3中基于张量不变性理论得到的渗透张量最大主渗透系数K_和最小主 渗透系数Κ_为：
[0018] (1)当主方向ae[0, 90]U[180,270]时，
[0025] 上述步骤1中，制备相似材料的方法包括以下步骤：
[0026] 步骤11，基于相似关系模拟实际柱状节理岩体，根据其岩体成分及空间形态，确定 所制备的模拟柱体的原料、大小及形状；
[0027] 步骤12,根据所制备柱体的大小及形状选用相应的模具；
[0028] 步骤13,将制备柱体的原料混合搅拌后倒入模具中，直至模具全部凹槽注满后将 模具晾晒，拆卸，得到足够数量的柱体；
[0029] 步骤14,将柱体粘结成柱状节理模型，处理形成不同柱体倾角的柱状节理岩体相 似材料。
[0030] 上述步骤2中，测量相似材料的渗透率的方法包括以下步骤：
[0031] 步骤21，先分别测量每个相似材料的直径和高度并记录，然后将相似材料包裹紧 密，保证气体能够从相似材料的下端面进入、上端面流出；
[0032] 步骤22,将包裹后的相似材料装入气体渗透率测试装置，记录渗透入相似材料内 的气体量；
[0033] 步骤23,根据步骤21中测得的相似材料的直径、高度以及步骤22中测得的渗入气 体量计算其渗透率。
[0034] 本发明所述的一种柱状节理岩体渗透各向异性定量评估方法，包括如下步骤：
[0035] (1)模拟待测的实际柱状节理岩体，制备不同柱体倾角的相似材料；
[0036] (2)测量步骤（1)制得的相似材料的渗透率；
[0037] (3)根据步骤⑵测得的相似材料的渗透率，做出渗透率与倾角关系的散点图；
[0038] (4)以离散点为插值点利用插值法计算出离散点的插值函数，该插值函数为渗透 率与柱体倾角的关系；
[0039] (5)对插值函数求微分，算得插值函数的导函数并作出导函数的图形，该插值函数 的导函数为柱状节理岩体渗透率随柱体倾角变化的速率，即柱状节理岩体渗透各向异性与 柱体倾角的关系。
[0040] 本发明通过制备不同柱体倾角的相似材料，计算出各个角度的渗透率，从而得到 渗透率与柱体倾角的函数关系，通过该函数的导函数来表征渗透各向异性与柱体倾角的关 系，量化每个倾角的渗透各向异性大小，全面反映了柱状节理岩体渗透的各向异性。
[0041] 有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：（1)本发明通过模拟不同类型的 实际柱状节理岩体制作与其相符的相似材料，测量不同柱体倾角相似材料的渗透率，并基 于张量不变性原理得到柱状节理岩体的渗透张量和渗透张量的主渗透系数及主方向，并对 柱状节理岩体渗透各向异性定量评估，解决了室内试验测量天然岩体渗透张量的尺寸问题 以及由天然岩体的差异性造成的试验结果离散性的问题；(2)本发明开创了柱状节理岩体 渗透各向异性定量评估的新方法，通过本方法可以量化每个倾角的渗透各向异性大小，全 面反映柱状节理岩体渗透的各向异性，解决了现有技术中渗透各向异性表征的片面性；（3) 本发明的方法测量成本低，可操作性强，结果精确，适用范围广。
【附图说明】
[0042] 图1为本发明的柱状节理岩体渗透张量测试方法的流程图。
[0043] 图2为柱状节理岩体渗透张量测试方法中测算渗透张量主值及主方向时的坐标 轴变换图。
[0044] 图3为柱状节理岩体渗透各项异性评估方法中步骤（3)所得的渗透率与倾角关系 的散点图。
[0045] 图4为柱状节理岩体渗透各项异性评估方法中步骤（4)所得的渗透率与柱体倾角 的拟合曲线。
[0046] 图5为柱状节理岩体渗透各项异性评估方法中步骤（5)所得的渗透率各向异性与 倾角关系曲线。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0048] 本发明提出一种利用柱状节理岩体渗透张量的测试方法，基于张量不变性理论， 通过制作并测量不同柱体倾角相似材料渗透率，算得柱状节理岩体的渗透张量和渗透张量 主值及主方向。如图1所示，该测试方法包括以下步骤：
[0049] 步骤1 :模拟待测的实际柱状节理岩体，制备不同柱体倾角的相似材料。
[0050] 具体的，基于相似关系模拟实际柱状节理岩体，根据其岩体成分及空间形态，确定 所制备的模拟柱体的原料、大小及形状；根据所制备柱体的大小及形状选用相应的模具； 将制备柱体的原料混合搅拌后倒入模具中，直至模具全部凹槽注满后将模具晾晒，拆卸，得 到足够数量的柱体；将柱体粘结成柱状节理模型，处理形成不同柱体倾角的柱状节理岩体 相似材料。
[0051] 步骤2 :测量步骤1制得的相似材料的渗透率。
[0052] 具体的，先分别测量每个相似材料的直径和高度并记录，然后将相似材料包裹紧 密，保证气体能够从相似材料的下端面进入、上端面流出；将包裹后的相似材料装入气体渗 透率测试装置，记录渗透入相似材料内的气体量；根据步骤21中测得的相似材料的直径、 高度以及步骤22中测得的渗入气体量计算其渗透率。
[0053] 步骤3 :基于张量不变性原理，测算柱状节理岩体的渗透张量主值及主方向。
[0054] 具体的，将测得的柱体倾角为0°、45°、90°的相似材料的渗透率分别记做Kxx， Kxy，Kyy，算得柱状节理岩体的二维渗透率张量是
，因渗透张量的对称性Kxy =Kyx，以张量不变性为理论基础计算柱状节理岩体的渗透张量主值及主方向，具体方法如 下：
[0055] 以Kxx方向为X轴，以Kyy方向为y轴建立坐标系，由张量坐标系统的变换法则知，通 过旋转坐标轴必能找到一个坐标系其坐标轴方向是柱状节理岩体渗透张量的渗透主方向， 旋转坐标轴x〇y，假设将坐标系x〇y绕原点旋转α度可以得到坐标轴方向是渗透主方向的 新坐标系wor，其沿w轴方向的渗透率Kww和沿r轴方向的渗透率Κ"是主渗透率，则Κ" = 0。其中，K胃即为最大渗透系数K_，K"为最小主渗透系数K_
[0056] 根据平面坐标点旋转计算公式：
[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：如图2所示，（ax，ay)是平面任意一点A的坐标，α是A按旋转中心点（x， y)旋转的角度，（Ax，Ay)是A旋转后得到A'点的坐标。
[0060] 若A点