我国建设的大型水电站多数地处崇山峻岭中的深山峡谷地区，地形地质条件复杂，需要建设大量的深埋长、大引水隧洞.由于开挖的影响，隧洞围岩存在开挖损伤区(excavation damage zone，EDZ)，其中含有许多微观裂纹和宏观贯通裂隙，在高水压力的作用下引起隧洞突、涌水甚至失稳，已经成为这些工程亟待解决的关键技术问题.裂隙渗流规律是预测突水量的重要依据，而单裂隙渗流规律又是裂隙岩体渗流规律的基础[1].对单裂隙渗流特性的研究中，剪切作用对渗流影响的研究是目前国内外岩石渗流研究的热点之一.单一裂隙是构成裂隙网络的基本元素，因此，对该问题的研究主要是以平行板间的定常层流为基础，其中基于一维Navier-Stokes方程所得的立方定理应用最为广泛.Louis等[2-5]进行了仿天然裂隙试验研究，在此基础上对立方定理提出了修正；熊祥斌等[6-7]认为，反映剪切应力或者三维应力影响的试验研究需要加强；Iwai[8]通过试验发现裂隙面粗糙性对裂隙水流规律的影响主要与裂隙面面积接触率有关；王志良等[9]基于Boltzmann方法，通过数值计算，讨论了裂隙面粗糙度对渗流流态的影响；张帆等[10]对花岗岩的张拉裂隙与压剪裂隙的渗流特性进行了研究；胡大伟等[11]进行了峰后大理岩非线性渗流特征及机制研究；周创兵等[12]在较高围压条件下引入面积接触率修正法，以此来考虑与平行光滑板理论理想状态的偏差；孙海霞等[13]运用ABAQUS对基坑进行了地下水渗流与开挖的三维数值模拟分析；肖维民等[14]进行了高渗透水压下的直剪渗流试验研究；郭保华等[15]根据闭合裂隙的接触状态及流域分布特征，认为裂隙渗流可分为群岛流、过渡流、沟槽流3个阶段，并研究了单位水头流量、力学隙宽及法向应力之间的关系，且得出了应力历史对裂隙渗流特性有明显影响的结论；Javadi等[16]研究了剪切作用对临界雷诺数以及非线性流特征的影响，结合福希海莫定律与雷诺数，建立了一种非线性流的定量判据.
综上所述，现有研究虽然在裂隙渗流方面获得了丰富的成果，但对于大理岩剪切裂隙渗流特性的研究，以及高入渗水压裂隙渗流特性的研究还较少，本文采用自主研发的渗流试验机，利用径向渗流的试验方法，探究了大理岩剪切裂隙的渗流特性.
1 试样制备
试验所用的岩样为细晶大理岩试样，宏观均匀性好，经室内加工成φ50 mm×100 mm的标准试样.制备后所得的圆柱试样波速在2 460～2 750 m/s之间.
取部分标准大理岩圆柱试样进一步加工制备成含钻孔圆柱试样，如图1所示.加工过程选用孔径为4 mm的金刚石钻头在试样一侧中心位置钻取60 mm深钻孔.使用直角尺沿试样一端竖直方向用记号笔标记一条标记线，在后续开展渗流试验时，以便试样上下裂隙面对齐.
图1 含钻孔大理岩试样示意图
Fig.1 Schematic diagram of marble samples containing drill hole
2 试验方案
2.1 含钻孔圆柱试样的直剪试验
剪切试验在RMT-150C试验机上进行，试验选取含钻孔的大理岩圆柱试样，图2为直剪试验示意图.将含钻孔试样J1～J4置于剪切盒中，进行直剪试验.试验开始后，法向力按1 kN/s的速率加载至12 kN后保持恒定，以水平剪切位移控制模式施加剪切荷载，控制速率为0.002 mm/s，待剪切应力至应力峰值时终止试验.图3为试样剪切断面.
图2 大理岩直剪试验示意图
Fig.2 Schematic marble for direct shear test
图3 试样剪切断面
Fig.3 Shear section of sample
表1为试样J1～J4在直剪试验中法向应力与峰值剪切应力的值.法向应力σn和剪切应力τ可分别表示为
表1 法向应力与峰值剪切应力的关系
Tab.1 Relationship between normal stress and peak shear stress
试件法向力kN法向应力MPa峰值剪切力kN峰值剪应力MPaJ112.1606.44835.32018.730J212.1406.42541.05621.772J312.1206.39635.90018.945J412.1206.38540.28021.221
(1)
(2)
式中：N为法向力；Fs为试样受到的剪切力；A为试样沿剪切方向的有效剪切面积.
2.2 裂隙面形貌获取及分析
裂隙面扫描采用华朗三维公司生产的型号为HL-3DS+拍照式三维扫描系统完成.采用该设备获取裂隙面点云数据，将点云数据导入Geomagic Studio软件，封装合成网格曲面.最后删除岩石结构面以外的噪声数据，获得与裂隙面表面形态完全一致的重构数字图像，如图4所示.图4中从左至右分别为试样J1、J2、J3在12 kN法向压力下进行压剪试验形成的剪切断面形貌特征图.从图4中可以看出，J1、J2、J3裂隙面呈现出较为典型的低法向力下剪切破坏特征.J1、J2剪切面相对J3较为平整，J3剪切裂隙面局部呈现出张拉破坏的特征，存在较大范围的凸起与凹槽，这种局部张拉破坏的特性，可能对裂隙面的渗流特性产生一定的影响.
图4 相同法向力下剪切面形貌
Fig.4 Shear surface morphologies under same normal force
为了定量化表征结构面的形貌参数，借助于Matlab软件处理点云数据.将裂隙面点云数据导入Matlab软件得到裂隙面重构图像，并对点云数据进行中性面校准，图5为剪切裂隙面等值线云图.
图5 剪切裂隙面等值线云图
Fig.5 Contour map of shear fracture surface
计算三维粗糙度系数Z2s等裂隙面形貌参数，其表达式为
(3)
式中：Δx、Δy分别为x方向和y方向采样间隔；zi，j为采样点z方向坐标；Nx、Ny分别为x方向和y方向采样点个数.
通过Matlab软件计算得到的三维形貌参数如表2所示.由表2可以看出，在相同法向力约束下，剪切破坏得到的裂隙面，其粗糙度有一定差别.根据三维粗糙度系数Z2s可知，裂隙面J1、J2、J3的粗糙程度依次增大，谷峰差也依次增大.故Matlab计算结果与Geomagic Studio处理所得裂隙面重构图像所显示的宏观特征是吻合的，即裂隙面J1、J2、J3的粗糙程度依次增大.
表2 剪切裂隙面三维形貌参数
Tab.2 3D morphological parameters of shear fracture surface
试件Z2s裂隙面最大峰高/mm裂隙面最大谷深/mm裂隙面峰谷差/mmJ10.28931.7996-1.65133.4509J20.32023.9244-1.69095.6153J30.36724.0739-1.81855.8924J40.32332.8525-2.98015.8326
2.3 裂隙渗流试验
渗流试验是在中国科学院武汉岩土力学研究所自主研制的岩土介质温度
渗流应力化学耦合多功能试验仪进行的，该仪器可以进行温度应力渗流化学腐蚀(THMC)全耦合的岩石三轴流变试验，还可以进行THMC全耦合或局部耦合条件下的岩石常规三轴力学试验，是一种具有多种功能的试验系统，其高精度孔压伺服控制模块工作压力为0～60 MPa，控制方式包括：流量控制、阶梯压力控制、恒压控制.压力控制精度小于0.01 MPa，流量范围为0.01～60 mL/min.图6为裂隙渗流试验.
图6 裂隙渗流试验
Fig.6 Fracture seepage test
在试验开始前，将剪切试样的裂隙面沿标记线闭合，使用环氧树脂胶将试样带有注水通道的一侧与封水垫片粘结.图7为裂隙渗流试验示意图.试验开始时，对裂隙试样施加法向力，加载速率为1 kN/s，待法向力加载至预定值，开通补充水槽与水泵之间的水阀，对水泵注水，待水泵水量注满，关闭水泵与补充水槽之间的水阀.渗流开始时，打开水泵与岩样之间的水阀，开始进行裂隙渗流试验.
图7 裂隙面渗流试验示意图
Fig.7 Schematic diagram of fracture surface seepage test
3 裂隙面渗流特性分析
3.1 常法向力下裂隙面渗流特性
渗流试验中，对剪切试样J1、J2、J3施加12 kN常法向力，法向力加载至预定值后，开始进行裂隙渗流，渗流过程采用流量控制，流量从1 mL/min开始，逐次上升至25 mL/min，从而测得一系列流量下的水头压力.
图8为试件J1、J2、J3裂隙面在12 kN常法向力作用下，流量与入渗水压关系曲线图.由图8可以看出，试件J1、J2、J3的渗流曲线随流量的增大，水头压力基本呈线性增长，增长的速度逐次变快，渗流过程大致符合达西定律.J1、J2的渗流曲线比较接近，而J3的渗流曲线表现出相同流量下，水头压力明显高出J1、J2.这意味着在相同的水头压力下，J1、J2裂隙中的渗流过程较J3更容易进行.
图8 常法向力下裂隙面渗流特性曲线
Fig.8 Seepage characteristic curves of fracture surface under identical normal force
出现这种现象的原因主要有两点：1)结合图4与表2可以看出，J1、J2、J3粗糙度系数Z2s依次增大，说明裂隙的粗糙程度对渗流有一定影响，即裂隙面粗糙程度越大，对渗流的阻碍作用越大.2)图9为径向渗流示意图，黑色箭头代表渗流进行方向，由图9可以看出，J3裂隙面中出现的局部张拉破坏特征阻碍了径向渗流向某些方向的进行，从而产生了渗流优势通道，导致渗流过程主要在平行于突起与凹槽的方向发生，而垂直于凸起和凹槽的方向，渗流过程受到阻碍.由此可以推测，大理岩剪切过程中产生的局部张拉破坏特征会对渗流过程起到阻碍作用.这与文献[11]所认为的张拉裂隙面较为光滑，两侧在压力作用下能够紧密接触，导致其水力开度急剧减小的试验结果是一致的.
图9 径向渗流示意图
Fig.9 Schematic diagram of radial seepage
3.2 渗流过程中的雷诺数变化
雷诺数是反映流速、渗流通道形状、流体的黏性系数等参数关系的一个变量，在径向渗流试验中，其表达式为
Re=vD/μ
(4)
式中：Re为雷诺数；v为半径R处的水流速度；μ为流体的运动黏性系数；D为裂隙水力直径，即裂隙过流断面面积的四倍与周长之比.图10为径向渗流的雷诺数估算，其中，r0为裂隙面内孔半径，r1为裂隙面外侧半径.渗流试验中特征流速v沿过水断面的径向是变化的，所以在整个水流域内雷诺数并不唯一.取D为2倍裂隙张开度，则式(4)可改写为
图10 径向渗流的雷诺数估算
Fig.10 Reynolds number estimation for radial seepage
Re=Q/(πμR)
(5)
式中，Q为特征长度.试验在20 ℃环境下进行，黏性系数取1.006 7×10-6 m2/s.
对同一岩样裂隙，由于裂隙闭合原因或水头压力降低导致渗流速度变低，雷诺数也会随之降低.表3为渗流过程中内孔侧与外侧Re值.由表3可知，试验过程中内外侧最大雷诺数均远远小于100，裂隙渗流属于层流状态.
表3 渗流过程中内孔侧与外侧Re值
Tab.3 Re values measured at inner and outer holes in seepage process
流量/(mL·min-1)Re0Re110.26349280.02107930.79047840.06323751.31746400.105395102.63492800.210790123.16191360.252948153.95239200.316185
注：下标0为内孔侧；1为外侧.
3.3 不同法向力下裂隙面渗流特性
图11为试件J4在不同常法向力下的裂隙渗流特性曲线.试验开始对裂隙面加载法向力，升至12 kN后保持恒定，进行渗流试验，而后逐级增大法向力至24、36、48和60 kN测得各级法向应力下的渗流曲线.
图11 不同法向力下裂隙渗流特性曲线
Fig.11 Seepage characteristic curves of fracture under different normal forces
由图11可以看出，试件J4在不同法向应力条件下的渗流过程均显示出线性流特性，即随流量的增大，水头压力呈线性增长.在法向力为12、24和36 kN时的渗流曲线比较接近，法向力为48和60 kN时的渗流曲线比较接近.但法向力为36和48 kN的曲线中间存在较大的空白区域.法向力从36 kN加载至48 kN时，将试样所受法向力换算成应力，此时法向应力从14 MPa升至19 MPa，说明这个过程中上下裂隙面的接触形式发生了较为显著的变化，导致裂隙面内的渗流通道相较低法向力时发生了较大变化，许多渗流通道产生了闭合现象，在裂隙面的闭合过程中形成了大面积的死水区.渗流特性呈现出随流量的增大，水头压力增长趋势变快的现象.
4 结 论
采用自行设计的试验方法与试验装置对大理岩剪切裂隙渗流特性进行了研究，得到的主要结论如下：
1) 径向渗流试验中，当流量在0～15 mL/min范围内，渗流过程表现为线性达西流特征，即随流量的增大，水头压力呈线性增长；
2) 大理岩剪切过程中产生的局部张拉破坏特征对剪切裂隙的渗流起到阻碍作用；
3) 裂隙渗流过程中，法向力相较于裂隙面形貌特征对渗流的影响更为显著；
4) 法向应力从14 MPa升至19 MPa过程中，上下裂隙面的接触形式发生了变化，该过程中，部分渗流通道随法向力的增加出现了闭合现象，裂隙面形成了大面积的死水区.
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