Файл: Газиев Э.Г. Механика скальных пород в строительстве.pdf

где k — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом фильтрации;

U — гидравлический потенциал потока (напор).

Учитывая, что скальный массив может обладать ани­ зотропией водопроницаемости, т. е. иметь различную ве­ личину коэффициента фильтрации в разных направлени­ ях, можно в общем виде записать:

Для коэффициента фильтрации трещиноватой скаль­ ной среды с параллельными трещинами шириной е и расстоянием / между ними Ж . Серафим и А. Дель Кампо получили следующую зависимость:

которая при фильтрации только по одной трещине с по­

Все это справедливо лишь в пределах применимости за­ кона Дарси. При очень высоких гидравлических гради­ ентах или при больших раскрытиях трещин в скальной породе ламинарный характер фильтрующегося потока нарушается. Применение закона Дарси, вероятно, не всегда может быть правомерным и для скальных пород с весьма малой водопроницаемостью. Силы поверхност­ ного натяжения воды и имеющиеся пузырьки газа могут весьма затруднить фильтрацию или даже воспрепятст­ вовать ей в некоторых областях [72]. Однако А. Ниссен [72] получил подтверждение закона Дарси для неболь­ ших образцов известняка и песчаника с очень низкой во­ допроницаемостью. Ж . Серафим [72] установил, что закон Дарси подтверждается при фильтрации воды че­ рез цементный камень с коэффициентом фильтрации по­ рядка Ю - 1 0 см/сек при градиентах порядка единицы.

72

Водопроницаемость скальных пород может изменять­

ции порядка Ю - 1 0 см/сек, в то время как пористые песча­ ники или трещиноватые сланцы могут иметь коэффици­ енты фильтрации более 10_ 3 см/сек.

к, сн/сек10''

2* Г

h, см/сек

В табл. 3 приведены коэффициенты фильтрации раз­ личных скальных пород, полученные рядом исследовате­ лей в результате лабораторных и полевых испытаний.

Следует, однако, учесть, что коэффициент фильтра­ ции скальных массивов весьма сильно зависит от их на­ пряженного состояния. Это явление было детально ис­ следовано П. Лондом и Ф. Сабарли [54].

На рис. 40 представлен график изменения коэффици­ ента фильтрации различных скальных пород при изме­ нении приложенной к образцу нагрузки. Фильтрация во-

73

ды осуществлялась через стенки полого цилиндрическо­ го скального образца под действием гидравлического градиента, создававшегося разностью внешнего и внут­ реннего давлений воды. Эта же разность давлений соз­ давала поле напряжений в стенке образца. При боль­ шом внешнем давлении кольцевая стенка цилиндра об­

было определить водопроницаемость скальных образцов при различных напряжениях — как сжимающих, так и растягивающих.

Очевидно, что снижение водопроницаемости скально­ го материала происходит вследствие смыкания трещин при увеличении сжимающих напряжений (участок кри­ вой OA на рис. 34), и несомненно, что между кривой де­ формации скального массива под нагрузкой и кривой снижения коэффициента фильтрации существует прямая связь.

Согласно зависимости (106), можно записать

а в процессе возрастания сжимающих напряжений из­

Отсюда следует, что изменение величины коэффици­ ента фильтрации связано с изменением функции Г | ( а ) , обусловливающей также нелинейный характер дефор­ маций в связи с увеличением (или уменьшением) пло­ щади контактов в трещинах.

Аналогичное изменение величины коэффициента фильтрации с увеличением напряжений в скальном мас­ сиве наблюдается и при натурных исследованиях. На

75

рис. 41 представлены результаты полевых испытаний во­

76