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图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
毛昶熙主编《堤防工程手册》所给经验值：表 1 各种土的渗透系数经验值土质类别 K(cm/s) 土质类别 K(cm/s) 粗砾 1~0.5 黄土（砂质） 1e-3~1e-4 砂质砾 0.1~0.01 黄土（泥质） 1e-5~1e-6 粗砂 5e-2~1e-2 黏壤土 1e-4~1e-6 细砂 5e-3~1e-3 淤泥土 1e-6~1e-7 黏质砂 2e-3~1e-4 黏土 1e-6~1e-8 沙壤土 1e-3~1e-4 均匀肥黏土 1e-8~1e-10表2 岩石和岩体的渗透系数岩块 K （实验室测定，cm/s ） 岩体 K （现场测定，cm/s ） 砂岩（白垩复理层）1e-8~1e-10 脉状混合岩 3.3e-3粉岩（白垩复理层） 1e-8~1e-9 绿泥石化脉状页岩 0.7e-2 花岗岩 2e-10~5e-11 片麻岩 1.2e-3~1.9e-3板岩 1.6e-10~7e-11 伟晶花岗岩 0.6e-3 角砾岩 4.6e-10 褐煤层 1.7e-2~2.39e-2方解岩 9.3e-8~7e-10 砂岩 1e-2 灰岩 1.2e-7~7e-10 泥岩 1e-4 白云岩 1.2e-8~4.6e-9 鳞状片岩 1e-2~1e-4砂岩 1.2e-5~1.6e-7 1个吕荣单位裂隙宽度0.1mm 间距1m 和不透水岩块的岩体0.8e-4砂泥岩 2e-6~6e-7 细粒砂岩 2e-7蚀变花岗岩 0.6e-5~1.5e-5岩土类别 渗透系数K （cm/s ） 孔隙率n 给水度 资料来源 砾 240 0.371 0.354 瑞士工学研究所粗砾 160 0.431 0.338 砂砾 0.76 0.327 0.251 砂砾 0.17 0.265 0.182 砂砾 7.2e-2 0.335 0.161 中粗砂 4.8e-2 0.394 0.18 含黏土的砂 1.1e-4 0.397 0.0052 含黏土1%的砂砾 2.3e-5 0.394 0.0036 含黏土16%的砂2.5e-60.3420.0021。
煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析孟召平;张娟;师修昌;田永东;李超【摘要】煤矿采空区岩体渗透性是煤矿采空区煤层气抽采设计的基本参数.从煤矿采空区岩体变形-破坏特征分析入手,通过理论分析研究了岩体渗透性与应力之间的耦合关系和模型,揭示了采空区岩体应力-应变和渗透性分布规律.研究结果表明:不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,采空区岩体渗透性决定于岩体破坏程度和断裂的张开度,基于采空区岩体应力-应变导致断裂开度变化,推导了采空区岩体渗透系数与应力之间的三维关系与模型;应用FLAC3D计算软件,对采空区岩体应力-应变-渗透性进行了数值模拟计算,分析了采空区岩体的变形破坏的分区分带特征,在纵向上自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带;在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、卸载应力区和岩体应力恢复区;揭示了采空区岩体渗透性分布与采空区岩体应力-应变和破坏规律相一致的特征.无论是垂直渗透系数比(Kz/Kz0),还是水平渗透系数比(Ky／Ky0),均随着距开采煤层垂直距离的增大,采空区岩体渗透性逐渐减小,且采空区边缘的渗透系数较大,采空区两侧煤柱区岩体渗透性显著降低.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2016(041)008【总页数】9页(P1997-2005)【关键词】煤矿采空区;应力-应变;破坏特征;渗透性【作者】孟召平;张娟;师修昌;田永东;李超【作者单位】中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌443002;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006【正文语种】中文【中图分类】P618.11随着煤层气勘探工作的不断深入，为保证煤层气勘探开发的持续性发展，抽采煤矿采空区煤层气，已成为煤矿区煤层气的重要资源之一。
附录A 地下水类型与岩土体渗透等级划分A.0.1地下水类型宜按表A.0.1划分。
表A.0.1 地下水类型A.0.2岩土体渗透等级宜按表A.0.2-1和A.0.2-2划分。
表A.0.2-1 岩体渗透性等级附录B 坡地地形的阻力系数B.0.1未设置截水帷幕时，坡地地形不同分段的阻力系数可按式（B.0.1-1）～（B.0.1-4）计算（图B.0.1所示）。
渗流进口与出口分段：441.0)(5.15.10+=TSξ（B.0.1-1）内部垂直分段：)]}1(4[ln{2TSctg y -=ππξ（B.0.1-2）内部水平分段：TS S L x )(7.021+-=ξ，若x ξ＜0，x ξ取0（B.0.1-3）内部倾斜分段：1212221121ln))((35.0T T T T T S T S T T L S -++-=ξ（B.0.1-4）c) 内部水平段d) 内部倾斜段图B.0.1 不同渗流分段B.0.2 当含有多层土时，土层的计算总厚度T 应按式（B.0.2）计算。
⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫==∑=''1T k k T T T j j nj j （B.0.2） 式中：T ——土层的计算总厚度；T j ——第j 层土的计算厚度； T’——结构物底板所在土层的厚度； k j ——第j 层土的渗透系数；k’——结构物底板所在土层的渗透系数； j ——土体层数，j=1,2,…,n 。
B.0.3当截水帷幕未进入相对弱透水层时，各分段的阻力系数按B.0.1条计算确定；当截水帷幕进入相对弱透水层，宜进行渗流分析；也可按B.0.4条计算截水帷幕段的等效渗透系数ξ0，以ξ0替换进、出口段的阻力系数，其余内部水平段、内部垂直段及内部倾斜段的阻力系数按B.0.1条计算。
B.0.4 当截水帷幕进入相对弱透水层时（图B.0.4-1所示），其渗流进、出口段的阻力系数ξ0可按式（B.0.4-1）～（B.0.4-2）计算。
'20K K=ξ（B.0.4-1） 其中K 、K’为完全椭圆积分，'/K K 值可按表B.0.4查得，也可从图B.0.4-2中查得，λ按式（B.0.4-2）计算：)2sin(TS πλ=（B.0.4-2）式中：S ——止水帷幕进入不透水层的深度(m)；T ——不透水土层的厚度(m)。
岩体渗透结构类型及其渗透特征李清波闫长斌（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450001）摘要分析了控制岩体渗透特征的主要因素，提出了岩体渗透结构类型的划分原则以及不同渗透结构的宏观渗透特征，并给出了工程实例，对水库渗漏问题评价及防渗、排水工程设计具有重要意义。
关键词裂隙岩体；渗透结构类型；渗透特征；防渗排水1 引言在水利水电工程建设中，经常遇到与岩体渗流相关的水文地质问题。
由于岩体中通常发育有裂隙或溶蚀管道，受裂隙、溶蚀管道分布的方向性和不均匀性控制，地下水在岩体中的渗流状态远较在土体中复杂，一般具有明显的各向异性和不均一性。
如对其认识不足，则可能导致防渗、排水工程的低效甚至失误。
国内外学者在裂隙岩体的渗透特性研究方面取得的成果[1]~[5]表明，岩性、断裂构造、风化卸荷作用及岩溶作用是控制岩体渗透结构及其宏观渗透特征的主要因素。
谷徳振先生[7]以地质体结构为基础，将岩体划分为不透水体、统一含水体、层状含水体、脉状含水体、管道含水体等水文地质结构类型。
孙广忠先生[8]提出了以透水体（层）和隔水体（层）为基本单元划分岩体水力学结构的概念，将透水体划分为孔隙透水体（层）、裂隙透水体（层）和管道透水体三种类型，将隔水体划分为块状隔水体、夹层或带状隔水体、层状隔水体三种类型。
万力[1]等研究了砂泥岩互层裂隙地层的渗透性特征，指出砂泥岩互层地层具有层状、带状和壳状三种渗透结构。
周志芳 [2]等则提出了块状岩体的水文地质结构类型划分意见。
本文在上述研究的基础上，系统地提出了岩体渗透结构类型的划分原则及各类渗透结构所具有的宏观渗透特征，对水库渗漏问题评价及防渗、排水工程设计具有重要意义。
2 控制岩体渗透特征的主要因素一般情况下，完整岩块的渗透性很小，多在10-7～10-6cm/s以下。
相比之下，岩体的渗透性比岩块大得多，二者相差可达几个数量级。
导致这种差异的主要原因，在于岩体中除包含各种尺度的岩块外，还发育有不同成因类型的裂隙或溶蚀管道（灰岩中）。
岩体渗透结构类型及其渗透特征李清波闫长斌（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450001）摘要分析了控制岩体渗透特征的主要因素，提出了岩体渗透结构类型的划分原则以及不同渗透结构的宏观渗透特征，并给出了工程实例，对水库渗漏问题评价及防渗、排水工程设计具有重要意义。
关键词裂隙岩体；渗透结构类型；渗透特征；防渗排水1 引言在水利水电工程建设中，经常遇到与岩体渗流相关的水文地质问题。
由于岩体中通常发育有裂隙或溶蚀管道，受裂隙、溶蚀管道分布的方向性和不均匀性控制，地下水在岩体中的渗流状态远较在土体中复杂，一般具有明显的各向异性和不均一性。
如对其认识不足，则可能导致防渗、排水工程的低效甚至失误。
国内外学者在裂隙岩体的渗透特性研究方面取得的成果[1]~[5]表明，岩性、断裂构造、风化卸荷作用及岩溶作用是控制岩体渗透结构及其宏观渗透特征的主要因素。
谷徳振先生[7]以地质体结构为基础，将岩体划分为不透水体、统一含水体、层状含水体、脉状含水体、管道含水体等水文地质结构类型。
孙广忠先生[8]提出了以透水体（层）和隔水体（层）为基本单元划分岩体水力学结构的概念，将透水体划分为孔隙透水体（层）、裂隙透水体（层）和管道透水体三种类型，将隔水体划分为块状隔水体、夹层或带状隔水体、层状隔水体三种类型。
万力[1]等研究了砂泥岩互层裂隙地层的渗透性特征，指出砂泥岩互层地层具有层状、带状和壳状三种渗透结构。
周志芳 [2]等则提出了块状岩体的水文地质结构类型划分意见。
本文在上述研究的基础上，系统地提出了岩体渗透结构类型的划分原则及各类渗透结构所具有的宏观渗透特征，对水库渗漏问题评价及防渗、排水工程设计具有重要意义。
2 控制岩体渗透特征的主要因素一般情况下，完整岩块的渗透性很小，多在10-7～10-6cm/s以下。
相比之下，岩体的渗透性比岩块大得多，二者相差可达几个数量级。
导致这种差异的主要原因，在于岩体中除包含各种尺度的岩块外，还发育有不同成因类型的裂隙或溶蚀管道（灰岩中）。
总体上看，岩体的渗透性大小及宏观渗透特征主要受岩性、断裂构造、风化卸荷作用及岩溶作用等因素控制。
岩性对岩体渗透性的影响非常明显。
在裂隙岩体中，裂隙是地下水渗流的唯一通道，而裂隙的发育规律则严格受岩性控制。
大量调查统计结果表明，脆性岩（如砂岩、石英岩等）中裂隙的发育程度一般远大于塑性岩（如粘土岩、页岩等）中裂隙的发育程度。
相应地，脆性岩的渗透性一般也远大于塑性岩，构成透（含）水层（体），塑性岩则多构成相对隔水层（体）。
断裂构造是影响裂隙发育的重要因素。
一般说来，在断裂两侧常发育有裂隙密集带，从而使断裂影响区内的岩体在平面和剖面上均表现为一个渗透性相对较强的带状区域。
另一方面，较大规模的断裂带内多发育有低渗透性的断层泥等物质，从而使断裂带在横向上往往具有一定的阻（隔）水性。
风化卸荷作用对岩体渗透性也有比较明显的影响。
对花岗岩等侵入岩体而言，其全强风化带通常类似于各向同性的孔隙介质，弱、微风化带岩体的渗透性则有不同程度的增强；对脆性沉积岩及火山岩而言，其风化卸荷带内岩体的渗透性一般会有明显增加。
岩溶发育程度对灰岩等可溶岩类的渗透特征具有突出的控制作用。
岩溶不发育的灰岩，其渗透特征与一般裂隙岩体相同；仅发育溶蚀裂隙的灰岩，其渗透特征仍与一般裂隙岩体类似，地下水运动以层流为主，但透水性和富水性有所增大；发育有溶蚀管道的灰岩，透水性和富水性强，地下水运动状态复杂。
需要指出的是，到目前为止，人们在大多数实际工程中仍习惯于把裂隙岩体视为各向同性的孔隙介质来处理，并通常采用常规的垂直钻孔压水试验获取岩体的透水性指标，进而评价岩体的渗透特性以及库水渗漏问题。
事实上，对高倾角裂隙发育的岩体来说，由于垂直钻孔揭露高倾角裂隙的几率较小，岩体透水性试验结果往往比实际情况明显偏低。
小浪底工程对比试验表明，采用水平钻孔压水试验获取的高倾角裂隙岩体的透水性指标一般要比垂直钻孔压水试验所得指标高出2～5倍。
工作中如对此认识不足，可能导致较大失误。
3 岩体渗透结构类型及其渗透特征所谓岩体渗透结构，是指透（含）水层（体）和相对隔水层（体）的空间分布及组合规律。
合理划分岩体渗透结构类型，有助于从宏观上把握岩体的渗透特征，为岩体渗流计算及防渗、排水工程设计提供科学依据。
岩体渗透结构一般可划分为5类，即散体状渗透结构、层状渗透结构、带状渗透结构、网络状渗透结构、管道状渗透结构。
3.1 散体状渗透结构散体状渗透结构主要由侵入岩类全强风化带岩体构成。
其渗透介质类型以孔隙介质为主，具均质各向同性渗透特征，透水性一般相对较强。
3.2 层状渗透结构层状渗透结构主要由透水层与相对隔水层互层的缓倾岩层、平缓的多层结构的喷出岩以及平缓的断层破碎岩等构成。
其渗透介质类型以裂隙介质为主，地下水主要赋存、运移于各透水层中，其补、径、排严格受透水层上下的相对隔水层控制，常具多层水位。
宏观上看，顺层方向渗透性远大于垂层方向渗透性，具有明显的各向异性渗透特征。
3.3 带状渗透结构带状渗透结构主要由产状较陡的断层破碎带、裂隙密集带、岩脉裂隙带以及透水层与相对隔水层互层的陡倾岩层、河谷岸边强卸荷带等构成。
其渗透介质类型以裂隙介质为主，透水性一般较强，多与层状、网络状等渗透结构相通，构成地下水集中渗漏通道，亦可构成不同透水层地下水间的水力联系通道。
宏观上看，顺带方向渗透性明显大于垂带方向渗透性，具有明显的各向异性渗透特征。
3.4 网络状渗透结构网络状渗透结构主要由弱风化～新鲜的块状岩体及岩性单一、裂隙（包括溶蚀裂隙）较发育的沉积岩等构成。
其渗透介质类型为裂隙介质，透水性一般较差，地下水运动主要受裂隙网络发育特征及其渗透性控制，具有明显的非均质各向异性渗透特征。
赋存于同一岩层中的裂隙水不一定具有统一的地下水位。
3.5 管道状渗透结构管道状渗透结构主要由溶蚀洞穴、管道发育的灰岩构成。
其渗透介质类型主要为溶穴介质，常形成大水量集中渗漏通道。
地下水主要沿岩溶管道流动并以泉的方式排泄，分布不均一，动态变化大，流态较复杂。
需要强调的是，多数情况下工程区的岩体渗透结构类型不是单一的，而是多种渗透结构类型的叠加。
而不同类型渗透结构交叉叠加的部位，往往形成透水性较强的地下水集中渗漏通道，也是防渗、排水工程需要关注的重点。
此外，层状渗透结构中的透水岩层，局部而言亦具有网络状渗透结构的渗透特征。
4 工程实例4.1 实例1 小浪底坝址区岩体渗透结构类型划分4.1.1 基本地质条件坝址区出露地层主要为二叠系上统及三叠系下统，岩性为硅钙质砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质粘土岩互层。
砂岩为硬岩，性脆，裂隙发育，属透（含）水层；泥质粉砂岩与粘土岩为软岩，裂隙不发育，属相对隔水层。
坝址区岩层产状平缓，倾向北东（下游方向），倾角8°～12°。
出露的断层主要有规模较大的F1、F28、F461以及F236、F238等，均为陡倾角。
F1分布在右岸河床部位，走向与黄河近平行；F28沿左岸风雨沟展布，走向为30°～60°；F461分布在左岸小南庄一带，走向290°～310°； F236、F238穿过左岸洞群区呈近东西向展布，贯穿水库上下游。
坝址区砂岩中发育有3～4组陡倾角裂隙，泥质粉砂岩与粘土岩中裂隙不发育。
风化卸荷带内的裂隙张开宽度相对较大。
4.1.2 渗透结构类型划分通过对小浪底坝址区基本地质条件的分析，可以确定其渗透结构类型主要表现为层状及带状（图1）。
水库蓄水后，库水将主要沿分布于不同高程的透水砂岩层及贯穿水库上下游的断层破碎带向下游渗漏。
考虑防渗、排水工程处理措施时，应对主要透水砂岩层以及透水砂岩层与断层破碎带交叉部位岩体予以重点关注。
4.2 实例2 三峡坝址区岩体渗透结构类型4.1.1 基本地质条件三峡工程坝址区出露的主要岩石为闪云斜长花岗岩，并有多期酸—基性岩脉侵入。
岩体表部存在较厚的风化壳，可划分为全、强、弱、微四个风化带。
全风化带以疏松但略具联结力的碎屑状岩石为主，强风化带由疏松、半疏松状岩石夹坚硬、半坚硬状岩石组成，弱风化带为坚硬、半坚硬状岩石为主，微风化带岩石风化轻微。
坝址区发育有北北西、北北东向等四组断层，均以陡倾角为主。
相对发育的四组裂隙大部分为陡倾角，少部分为中等倾角及缓倾角。
岩脉与围岩多呈断层或裂隙接触。
4.1.2 渗透结构类型划分通过对三峡坝址区基本地质条件的分析，可以确定其渗透结构类型主要表现为散体状（全强风化岩体）、网络状（裂隙岩体）及带状（断层及岩脉）3种（图2）。
其中带状渗透结构可构成渗流场的主干网络，对地下水起着类似于集水、输水廊道的作用，在防渗排水工程设计时需予以注意。
（据周志芳修改）5 结论（1）岩性、断裂构造、风化卸荷作用及岩溶作用是控制岩体渗透结构及其宏观渗透特征的主要因素。
（2）岩体渗透结构系指透（含）水层（体）和相对隔水层（体）的空间分布及组合规律。
岩体渗透结构类型一般可划分为散体状、层状、带状、网络状以及管道状5类。
（3）工程区的岩体渗透结构类型一般不是单一的，而是多种渗透结构类型的叠加。
不同类型渗透结构交叉叠加的部位，往往形成透水性较强的地下水集中渗漏通道，也是防渗、排水工程需要关注的重点。
（4）合理划分岩体渗透结构类型，有助于从宏观上把握岩体的渗透特征，为岩体渗流计算及防渗、排水工程设计提供科学依据。
参考文献：[1] 万力，李清波等.砂泥岩互层裂隙地层的渗透性特征[J].水利学报，1993，（9）.[2] 刘光尧.砂岩业页岩和泥岩的含水条件及含水层分类[J].水文地质工程地质，1990，（5）.[3] 周志芳，王锦国.裂隙介质水动力学[M].北京：中国水利水电出版社，2004.[4]Snow，D.T.Anisotropic permeability of fractured media[J].Water resources research,Vol.5,No6,1969.[5] Withspoon,P.A.New approaches of problems of fluid flow in fractured rock mass[J].Proc.22nd U.S.Symp.Rock Mech.,1981.[6] Bear J，Tsang chin-Fu and Ghislain de Marsily.Flow and contaminant transport in fracturedrock[M].Academic Press,Inc. California,1993.[7] 谷德振.工程地质力学基础[M].北京：科学出版社，1978.[8] 孙广忠.地质工程理论与实践[M].北京：地震出版社，1996.Permeability CharacteristicsLI Qing-bo Yan Chang-bin（Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd，Henan Zhengzhou 450001）Abstract：Key factors that control permeability characteristics of rock mass are analyzed. Divided principles of rock mass permeability structure types and macroscopic permeability characteristics of different permeability structures are put forward. And engineering examples are present. It is most significant for seepage control and drainage design of water conservancy and hydropower engineering.Keywords：fractured rock masses；permeability structure types；permeability characteristic；seepage control and drainage1 IntroductionProblems of hydrogeologic related with rock mass seepage are met frequently in water conservancy and hydropower engineering construction. Crannies and karst passages are developed in rock mass commonly. Controlled by orientation and non-uniformity of crannies and karst passages distribution, seepage state of ground water in rock mass is far more complex than that in soil and takes on obvious anisotropy and non-uniformity generally. The seepage control and drainage engineering may be low efficiency, even be mistaken, without enough cognition。
