SV 冲击和振动 1875 - 9203 1070-9622 Hindawi 10.1155 / 2021/6661741 6661741 研究文章 六方柱状节理岩体渗流各向异性试验研究 https://orcid.org/0000-0002-4130-5367 他 Yanxin 1 2 朱 Zhende 1 2 https://orcid.org/0000-0003-2234-1589 鲁 Wenbin 1 2 田 元 1 2 谢 兴化 3. 王 该矿 1 4 张 Guangchao 1 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室 河海大学 南京210098 中国 hhu.edu.cn 2 江苏省岩土工程研究中心 河海大学 南京210098 中国 hhu.edu.cn 3. 南京水利科学研究院 南京210029 中国 nhri.cn. 4 地质与地球物理研究所 中国科学院 北京100029年 中国 cas.cn 2021 28 1 2021 2021 27 12 2020 15 1 2021 19 1 2021 28 1 2021 2021 版权所有©2021 yanxin he等。 这是一篇在知识共享署名许可下发布的开放存取的文章，它允许在任何媒体上无限制地使用、传播和复制，只要原始作品被适当地引用。

白鹤滩水电站坝区存在大量柱状节理岩体(玄武岩)，其渗流特性对工程的安全稳定具有重要影响。本研究制备了不同倾角(0°~ 90°)柱状节理岩体相似材料的模型试样，并进行了室内三轴渗流试验，研究柱状节理岩体在最大轴向主应力作用下的渗流特性。试验结果表明:柱状节理岩体相似材料模型试样具有明显的渗流各向异性;Forchheimer和Izbash方程较好地描述了非线性渗流特性，两方程的拟合系数具有较好的对应关系。不同倾角试样的固有渗透率与应力关系曲线为u型和l型，一元三次方程较好地描述了这种关系。45°角试样对最大主应力的敏感性最高，最终渗透率较初始渗透率提高144.25%。研究成果可为白鹤滩水电站的稳定性评价提供理论支持。

 国家自然科学基金项目 41831278 51579081 51709184 江苏省研究生科研与实践创新项目 2018年b661x14 江苏省自然科学基金 BK20161508 中央公共利益科学机构基础研究基金 Y118008 南京水利科学研究院 1.介绍

高温熔岩迅速冷却收缩，形成柱状节理岩体。它是一个不连续的、多相的、各向异性的地质体。这些类型的岩体在全球广泛分布。中国白鹤滩水电站坝基和地下厂房区暴露出大量密集发育的细长柱状节理岩体(图) 1)[ 1， 2］．

白鹤滩水电站坝址区柱状节理岩体。

目前对柱状节理岩体的研究主要集中在其力学性质和各向异性变形破坏方面[ 3.- - - - - - 6］．然而，大量实际工程项目表明，工程扰动引起的岩体损伤变形和渗流场变化是造成大规模工程失稳和工程地质灾害的主要原因[ 7， 8］．统计数据显示，超过90％的岩石斜率故障与地下水透气有关，60％的煤矿轴损坏与地下水有关，水利和水电项目的50％-40％的坝故障是由渗透引起的[ 9， 10］．因此，研究实用工程应用水利和水电项目压力下柱状关节岩体的渗流特性至关重要。

岩体渗流研究主要集中在单个节理面的渗流特性上。Louis等在光滑平行板裂隙渗流试验中验证了层流立方定律的适用性[ 11， 12］．然而，自然关节表面的结构几乎不符合平行板骨折的假设。因此，Neuzil等人。通过纳入相关的关节表面粗糙度的不同定义来提出修改的立方法[ 13- - - - - - 16］．但节理表面粗糙度在应力作用下的变化非常复杂，导致节理缝隙宽度变化范围较大，使节理渗流-应力耦合的理论计算复杂化[ 17- - - - - - 19］．因此，对岩样进行室内渗流-应力耦合试验，探讨应力作用下的渗流特性是可行和有效的。Liu等人利用室内渗透率测试研究了裂缝交叉点处流体的非线性流动特性;他们建立裂缝网络模型，模拟流体流动状态，分析等效水力缝宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响[ 20.];刘和李利用自行设计渗流电路分析了水渗透性与砂粒尺寸的关系[ 21];Xia等通过室内剪切渗流试验研究了不同粗糙度值的单节理面非线性渗流特性[ 22， 23];Liu等对裂隙砂岩进行常规室内三轴渗流试验，分析其渗透特性[ 24];Chao在柱状连接岩体的类似材料模型中进行了传统的三轴循环加载和卸载渗流测试，用惰性气体作为测量介质，以确定渗透率和限制压力之间的关系[ 25］．多节理岩体，特别是柱状节理岩体渗流特性的研究报道甚少。

天然柱状节理岩体有很大的柱。但室内试验受样本量的限制，天然岩心的磨矿不能反映实际的柱结构。因此，在室内试验中分析柱状节理岩体渗透特性最有效、最可靠的方法是对试样采用相似材料。在此基础上，根据天然柱状节理岩体尺寸和模型试验的相似原则，本研究采用普通硅酸盐水泥和河砂制作六棱柱状节理岩体，模拟天然柱状节理岩体，并采用与胶结材料牌号相同的白水泥制作六棱柱状节理岩体相似材料模型样品。采用真三轴电液伺服渗透试验机，以蒸馏水为测量介质，进行了渗流-应力耦合试验。在最大主应力作用下，测定了不同倾角试样的体积速度 σ1、不同的水压 σ年代(0.2 ~ 0.8 MPa)，并分析了不同倾角下柱状节理岩体渗透率和应力敏感性的变化。

 2.样品制备和测试设备 2．1．样品制备

相似材料模型的柱料采用普通硅酸盐水泥、河砂、质量比为1:0 .5:0.4的水作为柱料，确保试样的物理力学性能与天然岩石相似[ 26］．添加0.4%水泥质量的早强减水剂，保证了砂浆的和易性和粘结性，提高了初凝柱的强度。柱子之间的粘结材料由相同质量的普通白硅酸盐水泥与水1:1 .4的比例混合而成。

为确保柱样与白鹤滩水电站坝地天然柱状节理岩体相似，设计了一个边长15 mm，高度160 mm的正六边形棱柱。自行设计制造的气缸模具(图 2(一个))用于创建样本列。模具由几块树脂板组成。模具两侧用长螺栓固定，中间用卡箍固定，保证立柱凝固后容易组装脱模。

用于制作柱和标准固化箱的模具。

首先，将润滑油均匀地涂在模具表面。然后将水泥砂浆分层浇筑，不断振动模具，以减少气泡产生和砂浆在柱内沉降。然后将模具放入恒温箱中，24小时后取出模具。拆下的柱子(图 2(一个))置于标准恒温恒湿固化箱中(温度20±1℃;湿度95±1.5%，图 2 (b)) 28 d。随后，将柱与粘结材料粘接在一起，在固化箱中固化28 d。将粘结固化材料切割成柱倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的立方体柱状节理岩体，试件尺寸为100 × 100 × 100 mm，如图所示 3.．

不同倾角柱状节理岩体的相似材料样品。

 2．2.测试设备

试验设备为真三轴电液伺服试验机，用于确定岩石裂隙渗流(图) 4)．该试验机采用电液伺服阀闭环控制系统进行三轴加载下的渗透率测试。三个方向独立加载，满足岩石渗透特性(包括渗流变形和渗流破坏)的要求。

岩石裂隙渗流真三轴试验系统。

渗水称重系统是该设备的重要组成部分，模拟不同水压下岩石裂隙的渗流速度和水量。该系统由透水缸、伺服阀、压力表及接头、高精度电子天平、集水容器、水管等部件组成。伺服阀控制渗透水缸的压力，保证样品具有所需的渗透水压力。样品由置于上下透气板上的o形环包裹，并包裹在乳胶膜中(图) 5)，以确保渗流水只能通过岩体的裂缝而不横向流动。水通过岩石裂缝渗进较低的头部，并通过水管进入电子天平上的盛水容器。电子天平通过数据接口与计算机相连，自动收集数据。确定了岩样三轴应力与渗流压力、渗流速度和含水量的关系。

样品安装。

 2．3.试验方法和试验方案

实验室单相液体渗流试验的典型方法有恒水头法、变水头法、流量泵法、不稳定脉冲法[ 27］．在该测试中，我们使用了恒定的水头方法。在岩石样品的两端产生水压差，测定流动速度和离开岩石样品的流体体积。

试验前，将模型样品放入使用蒸馏水的真空饱和装置中(见图) 6)．将样品用乳胶薄膜包裹，装入试验机。在渗流试验中，假定流体是不可压缩的;测试在23°C的恒定温度下进行。在试验过程中，最大主应力 σ1适用于 Z-轴方向，中间主应力 σ2和最小主应力 σ3.横向应用(图 7)．加载方案如下:

采用三维主应力加载方式:力控加载。首先，将试件装入 F x =  F y =  F z= 1 kN。然后，压力 σ1 =  σ2 =  σ3.以30 kN/min的速度在三个方向施加= 1 MPa。 σ2和 σ3.保持在1mpa不变 σ1加载至6mpa，步长为1mpa。

渗流水压力加载方法:各阶段应力加载稳定后，渗流水压力 σ年代在0.2 MPa下施加，然后增加到0.8 MPa，步长为0.1 MPa。

真空饱和装置。

应力和液压加载示意图。

 3.测试结果及分析 3．1.用Forchheimer方程分析渗流特性 3.1.1。体积速度与压力梯度的关系

数字 8说明了体积速度之间的关系 问压力梯度 dP / dL最大主应力载荷下不同倾角的相似材料试样。

体积速度之间的关系 问以及具有不同倾角的样品的压力梯度DP / DL。(一)SS0°,(b)魔法石°,(c) SS30°,(d) SS45°,(e) SS60°,(f) SS75°,和(g) SS90°。

不同倾角试样的体积速度与压力梯度的关系存在显著差异。在 α= 0°-60°时，拟合曲线表现出非线性特征，且非线性程度不同。在相同应力下，流速随着压力梯度的增大而增大，说明试样渗透率增大。相比之下,在 α= 75°-90°时，观察到线性达西流动特性。

对于裂缝和多孔介质中的非线性流动关系，Forchheimer提出了一个从宏观角度描述非线性流动过程的零截距二次方程[ 28， 29]： (1） − ∇ p ＝ 一个 问 + b 问 2 ， （2） 一个 ＝ μ k 一个 ， b ＝ β ρ 一个 2 ， 在▽ p =  dP / dL是压差的比值吗 P进口和出口之间的长度 l的样本; 问为出口总体积速度; 一个和 b是模型配合系数，分别表示由线性术语和非线性术语在渗流试验中引起的水压降的比重。什么时候 b= 0时，Forchheimer函数退化为达西定律; μ为流体的动力黏度系数; k为岩石的固有渗透性; 一个为岩石的流动面积; β为非线性系数; ρ为流体的密度。

表格 1列出拟合系数 一个和 b，确定系数 R2，即固有磁导率的值 k，非线性系数 β由式( 2)．的 R2所有试验条件的值均大于0.98，表明实验值与模拟值吻合较好。因此，Forchheimer方程适用于描述柱状节理岩体相似材料试样的体积速度与压力梯度之间的关系。

非线性Forchheimer方程的拟合结果与的计算值 k和 β

样本数量 最大主应力 σ1(MPa) 拟合系数 一个(Pa·s·m−4×1014） 拟合系数 b(Pa·s2·米−7×1022） 确定系数 R 2 内在的渗透率 k(m2） 非线性系数 β(m−1）
SS0° 1 8.078  E−1 -1.361  E−02 0.9993 1.579 E−15 −6.765 E+ 12
2 8.821 E−1 -1.270  E−02 0.9985. 1.446 E−15 −6.312 E+ 12
3. 9.157 E−1 −1.049 E−02 0.9991. 1.393 E−15 −5.214 E+ 12
4 9.852 E−1 −1.543 E−02 0.9991. 1.294 E−15 -7.669.  E+ 12
5 9.792 E−1 -2.216  E−02 0.9989. 1.302 E−15 −1.101 E+ 13
6 8.043 E−1 −1.372 E−02 0.9976 1.585  E−15 −6.819 E+ 12
魔法石° 1 7.929 E−1 −1.533 E−02 0.9883 1.608  E−15 −7.619 E+ 12
2 9.268 E−1 −2.202 E−02 0.9877 1.376 E−15 −1.094 E+ 13
3. 8.912  E−1 −2.152 E−02 0.9933. 1.431 E−15 −1.070 E+ 13
4 8.455 E−1 −1.856 E−02 0.9940 1.508 E−15 −9.225 E+ 12
5 7.246 E−1 −1.476 E−02 0.9946 1.760 E−15 −7.336 E+ 12
6 4.928 E−1 −6.380 E−03 0.9935 2.588 E−15 −3.171 E+ 12
SS30° 1 8.718  E−1 −1.875 E−02 0.9982 1.463 E−15 -9.319.  E+ 12
2 1.024 E+ 00 −2.772 E−02 0.9990. 1.246 E−15 −1.378 E+ 13
3. 1.113 E+ 00 −3.456 E−02 0.9960 1.146  E−15 -1.718  E+ 13
4 1.027 E+ 00 −3.233 E−02 0.9963 1.242 E−15 -1.607  E+ 13
5 8.599 E−1 −2.280 E−02 0.9984. 1.483 E−15 −1.133 E+ 13
6 6.127 E−1 −1.117 E−02 0.9987 2.081 E−15 −5.552 E+ 12
SS45° 1 9.247 E−1 -2.320  E−02 0.9933. 1.379 E−15 −1.153 E+ 13
2 9.551 E−1 −2.243 E−02 0.9952 1.335 E−15 −1.115 E+ 13
3. 8.284 E−1 -1.956.  E−02 0.9973 1.539 E−15 −9.722 E+ 12
4 5.011 E−1 −5.140 E−03 0.9990. 2.545 E−15 −2.555 E+ 12
5 4.406 E−1 −3.710 E−03 0.9996. 2.894 E−15 -1.844.  E+ 12
6 3.786 E−1 −2.860 E−03 0.9983 3.368  E−15 −1.421 E+ 12
SS60° 1 8.4222 E−1 −1.8600 E−02 0.9965 1.514 E−15 −9.245 E+ 12
2 1.0840 E+ 00 −2.3160 E−02 0.9979 1.176 E−15 −1.151 E+ 13
3. 1.1346 E+ 00 -1.9720  E−02 0.9961 1.124 E−15 −9.801 E+ 12
4 1.0895 E+ 00 −2.1190 E−02 0.9963 1.170 E−15 -1.053  E+ 13
5 9.9456 E−1 −2.4650 E−02 0.9991. 1.282 E−15 −1.225 E+ 13
6 7.7904  E−1 −1.3570 E−02 0.9992 1.637 E−15 −6.745 E+ 12
SS75° 1 5.3832 E−1 1.9100 E−03 0.9867 2.369 E−15 9.493 E+ 11
2 6.5698  E−1 2.1100  E−03 0.9946 1.941 E−15 1.049 E+ 12
3. 7.7073 E−1 −1.0400 E−03 0.9950 1.655 E−15 −5.169 E+ 11
4 8.9612 E−1 −6.2300 E−03 0.9916. 1.423 E−15 −3.096 E+ 12
5 1.0872 E+ 00 −9.0500 E−03 0.9963 1.173 E−15 -4.498  E+ 12
6 1.4753 E+ 00 −2.6690 E−02 0.9935 8.643 E−16 −1.327 E+ 13
SS90° 1 5.4456 E−1 1.6000 E−03 0.9907 2.342 E−15 7.952 E+ 11
2 7.4407 E−1 −6.7000 E−03 0.9962 1.714 E−15 −3.330 E+ 12
3. 8.9512 E−1 -8.2300.  E−03 0.9975 1.425 E−15 −4.091 E+ 12
4 9.2963 E−1 −1.6400 E−03 0.9975 1.372 E−15 −8.151 E+ 11
5 1.1876 E+ 00 −2.8810 E−02 0.9779 1.074 E−15 −1.432 E+ 13
6 1.3268 E+ 00 −3.7120 E−02 0.9802 9.611 E−16 -1.845  E+ 13

表格 1表示线性项系数的变化趋势 一个在拟合方程中，不同倾角的试样随最大主应力的增大而变化 σ1是不同的。趋势如图所示 9．可以看出它在 α= 0°-60°，线性项系数 一个先增大后减小，在 α= 75°-90°，与线性项系数 一个单调增加。

线性系数之间的关系 一个以及不同倾角试样的应力。(一)SS0°,(b)魔法石°,(c) SS30°,(d) SS45°,(e) SS60°,(f) SS75°,和(g) SS90°。

数字 10显示非线性系数之间的关系 β和最大主应力 σ1适用于不同倾角的样品。可以看出，只有非线性系数 β应力初始加载时，倾角为75°和90°的试样的非线性系数为正 β其他样本的检测结果为阴性。这一现象在许多学者的渗流试验中也出现过;廖等人研究并讨论了负值的可能性和原因 β［ 27， 30.- - - - - - 32］．在本试验中，作者认为非线性系数为负值 β反映柱状关节岩体类似材料样品的试验属性。存在两个潜在原因：（1）多孔介质表面存在边界层。随着压力梯度增加，边界层的厚度减小，并且流体的横截面积和渗透率增加，导致负值 β．(2)试件柱间填充介质为白色水泥。随着压力梯度的增大，充填介质所能承受的最大应力超过，导致介质中新裂缝的形成或原裂缝的连接。介质的孔隙结构发生变化，孔隙度和渗透率增大，导致为负值 β．然而，需要深入的研究来揭示其潜在的机制。

非线性系数之间的关系 β和最大主应力 σ1．

 3.1.2。本征渗透率与最大主应力的关系

数字 11给出了不同倾角试样的本征渗透率与最大主应力的关系。柱状节理岩体试样表现出明显的渗流各向异性，天然渗透率之间的关系存在显著差异 k和最大主应力 σ1适用于不同倾角的样品。这种关系可以归纳为两种类型:I型曲线( α= 0°~ 60°)时，渗透率随最大主应力的增大先减小后增大，呈u型分布。将渗透率降低并开始增加时的应力定义为拐点应力，对于不同倾角的试样，拐点应力分别为5、3、4、3、4 MPa。在第二类曲线中( α= 75°~ 90°)时，本征渗透率随最大主应力的增大呈单调减小趋势，呈l型曲线。

本征磁导率之间的关系 k和最大主应力 σ1适用于不同倾角的样品。(一)SS0°,(b)魔法石°,(c) SS30°,(d) SS45°,(e) SS60°,(f) SS75°,和(g) SS90°。

根据渗透率-应力曲线的变化特征，尝试用一变量三次多项式函数拟合试验数据: （3） k ＝ 一个 + b σ 1 + c σ 1 2 + d σ 1 3. ， 在哪里 k是岩石的内在渗透性; σ1是最大的主要压力; a, b, c,和 d为拟合参数。的 R2所有拟合曲线均大于0.96，表明柱状节理岩体相似材料试样固有渗透率与最大主应力关系的三次多项式函数拟合良好。

此外，不同倾角试样的本征渗透率值也表现出明显的各向异性。初始渗透率 k年代，最小渗透率 k最小值，最大渗透率 k马克斯，最后的渗透率 k f图中绘制了不同倾角的样品 12．

的 k 年代， k最小值， k马克斯,和 k f具有不同倾角的样品。

倾角为75°时，最小渗透率相对于初始渗透率的最大降幅为63.51%，倾角为45°时，最小降幅为3.18%，相差20倍。45°角试样的最大渗透率较初始渗透率提高了144.25%。倾角为75°和90°的样品渗透率单调下降，最大渗透率与初始渗透率相同。0°和60°倾角试样的最大渗透率与初始渗透率基本相等。倾角为0°~ 60°时，渗透率分别比初始渗透率提高了0.43%、60.90%、42.28%、144.25%和8.11%;倾角为75°和90°时，渗透率分别降低了63.51%和58.96%。不同倾角试样渗透率对最大主应力的敏感性为 α= 45°> α= 75°> α= 15°> α= 90°> α= 30°> α = 60° >  α= 0°。

 ３．２．用伊兹巴什方程分析渗流特性

Izbash方程是一个幂函数，它也被广泛地用于表征流体的非线性渗流特性[ 33]： （4） − ∇ p ＝ λ 问 米 ， 在哪里 λ和 米经验系数。什么时候 米= 1时，伊兹巴什方程退化为线性达西定律。什么时候 米= 1-2，式( 4）表示由显着惯性效应引起的非线性渗流特性。价值观 米= 0-1常用于表征低渗透岩石介质中由显著的固液界面效应引起的非线性渗流。

Izbash方程用于拟合测试数据。拟合系数 λ和 米和 R2不同最大主应力的值列于表中 2．结果表明，Izbash方程适用于柱状节理岩体类似材料的非线性渗流特征描述。的 R2值都大于0.98。拟合系数的数量级 λ是1013-10年14，以及拟合系数的取值范围 米介于0.68和1.02之间。

Izabsh方程的拟合参数。

样本数量 最大主应力 σ1(MPa) 拟合系数 λ 拟合系数 米 确定系数 R 2
SS0° 1 9.326 E+ 13 0.85 0.9975
2 9.744 E+ 13 0.89 0.9992
3. 9.798 E+ 13 ０．９２ 0.9995.
4 1.072 E+ 14 0.89 0.9995.
5 1.140  E+ 14 0．82 0.9984.
6 9.529 E+ 13 0．84 0.9993
魔法石° 1 9.895 E+ 13 0．80 0.9892
2 1.142  E+ 14 ０．７９ 0.9898
3. 1.139 E+ 14 0.77 0.9914
4 1.067 E+ 14 0.78 0.9945
5 1.006 E+ 14 ０．７５ 0.9966
6 7.177 E+ 13 0.77 0.9988.
SS30° 1 1.043 E+ 14 0.81 0.9930.
2 1.229 E+ 14 0.78 0.9928
3. 1.353 E+ 14 ０．７６ 0.9888
4 1.395 E+ 14 0．69 0.9833
5 1.266 E+ 14 0.68 0.9847
6 9.560 E+ 13 0．71 0.9921.
SS45° 1 1.140  E+ 14 0.78 0.9864
2 1.117 E+ 14 0．82 0.9900.
3. 1.100  E+ 14 ０．７５ 0.9908.
4 6.255 E+ 13 0.85 0.9992
5 5.451 E+ 13 0.87 0.9993
6 4.901 E+ 13 0.86 0.9993
SS60° 1 1.069 E+ 14 0.78 0.9954
2 1.202 E+ 14 0.86 0.9983
3. 1.226 E+ 14 0.89 0.9974
4 1.207 E+ 14 0.87 0.9983
5 1.188  E+ 14 0．80 0.9989.
6 9.357 E+ 13 0.83 0.9989.
SS75. 1 5.369 E+ 13 1.02 0.9863
2 6.519 E+ 13 1.02 0.9944
3. 7.757  E+ 13 0.99 0.9950
4 9.339 E+ 13 ０．９５ 0.9919.
5 1.100  E+ 14 0.96 0.9959
6 1.496.  E+ 14 0.93 0.9928
SS90° 1 5.618 E+ 13 1.00 0.9903
2 8.247 E+ 13 0.91 0.9978
3. 9.540 E+ 13 0.93 0.9982
4 9.515.  E+ 13 0.98 0.9977
5 1.364  E+ 14 0.83 0.9857
6 1.497  E+ 14 0.83 0.9877

系数的变化趋势 λ最大主应力 σ1从具有不同倾角的样品的Izbash方程获得，图中绘制在图中 13．可以看出系数的趋势 λ与线性系数基本一致吗 一个由Forchheimer方程得到;两者之间有很好的对应关系。此外，在描述柱状节理岩体相似材料试样的非线性渗流特性时，这两个方程之间也存在对应关系;即拟合系数 米Izbash方程的< 1对应于非线性系数 β在Forchheimer方程中< 0。

拟合系数之间的关系 λ，以及不同倾角试样的应力。(一)SS0°,(b)魔法石°,(c) SS30°,(d) SS45°,(e) SS60°,(f) SS75°,和(g) SS90°。

数字 14显示 R2Forchheimer方程和Izbash方程的值来拟合试验数据。零截距二次函数(Forchheimer方程)和幂函数(Izbash方程)都能很好地描述柱状节理岩体相似材料试样的非线性流动，但两者之间的差异不显著。但是，Forchheimer方程有明确的理论基础，如果流道变化不大，可以用Navier-Stokes方程简化。相比之下，Izbash方程是纯经验的，没有明确的物理意义。

的 R2在所有工作条件下Forchheimer和Izbash方程的值。

 4.结论

采用不同倾角的相似材料试样，进行渗流-应力耦合试验，研究柱状节理岩体在最大主应力作用下的渗流特性。主要结论如下:

在最大主应力作用下，柱状节理岩体相似材料试样的渗流特性表现出各向异性特征。不同倾角的试样渗透率对应力的敏感性不同，渗透率随应力的变化规律和程度也不同。

体积速度之间的关系 问压力梯度 dP / dL不同倾角的试样均表现出非线性渗流特征。Forchheimer方程准确地描述了这种关系 R2值大于0.98。在大多数情况下，非线性系数 β为阴性，这归因于类似材料样品的测试特性和独特的地质结构。

本征磁导率之间的关系 k和最大主应力 σ1将不同倾角的样品分为两类。在I型曲线中，渗透率随最大主应力的增大呈先减小后增大的u型曲线;II型曲线渗透率随最大主应力的增大呈单调下降趋势，呈l型曲线;三次多项式函数方程可以很好地描述这种关系 k ＝ 一个 + b σ 1 + c σ 1 2 + d σ 1 3. , R2值大于0.96。

倾角为0°~ 60°时渗透率较初始渗透率增加，倾角为45°时渗透率增加144.25%，应力敏感性最高。倾角为75°和90°时，分别降低了63.51%和58.96%。

作为幂函数的Izbash方程也准确地描述了柱状节理岩体的类似材料试样的非线性流动特征 R2大于0.98的值。拟合系数 λ和 米是否与线性系数对应良好 一个非线性系数 β在Forchheimer方程中。

数据可用性

本文中所有的数据都是通过实验获得的，并已在本文中给出。

 的利益冲突

作者声明没有利益冲突。

 致谢

基金资助:国家自然科学基金项目(no. 41831278, no. 51579081, no. 51709184);江苏省自然科学基金(批准号:2018B661X14);中央公益性科研机构基础研究基金(批准号:BK20161508);Y118008)，南京水利科学研究院，南京。

 徐 w . Y。 郑 w·T。 史 a . C。 液压工程不规则柱状关节玄武岩岩体的分类及质量评价 杂志。液压工程 2011 3. 262 270 凯斯 c F。 余 s . L。 白鹤滩水电站左岸坝基柱状节理玄武岩开挖松弛特征 长江科学院学报 2017 6 128 131 金 K. 克莱默 m . L。 紧密节理玄武岩岩体变形特性研究 岩石力学 1982 1 210. 230 克莱默 m . L。 黑色的 M. T. 密切岩石砌块试验的设计与施工 国际岩石力学与矿业科学杂志 1984 2 51 肖 W.-M。 邓 R.-G。 钟 Z.-B. 福 X.-M。 王 彭译葶。 模拟柱状关节岩体力学性能的实验研究 地球物理学报 2015 12 1 80 89 10.1088 / 1742 - 2132/12/1/80 2 - s2.0 - 84921895081 鲁 W。 朱 Z。 什么 X。 张 C。 他 Y。 基于cosserat理论的间断柱状节理岩体各向异性本构模型 对称 2020 12 5 823 10.3390 / sym12050823 白 M. Elsworth D。 地下变形、流动和运输的耦合过程 2000 雷斯顿,弗吉尼亚州,美国 美国土木工程师协会 张 y . T。 岩石水力学与工程 2005 中国北京 中国水利水电出版社 吴 y Q。 张 z Y。 岩体水力学概论 1995 中国上海 西南交通大学出版社 张 g . C。 温 Z. J. 梁 美国J。 采17 m厚煤层长壁板沿空巷道的地面响应研究 岩石力学与岩石工程 2020 53 2 497 516 10.1007 / s00603-019-01922-5 路易 c。 节理岩体地下水流动及其对岩体稳定性影响研究 1969 英国伦敦 岩石力学研究报告帝国理工学院 91 98 罗姆 大肠。 裂隙岩石的流动特性 1966 莫斯科,俄罗斯 Nedra出版商 沃尔什 j·B。 孔隙压力和围压对裂缝渗透率的影响 岩石力学与采矿科学与地质力学文摘 1981 18 5 429. 435. 10.1016 / 0148 - 9062 (81) 90006 - 1 2 - s2.0 - 49049151276 Neuzil c, E。 特蕾西 j . V。 流经骨折 水资源研究 1981 17 1 191 199 10.1029 / wr017i001p00191 2 - s2.0 - 0019366067 曾荫权 y W。 曾荫权 c F。 裂隙介质中水流的渠道模型 水资源研究 1987 23 3. 467 479 10.1029 / wr023i003p00467 2 - s2.0 - 0023121174 周 c . B。 熊 w . L。 岩石节理中渗透的广义立方定律 岩土力学 1996 4 1 7 张 g . C。 棕褐色 y L。 梁 美国J。 高瓦斯长壁采场采空区充填壁适宜宽度的数值估算 国际地质力学杂志 2018 8 04018091.1 04018091.15 鲁 T。 徐 R。 周 B。 王 Y。 张 F。 姜 P. 改进的纳米多孔材料渗透率测量方法及其在超低渗透页岩基质中的应用 材料 2019 12 9 1567 1588 10.3390 / ma12091567 2 - s2.0 - 85065701903 张 C。 朱 Z。 朱 年代。 基于分数阶微积分理论的混凝土非线性蠕变损伤本构模型 材料 2019 12 9 1505 1518 10.3390 / ma12091505 2 - s2.0 - 85065736433 刘 R。 李 B。 姜 Y。 通过岩石骨折网络的非线性流动的关键液压梯度：孔径，表面粗糙度和交叉点数的作用 水资源研究进展 2016 88 53 65 10.1016 / J.Advwates.2015.12.002 2 - s2.0 - 84957599230 刘 Y。 李 年代。 粒径对裂隙岩石中水和沉积物非达西渗流的影响 Springerplus 2016 1 2099 2113. 夏 C . C。 钱 X。 林 P. 肖 w·M。 杨 G。 不同接触条件下真实岩石节理非线性流动特性试验研究 水利工程学报 2016 3. 04016090.1 04016090.14 阴 Q。 嘛 G。 京 H。 剪切期间3D粗糙骨折的液压特性：实验研究 《水文 2017 555 169 184 10.1016 / j.jhydrol.2017.10.019 2 - s2.0 - 85031734239 刘 X。 朱 Z。 刘 一个。 充填裂隙岩石三轴渗流试验的渗透特性及破坏行为 土木工程进展 2019 2019 1 12 10.1155 / 2019/3591629 2-S2.0-85069057248 曹国伟 z . M。 王 h·L。 徐 w . Y。 吉 H。 赵 K. 循环加卸载条件下柱状节理岩的渗透率和孔隙度 岩石力学与工程学报 2017 1 124 141 香港 Y。 柱状节理岩体变形破坏机理及渗流应力耦合特性研究 2020 南京,中国 河海大学 博士论文 黄 y Z。 低渗透岩石非线性渗流机理及其变渗透数值解 2006 中国北京 清华大学 博士论文 Forchheimer p . H。 Wasserbewegung军队博登 《时代》周刊。版本。Deutsch。荷兰国际集团(Ing) 1901 45 1782 1788 周 J.-Q。 胡 工程学系。 方 年代。 陈 Y.-F。 周 C.-B。 低雷诺数粗壁裂缝在正常压缩载荷下的非线性流动行为 国际岩石力学与矿业科学杂志 2015 80 202. 218. 10.1016 / j.ijrmms.2015.09.027 2 - s2.0 - 84943642342 廖 X X。 陈 z Q。 毛 X. B. 陈 r·H。 岩石破裂后非达西流的分叉 力学学报 2003 6 660. 667. 李 t . Z。 嘛 L. 张 l . Y。 泥岩非达西渗流中渗透率指标正负符号的探讨 采矿与安全工程学报 2007 4 481 485 李 w . L。 周 j . Q。 他 c . L。 陈 Y. F. 周 c . B。 围压作用下破碎花岗岩的非线性流动特性 岩土力学 2017 S1 140 150 Izbash s . v . O。 Filtracii V Kropnozernstom Materiale。苏联 1931 列宁格勒,俄罗斯 俄罗斯