干濕循環(huán)作用對大理巖滲透性影響的試驗研究

秦志軍 龔傳根 朱鵬輝 李雪浩 王 偉

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設計院，太原 030012; 2.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098； 3.河海大學 土木與交通學院巖土所，南京 210098)

大理巖是一種低滲透巖石[1]，在成巖過程中由于變質作用，巖漿經冷凝結晶形成塊狀構造，巖石內部礦物顆粒間結構較為致密．巖體內孔隙、裂隙等諸多缺陷的形態(tài)、空間分布及相互之間的連接狀態(tài)決定了巖石的滲透特性．當大理巖受到水力風化耦合作用時，巖石內部孔隙結構會發(fā)生不同程度的膨脹或收縮，進而影響其滲透率．另一方面，水力風化耦合過程中大理巖的細觀尺度上會呈現出相應的演化，這種細觀尺度的演化一定程度上反映了巖石滲透率的變化．

低滲透巖石孔隙尺度相對較小，目前主要是以液體或氣體作為滲透介質通過穩(wěn)態(tài)法[2-3]或非穩(wěn)態(tài)法[4-6]進行滲透率的測定，低滲透巖石滲透率測定的試驗研究已經取得了一系列成果[7-10]．巖石的滲透特性隨著應力場的改變而變化[2-5]，試驗結果表明巖石滲透率與圍壓的關系符合指數關系[11]、對數函數關系[12]和多項式關系[3]．李小春[6]利用瞬態(tài)脈沖法測定了白濱砂巖的滲透率，試驗結果表明該巖滲透系數變化與孔隙度呈負相關性；常宗旭[13]從理論出發(fā)推導出裂隙巖體流固耦合方程，指出側向變形是影響巖體滲流的主要因素．另一方面，水巖相互作用是影響巖體穩(wěn)定性的主要因素之一，國內學者開展了一系列關于巖土材料的干濕循環(huán)試驗，研究了干濕循環(huán)作用下巖土材料的強度、變形等力學特性．其中，王偉[14]、劉新榮[15]、馬芹永[16]分別對大理巖、泥質砂巖和深部粉砂巖采用干濕循環(huán)處理，分析了不同干濕循環(huán)次數下力學參數的劣化程度，較為深入的研究了干濕循環(huán)對巖石的力學特性的影響效應．此外，部分學者們也開展了不同條件下巖石細觀特性的研究，劉新榮[17]以泥質砂為研究對象，研究了泥質砂巖在不同干濕循環(huán)次數作用下的微細觀結構變化，研究結果表明，隨干濕循環(huán)次數增加，其微細觀結構變化總體上可歸納為整齊致密狀、多孔團絮狀和開裂紊流狀3個階段；倪驍慧[18]借助SEM電鏡掃描對不同溫度循環(huán)作用后大理巖細觀損傷特征進行了研究，試驗結果表明，試樣的細觀尺度微裂紋主要由沿晶裂紋、穿晶裂紋及晶內裂紋組成．

綜上所述，目前關于低滲透巖石滲透特性方面多以研發(fā)測試儀器、改進測試方法和研究圍壓與滲透率關系為主，而對干濕循環(huán)作用下低滲透巖石的滲透率規(guī)律及巖石細觀尺度結構演化方面的研究較少．本文以大理巖為研究對象，以惰性氣體為滲透介質，開展不同干濕循環(huán)次數下大理巖的氣體滲透性試驗和電鏡掃描實驗，研究大理巖受干濕循環(huán)作用時滲透率演化規(guī)律以及細觀尺度下大理巖微裂紋的演化，為庫水變幅帶巖體的滲透性研究提供借鑒和參考．

1 試樣制備與試驗原理

1.1 試樣制備及試驗儀器

試驗大理巖試樣取自某水電站邊坡未風化新鮮巖塊，致密堅硬，屬于硬脆性巖石．主要成分有石英、鉀長石、方解石、蒙脫石等．將脆性較強的巖芯加工成50 mm×50 mm的圓柱試樣，選取其中質地較好且尺寸相對精確的4個作為試驗試樣，依次標號為DY0-K-1、DY12-K-2、DY28-K-3和DY44-K-4(如圖1所示)．大理巖氣體滲透性試驗前需要對試樣分別進行0次、12次、28次和44次干濕循環(huán)處理．試驗中將天然狀態(tài)大理巖在真空桶內浸泡3 d，然后在烘箱干燥1 d作為一個干濕循環(huán)周期．為了更真實的模擬干濕循環(huán)作用，試驗需要先將裝有試樣的真空桶抽至負壓0.1 MPa，再通水浸泡3 d，由于試樣含水率對巖石滲透率影響顯著，試樣需要在溫度設為105℃的烘箱內烘干1 d至質量基本穩(wěn)定不變．

圖1 大理巖試樣

氣體滲透性試驗在河海大學巖石力學實驗室?guī)r石惰性氣體滲透試驗設備上進行．試驗儀器可實現油泵圍壓加載、氣壓加載以及高精度氣壓測量，其中滲透率可測精度高達10-24m2數量級，圍壓可加至60 MPa．試驗中通過氣體控制面板分別調節(jié)巖樣兩端氣體壓力，同時由氣壓傳感器讀出巖樣兩端氣壓值．為最大程度保持滲透過程中大理巖礦物顆粒的物理化學性質不變，測試系統(tǒng)使用高純度惰性氬氣作為滲流氣體．

為了進一步研究不同干濕循環(huán)作用對大理巖細觀結構的影響效應，本文對不同次數干濕循環(huán)后的大理巖進行了掃描電子顯微鏡實驗．

1.2 試驗方案及試驗原理

氣體滲透性試驗中保持滲壓穩(wěn)定在2 MPa，試樣加載過程中設置3個不同的圍壓，分別為5 MPa、10 MPa和15 MPa，加載過程中在圍壓設定值上預壓1 h穩(wěn)定后進行滲透率的測定，測讀數據后再進行下一級圍壓試驗．其中在圍壓15 MPa下，測讀數據后繼續(xù)維持2 h的預壓，再進入卸載階段滲透率的測定．同時將各干濕循環(huán)次數下大理巖樣制成30 mm×30 mm×10 mm切片，選擇自然崩落且未受人為機械破壞的一面作為SEM實驗觀測面．試驗方案見表1．

表1 大理巖試驗方案

試驗采用氣體流量法測定干濕循環(huán)后大理巖的氣體滲透率，試驗原理如圖2所示．試樣上表面出氣端裝有高精度氣體流量表，試樣下表面進氣端氣壓P(t)通過氣體壓力室控制，待上下表面形成穩(wěn)態(tài)氣體滲流后，通過式(3)將出氣端氣體壓力變化換算為氣體流量，進一步通過記錄進氣端氣壓隨時間變化求得試樣氣體滲透率[2，19，20]．

圖2 氣體流量法原理示意圖

基于氣體滲透偏微分方程，假設氣體流動遵循達西定律滲流且滲流氣體為理想氣體，考慮試驗邊界條件為P|x=0=P1，P|x=L=P0，求出壓力室內氣體壓力表達式：

(1)

式中，P1為進氣端氣體壓力(Pa)；P0為實驗室大氣壓(1×105Pa)；L為試樣長度(m)；x為試樣任一截面距離進氣端距離(m)．

由氣體流動達西定律，推導出氣端(x=L)氣體流量表達式：

(2)

式中，Q為出氣端氣體流量(m3/s)；K為巖心氣體滲透率(m2)；μ為氣體黏度(Pa·s)(室溫下，氬氣黏度為2.2×10-5Pa·s)．

根據理想氣體狀態(tài)方程，結合出氣端高敏壓力表記錄的壓力變化，推導出氣端(x=L)氣體平均氣體流量表達式：

(3)

式中，Qmoy為出氣端氣體平均流量(m3/s)；v為高精度壓力表內部體積(8×10-5m3)；ΔP1為Δt時間段內出氣端氣壓變化量(Pa)．

聯立式(2)和式(3)，得到試樣氣體滲透率表達式：

(4)

式中，S為試樣橫截面積(m2)．

2 試驗結果與分析

2.1 大理巖滲透率與圍壓的關系

將按照試驗方案干濕循環(huán)處理后的大理巖進行圍壓加卸載下的氣滲試驗，得到各干濕循環(huán)次數下大理巖滲透率與圍壓的關系圖(如圖3所示)和各干濕循環(huán)次數下加卸載階段大理巖滲透率表(見表2)．

表2 各干濕循環(huán)次數下加卸載階段大理巖滲透率 (單位：10-19m2)

圖3 各干濕循環(huán)次數下大理巖滲透率與圍壓的關系

大理巖是一種具有塊狀構造的變質巖，其結構較為致密，孔隙率較小，屬于低滲透巖石．巖石的滲透性主要由其內部的孔隙結構決定，巖樣的孔隙結構充分反映了孔隙與吼道的發(fā)育情況．吼道是兩較大孔隙或兩礦物顆粒間連通的狹長通道，吼道半徑很大程度上影響巖石的滲透性．由圖3可知，大理巖經不同次數干濕循環(huán)后滲透率與圍壓的關系基本保持一致，圍壓加卸載階段，滲透率與圍壓呈負相關關系．由表2可知，試樣經干濕循環(huán)0次、12次、28次和44次后，當圍壓由5 MPa加載到15 MPa時，滲透率分別下降了37.9%、43.9%、61.7%和68.2%；當圍壓由15 MPa卸載到5 MPa時，滲透率分別增加了25.7%、32.1%、93.2%和92.8%；當卸載圍壓為5 MPa時，較同級加載圍壓下的孔隙率分別恢復了78.0%、74.1%、74.0%和61.3%．說明干濕循環(huán)作用下大理巖的孔隙結構發(fā)生劣化，試樣的吼道進一步發(fā)育，大理巖的孔隙率逐漸增加．干濕循環(huán)作用能顯著提高圍壓對滲透率的影響效應，不同次數干濕循環(huán)作用下圍壓卸載后的孔隙率較同級加載圍壓時基本都恢復了近75%，表明錦屏大理巖脆性較強，較低次數的干濕循環(huán)作用未能有效增加大理巖的塑性．在圍壓加載階段，圍壓的增加使微裂隙閉合，吼道半徑不斷縮小導致試樣滲透率呈逐漸減小趨勢；在圍壓卸載階段，圍壓的減小使微裂隙和吼道半徑有一定程度的恢復，試樣滲透率呈逐漸增大趨勢，此外由于圍壓加載階段不可恢復的塑性變形導致滲透率小于相同圍壓下的初始值．

2.2 干濕循環(huán)對大理巖滲透率的影響

為了進一步研究大理巖滲透率與干濕循環(huán)作用的關系，整理試驗數據后得到各圍壓下滲透率隨干濕循環(huán)次數變化的曲線，如圖4所示．

由圖4可知，在相同圍壓下，大理巖的滲透率隨干濕循環(huán)次數的增加而逐漸增大；在同一干濕循環(huán)次數下，大理巖的滲透率隨圍壓增大而減?。畤鷫簽? MPa下，試樣經12次、28次和44次干濕循環(huán)后的滲透率較天然狀態(tài)分別增加了89.0%、340.1%和863.2%；圍壓為15 MPa下，試樣經12次、28次和44次干濕循環(huán)后的滲透率較天然狀態(tài)分別增加了70.8%、171.7%和392.9%．圍壓為5 MPa時大理巖滲透率隨干濕循環(huán)次數增加變化較為明顯，而圍壓為10 MPa和15 MPa時大理巖滲透率隨干濕循環(huán)次數增加變化相對平緩．說明低圍壓下干濕循環(huán)作用對滲透率的影響效應更加顯著，在較高的干濕循環(huán)次數下滲透率有明顯的增加；高圍壓有效的抑制了干濕循環(huán)的影響效應．

圖4 各圍壓下大理巖滲透率與圍壓的關系

2.3 干濕循環(huán)下大理巖細觀結構的劣化

本文對不同干濕循環(huán)作用下的大理巖進行了SEM實驗，得到了不同干濕循環(huán)作用后試樣切片放大500倍、1 000倍和2 000倍的細觀結構掃描圖像，如圖5所示．

圖5 不同干濕循環(huán)次數下大理巖SEM圖像

從電鏡掃描圖像可以看出，大理巖經過干濕循環(huán)作用后，其微觀形貌有較大的改變，并且大理巖的細觀特征隨著干濕循環(huán)次數發(fā)展演化．天然狀態(tài)下的大理巖是經區(qū)域變質作用或接觸變質作用形成，從不同放大倍數下干濕循環(huán)0次的SEM圖像可以看出，天然大理巖呈塊狀構造，結構完整性較好，大理巖表面有較少的直線狀微裂紋．當循環(huán)至12次時，大理巖表面的微裂紋發(fā)育不明顯，裂紋寬度略有增加，同時裂紋末端有一定程度的擴展．直至干濕循環(huán)44次時，大理巖表面的微裂紋有明顯的發(fā)育，塊狀構造明顯的出現破碎化．綜合比較不同次數干濕循環(huán)作用下大理巖的細觀尺度掃描圖像，可以看出隨著干濕循環(huán)次數增加，大理巖塊狀構造逐步破碎化，裂紋不斷擴展并且相互搭接．

3 結 論

本文以錦屏大理巖為研究對象，分別對不同干濕循環(huán)次數下的大理巖開展了氣體滲透性試驗和電鏡掃描實驗，分析了大理巖受干濕循環(huán)作用后滲透率演化規(guī)律以及大理巖干濕循環(huán)后的微細觀特征．得出的主要結論如下：

1)干濕循環(huán)作用下大理巖的孔隙結構發(fā)生劣化，試樣的微裂隙和吼道發(fā)育，大理巖的孔隙率逐漸增加．高干濕循環(huán)次數下，圍壓對滲透率的影響效應顯著，較低次數的干濕循環(huán)作用未能有效增加大理巖的塑性．

2)在相同圍壓下，大理巖的滲透率隨干濕循環(huán)次數的增加而逐漸增大；在同一干濕循環(huán)次數下，大理巖的滲透率隨圍壓增大而減?。蛧鷫合赂蓾裱h(huán)作用對滲透率的影響效應更加顯著，在較高的干濕循環(huán)次數下滲透率有明顯的增加．

3)通過不同干濕循環(huán)作用后大理巖細觀尺度的研究，可看出隨著干濕循環(huán)次數增加，大理巖塊狀構造逐步破碎化，裂紋不斷擴展并相互搭接．