微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀填充裂隙巖體滲流規(guī)律試驗研究①

彭述權(quán)， 康景宇， 張珂嘉， 樊 玲， 陳少繁， 王 凡

（中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙410083）

裂隙作為自然巖體的重要組成部分，對工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著重要作用，由裂隙巖體滲流導(dǎo)致的工程事故并不少見［1-3］，因此研究巖體裂隙的滲流特性已經(jīng)成為當(dāng)前巖體力學(xué)研究的熱點問題之一［4-7］。 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）是一種新型的填充裂隙方式。 它具有簡單、快捷、填充效果好等特點，正越來越廣泛地用于裂隙巖體阻滲［8-10］，具有良好的應(yīng)用前景。但由于不同巖性巖體的孔隙在尺度上具有顯著差別，這可能會導(dǎo)致MICP 在裂隙中的填充率和充填物分布不同，從而影響裂隙巖體的滲透性能。 因此本文采用預(yù)制含裂隙的紅砂巖試樣，主要研究了圍壓和寬度因素作用下MICP 填充后裂隙巖體試樣滲透性能，以及MICP充填裂隙巖體的波速、圍壓與其滲透系數(shù)之間的關(guān)系。

1 試驗儀器及方案

1.1 菌種選擇及試樣制備

本試驗采用沉淀碳酸鈣效率較高的巴氏芽孢桿菌（Sporoscarcina pasteurii）作為誘導(dǎo)修復(fù)菌種，并采用CASO 培養(yǎng)基進行活化培養(yǎng)。 CASO 培養(yǎng)基主要成分為：酪蛋白15 g／L、大豆蛋白5 g／L、NaCl 5 g／L、尿素20 g／L，培養(yǎng)基采用1 mol／L 的NaOH 溶液將pH 值調(diào)至7.3，將巴氏芽孢桿菌接種至培養(yǎng)基中，并在30 ℃、轉(zhuǎn)速200 r／min 的恒溫?fù)u床中培養(yǎng)12 h，得到光密度值為600 nm 的菌液。 巖體采用紅砂巖，其主要成分為黏土、石英、方解石，將其制備成直徑50±1 mm、高度100±1 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。 由于實際工程中地質(zhì)條件較為復(fù)雜，原巖裂隙產(chǎn)狀具有不確定性，因此制作能反映真實巖體裂隙的試樣尤為關(guān)鍵。 本試驗采用巴西劈裂法制作巖體裂隙，將巖體沿豎向分割成兩部分，形成的裂隙粗糙度適中，具有良好的力學(xué)性能。 在巖體裂隙側(cè)放入相應(yīng)寬度的支撐物，再在巖體側(cè)壁采用橡膠材料將其粘合，最終形成具有一定裂隙寬度的巖體，如圖1 所示，試樣編號為Ⅰ～Ⅵ，其物理參數(shù)如表1 所示。

圖1 預(yù)制裂隙巖體

表1 試樣特征

制成裂隙巖體后，采用蠕動泵向巖體裂隙面內(nèi)進行注漿。 采用雙管道同時從上部向巖體裂隙內(nèi)通入巴氏芽孢桿菌溶液和濃度為1 mol／L 的氯化鈣及尿素混合液，使其在巖體裂隙內(nèi)充分反應(yīng)，生成沉淀物進而填充裂隙。 蠕動泵流速控制在5 mL／s 以內(nèi)，且隨著時間增長流速逐漸降低，目的是使巴氏芽孢桿菌與氯化鈣溶液在裂隙內(nèi)充分反應(yīng)，使其更加均勻密實。 當(dāng)在巖體上方出現(xiàn)白色沉積物溢出時，說明填充完成，擦去試樣外表面殘存的碳酸鈣顆粒后用紗布包好放入水中保存，填充效果如圖2 所示。

圖2 注漿后裂隙巖體

1.2 試驗方案

采用定水位法測定試驗巖體的滲透系數(shù)，即在試樣兩端施加大小不變的水頭差，并通過測量一定滲流時間內(nèi)的流量大小來計算試樣的滲透系數(shù)。 選用由中南大學(xué)實驗室SANS 2000KN 伺服試驗機為基礎(chǔ)改裝的試驗裝置進行試驗。 該儀器具有軸壓、圍壓、水壓三套獨立的加載系統(tǒng)，可通過計算機自動控制采集軸壓、圍壓、水壓的試驗數(shù)據(jù)并進行處理，使試驗結(jié)果更為精確。 在三軸室出口處放置自動記錄流體質(zhì)量的電子秤，與計算機連接，在計算機上記錄滲流時間內(nèi)的流量數(shù)據(jù)。 每次試驗完成后從三軸室取出試樣，采用橫波測試儀測量試樣各部位的波速，測試完成后將試樣表面擦拭干凈，用紗布包好后放入水中儲存。

保持室溫為20 ℃左右，將包裝好的試樣放在壓力機內(nèi)，設(shè)置一定的軸壓P1且保持不變，再設(shè)置一定的圍壓P2且保持不變（滿足P2＜P1），最后緩慢增大水壓，當(dāng)試樣上端穩(wěn)定出水時停止加壓，保持水壓穩(wěn)定并開始測量滲流流量。 根據(jù)試樣裂隙寬度及出水條件等多方面因素考慮，設(shè)置軸壓為5.1 MPa 保持不變（相當(dāng)于壓力10 kN），圍壓為0.2、0.3、0.4 MPa 共3 個等級，由于出水端與大氣相通，因此出水端壓力為0。

1855 年，達西通過大量實驗總結(jié)了水在巖體孔隙中的滲流規(guī)律，得出了著名的達西公式，根據(jù)本試驗的原理特點，可推導(dǎo)出滲透系數(shù)的計算公式為：

式中μ為水的動力粘滯系數(shù)，常溫下μ＝1.005 mPa·s；L為試樣巖體長度，cm；A為試樣巖體滲流面面積，為裂隙寬度與試樣直徑的乘積，cm2；ΔP為試樣巖體兩端的滲透壓壓差，Pa；Δt為滲流試驗總時間，s；Q為總滲流量，mL。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 滲透性能分析

通過計算機自動采集系統(tǒng)采集滲流流量隨時間的變化情況，如圖3 所示。 各試樣在不同圍壓下分別進行10 min 的滲流試驗。 由圖3 可見，在圍壓不變的情況下，總滲流量與時間呈線性關(guān)系，為均勻出流，且當(dāng)圍壓增大時，總滲流量隨時間增長速率減慢，即單位時間內(nèi)的滲流量降低。

圖3 試樣總滲流量隨時間變化曲線

2.2 裂隙寬度對試樣滲透系數(shù)的影響

設(shè)置了1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm 共4 個裂隙寬度對照組，在3 種圍壓條件下分別分析裂隙寬度對試樣滲透系數(shù)的影響，將滲透系數(shù)取對數(shù)后進行作圖，如圖4 所示。 從圖4 中可明顯看出，巖體滲透系數(shù)隨裂隙寬度無明顯規(guī)律性變化，且寬度1.5 mm 試樣滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于其他寬度。 王鵬飛等［6］研究了用石膏砂漿填充裂隙巖體后不同裂隙寬度對滲透系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在圍壓加載過程中，裂隙滲透率曲線存在兩次交叉，并給出了相應(yīng)的解釋。 此處采用MICP 法填充裂隙巖體，由于是自然填充，填充物之間可能存在孔隙，在加載圍壓后試樣會被壓縮，裂隙寬度會有不同程度減小，并導(dǎo)致裂隙內(nèi)填充物的孔隙結(jié)構(gòu)被壓縮，使?jié)B透系數(shù)下降，由于每個試樣被壓縮的程度不同，因此滲透系數(shù)下降的程度也不同；寬度1.5 mm 試樣滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于其他試樣，原因可能是該試樣的填充效果較差，裂隙填充物之間存在較多孔隙，形成了多條滲流通路，在表1 中可見Ⅱ號試樣的填充率較低。 總之，裂隙寬度對MICP 填充試樣的滲透系數(shù)影響較小，還受裂隙粗糙度［11］、填充率等因素影響，且無明顯規(guī)律性變化。

圖4 試樣滲透系數(shù)隨裂隙寬度變化曲線

2.3 圍壓對試樣滲透系數(shù)的影響

共設(shè)置6 組試樣，每組試樣均在不同圍壓下進行滲流試驗，并通過計算機自動采集滲流流量隨時間變化的數(shù)據(jù)，通過達西定律可計算出各圍壓下的滲透系數(shù)，由此得到滲透系數(shù)隨圍壓變化規(guī)律，將滲透系數(shù)取對數(shù)后作圖，如圖5 所示。

圖5 試樣滲透系數(shù)隨圍壓變化曲線

從圖5 明顯看出，不同寬度試樣巖體的滲透系數(shù)均隨圍壓增大而減小，且在0.2～0.3 MPa 階段滲透系數(shù)下降速度較快，而在0.3～0.4 MPa 階段滲透系數(shù)下降速度相對緩慢。 這是由于在加載前，填充巖體內(nèi)部依然存在少數(shù)裂隙，可作為滲透通路；加載圍壓后，巖體中裂隙被壓實，滲流通路逐漸閉合，導(dǎo)致試樣的滲透系數(shù)迅速下降；進一步增大圍壓，由于巖體中的大部分裂隙已被壓實，可能導(dǎo)致巖體內(nèi)部發(fā)生塑性變形，進而使內(nèi)部填充物的空間結(jié)構(gòu)被破壞，因此圍壓增大對滲流通路閉合的影響較小，從而導(dǎo)致試樣滲透系數(shù)下降速度減緩。

為評價圍壓對試樣巖體滲透系數(shù)的影響程度，可分別計算圍壓從0.2 MPa 增至0.4 MPa 時滲透系數(shù)的下降程度，結(jié)果如表2 所示。 由表2 可知，圍壓對填充后巖體的滲透系數(shù)有較大影響，可明顯降低試樣的滲透系數(shù)，其中最大可降低58.03%。

表2 滲透系數(shù)下降程度

2.4 試樣滲透系數(shù)與波速的關(guān)系

黃俊等［8］提出了利用聲波波速估算巖體不同深度平均滲透系數(shù)的方法，并采用負(fù)指數(shù)模型描述二者之間的關(guān)系，說明波速與滲透系數(shù)之間確實存在聯(lián)系。為研究在同一寬度條件下滲透系數(shù)與波速之間的關(guān)系，使用橫波波速測試儀分別對裂隙寬度為2.5 mm 試樣的上部、中部、下部波速進行測量，結(jié)果如表3 所示。

表3 試樣波速參數(shù)

由表3 可知，試樣上部與下部的波速大致相同，這說明3 個試樣在上部與下部的填充效果相似，且由于在測量上下部波速時，聲波會通過裂隙，而聲波在固體中的傳播速度大于氣體，因此裂隙的存在會降低波速，降低程度受填充效果的影響。 試樣中部的波速存在顯著差別，這是因為3 個試樣在中部的填充效果存在不同，由于巖體滲透系數(shù)受填充效果的影響，因此可用巖體中部波速來判斷滲透系數(shù)大小，分析試樣中部波速與滲透系數(shù)之間的關(guān)系，如圖6 所示。 由圖6 可以看出，巖體中部的波速越大，巖體滲透系數(shù)越小。 因為巖體中部波速越大，說明聲波傳播的時間越短，即裂隙中填充物的密實程度越高，滲流通路較少，因此巖體滲透系數(shù)越小。 從圖中還可看出，隨著圍壓增大，曲線由凹向波速軸，變成一條緩和的直線，最后凸向波速軸。 產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因在于當(dāng)圍壓較小時，裂隙填充物之間存在較多孔隙，孔隙對巖體滲透系數(shù)的影響較大，此時可用負(fù)指數(shù)函數(shù)描述滲透系數(shù)與波速之間的關(guān)系；當(dāng)圍壓增大后，填充物內(nèi)的孔隙被壓縮，當(dāng)內(nèi)部孔隙剛好被壓實時，滲透系數(shù)與中部波速呈線性變化，此時可用線性函數(shù)描述滲透系數(shù)與中部波速之間的關(guān)系；當(dāng)圍壓繼續(xù)增大，填充物的空間結(jié)構(gòu)會被壓壞，此時極小的波速變化即反映了較大的滲透系數(shù)變化，此時可用對數(shù)函數(shù)描述滲透系數(shù)與中部波速之間的關(guān)系。

圖6 試樣滲透系數(shù)隨波速變化曲線

2.5 考慮圍壓和波速滲透系數(shù)擬合公式

為了更利于在現(xiàn)場確定巖體的滲透系數(shù)，可同時考慮圍壓、試樣中部波速與滲透系數(shù)之間的關(guān)系。 采用裂隙寬度為2.5 mm 的3 個試樣在不同圍壓狀態(tài)下的滲透系數(shù)進行數(shù)值擬合，分別采用不同的公式進行擬合，結(jié)果如式（2）所示：

式中z為試樣的滲透系數(shù)，cm／s；x為試樣中部的波速，m／s；y為試樣的圍壓，MPa。

由式（2）可知，采用試樣中部波速的對數(shù)與圍壓的負(fù)指數(shù)之和的形式擬合效果較好，即可分別考慮圍壓和試樣中部波速對巖體滲透系數(shù)的影響，式（2）擬合效果如圖7 所示。

圖7 滲透系數(shù)?圍壓?波速關(guān)系

3 結(jié) 論

采用自主研發(fā)的三軸壓縮滲流試驗裝置，針對采用MICP 技術(shù)填充的裂隙寬度分別為1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm 的4 種類型試樣，在圍壓分別為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa 條件下進行滲流試驗，并測量了裂隙寬度為2.5 mm 試樣上部、中部、下部的波速，取得了以下研究成果：

1） MICP 充填裂隙巖體試樣滲透系數(shù)受裂隙寬度的影響，也受填充率影響。

2） 不同寬度的MICP 充填裂隙巖體滲透系數(shù)隨圍壓升高呈下降趨勢，最高可下降58.03%；當(dāng)圍壓較小時，滲透系數(shù)下降較快，隨著圍壓增大，滲透系數(shù)下降速度逐漸減慢。

3） 同一巖性MICP 充填裂隙巖體滲透系數(shù)隨波速增加而減小。

4） MICP 充填裂隙巖體的滲透系數(shù)計算公式可擬合為自然對數(shù)波速與負(fù)指數(shù)圍壓之和的形式。