三軸應(yīng)力下顆粒流失對(duì)斷層破碎帶凝灰?guī)r滲流特征的影響

黃昌富，張帥龍，高永濤?，吳順川，周 喻，孫 浩，王文強(qiáng)，盧慶釗

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 2) 昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093 3) 河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 454000 4) 中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 101300

目前，斷層破碎帶巖體滲流演化機(jī)制逐漸成為巖石力學(xué)界研究和關(guān)注的熱點(diǎn)之一.作為誘發(fā)突水災(zāi)害的內(nèi)因，斷層破碎帶巖體在三軸應(yīng)力下的變形與滲流特性對(duì)隧道施工安全具有重要影響[1?2].其次，破碎巖石孔隙率較大，其滲透性比完整巖石大數(shù)個(gè)量級(jí)，由滲流引起的重大災(zāi)害事故多發(fā)生于此[3].因此，研究顆粒流失下斷層破碎帶巖體孔隙結(jié)構(gòu)及滲流流速時(shí)變演化規(guī)律對(duì)隧道水害防治具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程指導(dǎo)價(jià)值.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)破碎巖體的滲流演化規(guī)律進(jìn)行了大量的研究.繆協(xié)興等[4]，陳占清等[5]利用破碎巖石壓實(shí)滲透儀開(kāi)展了不同巖性破碎巖體的滲透試驗(yàn)，得到了巖體滲透特性的變化規(guī)律.孫明貴等[6]在石灰?guī)r應(yīng)力?應(yīng)變非Darcy流滲透特性試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了一種測(cè)定巖石滲透特性的動(dòng)力學(xué)模型.王偉等[7]開(kāi)展低滲透巖石三軸滲流?應(yīng)力耦合試驗(yàn)，最終得出了圍壓和滲壓作用下巖石體積應(yīng)變與滲透率之間的關(guān)系式.杜鋒等[8]通過(guò)自制多孔介質(zhì)水沙兩相滲流試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)突水潰沙機(jī)理進(jìn)行研究，得到了多孔介質(zhì)孔隙度、破碎巖石粒徑及沙粒粒徑等因素對(duì)水沙流動(dòng)規(guī)律的影響.姚邦華[9]利用自制破碎巖體滲透試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展了破碎巖體變質(zhì)量滲流試驗(yàn)研究，得到了配比、軸向應(yīng)力、含沙量及顆粒遷移等因素對(duì)滲流突變的影響.Liu等[10]基于穩(wěn)態(tài)滲流法，研究了三種破碎巖石的滲透特性，提出了用置信區(qū)間描述滲透系數(shù)的三種方法.Ma 等[11?13]，張?zhí)燔姷萚14?16]利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、滲透儀研究了不同級(jí)別位移、不同水壓及不同配比條件下的破碎巖石滲透特性，得到了多項(xiàng)滲透參數(shù)在滲透失穩(wěn)過(guò)程中的變化規(guī)律.張勃陽(yáng)等[17?18]開(kāi)展陷落柱取樣，研究破碎巖體滲透特性，得到了陷落柱滲流突變機(jī)制與滲流特性.Feng等[19]開(kāi)展破碎巖體滲透試驗(yàn)研究，得到了不同Talbot冪指數(shù)n值下破碎巖體質(zhì)量流失與滲透率的關(guān)系.楊斌等[20]基于Forchheimer定律采用鋼球模擬堆積破碎巖體，開(kāi)展了高速非線性滲流試驗(yàn)，揭示了顆粒粒徑與非線性滲流模型參數(shù)的關(guān)系.Yu等[21]開(kāi)展膠結(jié)破碎巖石滲透試驗(yàn)研究，探討了陷落柱的阻水性能與影響因素.劉偉韜等[22]開(kāi)展三軸壓縮條件下滲流試驗(yàn)，得到了陷落柱骨架砂巖在不同圍壓及滲透壓條件下的力學(xué)性質(zhì)、滲流特性和聲發(fā)射基本特征.Wasantha和Ranjith[23]在考慮圍壓的基礎(chǔ)上，開(kāi)展不同含水條件下霍克斯伯里砂巖三軸壓縮試驗(yàn)，得到了不同圍壓條件下水對(duì)霍克斯伯里砂巖力學(xué)行為的影響.Zhao[24]等研究了不同粒徑破碎巖石在軸向應(yīng)力下的滲流特性參數(shù)變化規(guī)律.李玉壽等[25]研究了煤樣在三軸應(yīng)力及孔隙水作用下的變形和聲發(fā)射特性.顏丙乾等[26]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外多場(chǎng)耦合多尺度力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)和研發(fā)、數(shù)值模擬軟件及耦合計(jì)算程序的開(kāi)發(fā)等方面的研究現(xiàn)狀.

目前，關(guān)于破碎巖體滲流演化規(guī)律的研究成果多集中于堆石壩、陷落柱、巷道等方面，對(duì)于斷層的研究較少，且由于現(xiàn)場(chǎng)取樣難度高，試樣多為人為配制[27?28].此外，為解決密封問(wèn)題，破碎巖石滲透試驗(yàn)多采用側(cè)限性滲透儀開(kāi)展研究[29].然而，實(shí)際地下工程中的破碎巖體基本賦存于三軸應(yīng)力條件下，僅考慮軸壓而在一定程度上忽略圍壓將使?jié)B流試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，但能夠?qū)崿F(xiàn)圍壓可調(diào)的三軸承壓破碎巖石滲透測(cè)試或模擬設(shè)備還相當(dāng)缺乏[15]，影響到該類（破碎）巖石工程問(wèn)題的深入研究.因此，筆者開(kāi)展原位取樣工作，運(yùn)用可調(diào)節(jié)圍壓的三軸滲流試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同顆粒級(jí)配破碎凝灰?guī)r相似材料在不同級(jí)別三軸應(yīng)力條件下滲透前后的孔隙結(jié)構(gòu)及滲流流速時(shí)變演化規(guī)律，以期為斷層破碎帶突水問(wèn)題提供必要的理論依據(jù).

1 試樣制備及試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試樣選取及制備

試樣取自福建—廈門高速鐵路項(xiàng)目（福廈高鐵）碧峰寺隧道F3斷層內(nèi)部（圖1），該斷層產(chǎn)狀為28°∠88°，溝通了地表沖溝與地下含水層，斷層帶區(qū)域隧道埋深約為100 m，掌子面實(shí)測(cè)水壓值為0.58～0.76 MPa，斷層風(fēng)化破碎晶屑凝灰?guī)r密度為2037 kg·m?3.

圖1 碧峰寺隧道F3斷層破碎帶Fig.1 Bifeng temple tunnel F3 fault fracture zone

開(kāi)展XRD（X-ray Diffraction）衍射試驗(yàn)，定量分析了斷層破碎帶風(fēng)化凝灰?guī)r的礦物成分，如圖2所示.斷層凝灰?guī)r的主要成分為堅(jiān)硬耐磨的石英（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.1%），硬度略低于石英的鈉長(zhǎng)石（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.1%）、正長(zhǎng)石（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.1%）、鈣長(zhǎng)石（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.4%）以及白云母（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.3%）等礦物質(zhì).

圖2 斷層破碎帶凝灰?guī)r試樣X(jué)射線衍射結(jié)果.(a) D8 AdvanceX射線衍射儀; (b) 衍射強(qiáng)度圖譜; (c)礦物成分含量Fig.2 X-ray diffraction results of tuff samples from fault fracture zone: (a) D8 Advance X-ray diffractometer; (b) diffraction intensity map; (c) mineral content

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察（圖1），發(fā)現(xiàn)F3斷層破碎帶由不同粒徑強(qiáng)風(fēng)化破碎凝灰?guī)r塊弱固結(jié)而成.根據(jù)前人研究，室內(nèi)破碎巖石試驗(yàn)中，不同粒徑破碎巖石的多重質(zhì)量比構(gòu)成了高維參數(shù)空間，導(dǎo)致了維數(shù)災(zāi)難[30].通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察和篩分試驗(yàn)可知，F(xiàn)3斷層帶內(nèi)破碎凝灰?guī)r的粒徑分布具有連續(xù)性和統(tǒng)計(jì)意義上的自相似性，因此可采用分形幾何來(lái)定量描述其級(jí)配分布[31?32].

根據(jù)分形理論模型[33]，破碎巖石顆粒數(shù)量滿足

其中：N為顆粒數(shù)量；k為常數(shù)；d為顆粒粒徑，m；D為破碎分形顆粒集合體的分形維數(shù).

由式（1）可知顆粒數(shù)量N與粒徑d存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，顆粒質(zhì)量M與顆粒數(shù)量N滿足如下關(guān)系

其中：M(

因此，符合分形級(jí)配的破碎巖石顆粒級(jí)配方程可表示為

其中：p0(d≤di)為尺寸小于di的凝灰?guī)r顆粒原始質(zhì)量比；di為第i組中最大顆粒尺寸，mm；dM為凝灰?guī)r顆粒最大尺寸，mm.將（3?D）代換為n，則公式（3）即為 Talbot級(jí)配理論模型[34?35]

通過(guò)改變 Talbot 冪指數(shù)n值（簡(jiǎn)稱n值）可以實(shí)現(xiàn)顆粒級(jí)配對(duì)破碎巖石滲流特性影響的研究目的.

為了減小尺寸效應(yīng)的影響[33]，破碎凝灰?guī)r樣最大直徑取內(nèi)套筒內(nèi)徑(50 mm)的1/5[36?37]，即10 mm.采用顎式破碎機(jī)破碎斷層凝灰?guī)r塊，利用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)篩機(jī)篩選出6種粒徑區(qū)間(0～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～5 mm、5～10 mm)的破碎晶屑凝灰?guī)r顆粒，如圖3所示.如圖3所示.

圖3 各粒徑區(qū)間破碎凝灰?guī)r試樣Fig.3 Fractured tuff samples in various particle size ranges

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及功能

試驗(yàn)采用的破碎巖石三軸滲流試驗(yàn)系統(tǒng)(TSS-01)主要由水壓與圍壓加載控制系統(tǒng)A、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)B及破碎巖石三軸滲透儀C組成，如圖4所示.該系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定可調(diào)的高精度滲透水壓（0～3 MPa）與圍壓（0～10 MPa）.其中，三軸滲透儀作為該系統(tǒng)的核心，主要由軸向位移加載裝置（一體式反力框架結(jié)構(gòu)）、柔性內(nèi)套筒、上下活動(dòng)密封壓頭等組成.破碎巖石試樣能夠在軸向位移與圍壓作用下發(fā)生形變，從而實(shí)現(xiàn)三軸應(yīng)力的定量加載.

圖4 破碎巖石三軸滲流試驗(yàn)系統(tǒng)及示意圖.(a)實(shí)物圖; (b)原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of triaxial permeability testing system for fractured rock: (a) physical map; (b) schematic diagram of principle

1.3 試驗(yàn)方案及流程

從F3斷層破碎帶取樣，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)篩分試驗(yàn)，得到不同粒徑區(qū)間對(duì)應(yīng)的巖塊數(shù)目，根據(jù)篩分試驗(yàn)結(jié)果與公式（2）可確定（M(

表1 不同Talbot冪指數(shù)n值下的巖石顆粒質(zhì)量Table 1 Rock particle mass under different n

本次試驗(yàn)加載方式采用軸向位移控制法[15].為減小每組試樣間的誤差和離散性，保證相同級(jí)配試樣具有相同的初始孔隙度，試驗(yàn)采用分層裝填法和高度控制法，即相同級(jí)配試樣分3次（層）裝填，且每層高度一致.試驗(yàn)方案（圖5）考慮顆粒粒徑級(jí)配、三軸荷載、孔隙水壓等因素對(duì)破碎巖石滲透特性的影響，先后施加軸向位移和圍壓調(diào)控不同級(jí)配破碎凝灰?guī)r的孔隙率.受多級(jí)別三軸應(yīng)力影響，散體狀破碎凝灰?guī)r顆粒的排列方式將產(chǎn)生階段性變化，其孔隙率與滲透性均會(huì)相應(yīng)改變.待三軸壓力恒定后，開(kāi)啟滲透壓力加載系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)節(jié)并記錄試驗(yàn)過(guò)程中的流量數(shù)據(jù)，并按照試驗(yàn)方案定時(shí)收集試驗(yàn)過(guò)程中遷移流失的細(xì)小顆粒.

根據(jù)前人研究，破碎巖樣軸向加載方式可分為軸向位移控制法和軸向應(yīng)力控制法兩大類[14?15,27]，兩類加載方式的原理均是通過(guò)定量施加應(yīng)力來(lái)改變和調(diào)控散體破碎巖石試樣的孔隙率.本次試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)系統(tǒng)適合應(yīng)用軸向位移控制法.因此，考慮圍壓作用，試驗(yàn)設(shè)計(jì)4級(jí)軸向位移，分別為3、6、9、12 mm，加載至位移能夠保持恒定方可停止加載，軸向位移與試樣高度均采用高精度激光測(cè)距儀量測(cè)記錄.位移加載完畢后，打開(kāi)滲透壓力控制系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行低壓供水排氣飽和（水壓p< 0.05 MPa），保證試樣結(jié)構(gòu)不被破壞，飽和時(shí)長(zhǎng)為10 min.每級(jí)軸向位移下設(shè)2級(jí)圍壓，通過(guò)液壓手動(dòng)泵進(jìn)行預(yù)設(shè)，考慮F3斷層帶賦存參數(shù)，預(yù)設(shè)值分別為0.8和1.4 MPa，期間不卸載，每級(jí)圍壓加載時(shí)長(zhǎng)為60 s.試驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)滲流法，為保證孔隙水從破碎巖樣孔隙內(nèi)部通過(guò)，圍壓必須比孔隙水壓大0.2～0.8 MPa.因此，考慮隧址斷層埋深情況，0.8 MPa與1.4 MPa圍壓下設(shè)0.6 MPa水壓.

試驗(yàn)前，首先將設(shè)備調(diào)試至正常工作狀態(tài)，固定滲透儀至垂直狀態(tài)，同時(shí)在滲透儀套筒內(nèi)部涂上厚度為3 mm的凡士林以消除邊壁效應(yīng)的影響[38?39]，從而解決試驗(yàn)過(guò)程中水流沿邊壁較大孔隙流失的關(guān)鍵問(wèn)題.然后，根據(jù)滲透儀容積選取240 g不同級(jí)配破碎巖石試樣裝入套筒內(nèi)，按照?qǐng)D5所示試驗(yàn)流程進(jìn)行破碎凝灰?guī)r滲透試驗(yàn).試驗(yàn)前對(duì)試樣表面進(jìn)行平整處理，確保軸向位移加載裝置對(duì)試樣施加的是垂向載荷.

圖5 三軸破碎凝灰?guī)r滲流試驗(yàn)流程圖Fig.5 Triaxial broken tuff seepage experiment flow chart

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及驗(yàn)證

2.1 顆粒流失規(guī)律

滲透過(guò)程中，各級(jí)三軸應(yīng)力下每隔30 s收集一次流失的細(xì)小顆粒，對(duì)收集到的顆粒進(jìn)行編號(hào)、干燥、篩分和稱重.考慮到過(guò)濾水中依然存在細(xì)小流失顆粒的可能性，因此將過(guò)濾水按照同樣的方法分次收集、編號(hào)、沉積、烘干、稱量細(xì)小顆粒質(zhì)量.對(duì)于不同級(jí)配試樣在不同級(jí)別軸向位移下的顆粒流失質(zhì)量?時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)非線性擬合，可用如下函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行描述：

其中：m為不同Talbot冪指數(shù)n值試樣在不同級(jí)別軸向位移下顆粒流失質(zhì)量，g；a、b、c為擬合參數(shù)；t為試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，s；e為指數(shù)型函數(shù)的底數(shù).

如圖6所示，擬合曲線的擬合度均高于94%，因此可用此函數(shù)對(duì)不同n值試樣在不同級(jí)別軸向位移下的顆粒流失質(zhì)量?時(shí)間關(guān)系進(jìn)行描述.

圖6 不同軸向位移下流失顆粒質(zhì)量?時(shí)間擬合曲線.(a)軸向位移為3 mm; (b)軸向位移為6 mm; (c)軸向位移為9 mm; (d)軸向位移為12 mmFig.6 Lost particles mass-time fitting curve under different axial displacements: (a) axial displacement is 3 mm; (b) axial displacement is 6 mm; (c) axial displacement is 9 mm; (d) axial displacement is 12 mm

從圖6中可以看出，由于試樣中不同粒徑區(qū)間顆粒分布的隨機(jī)性與顆粒受軸向應(yīng)力破壞后孔隙結(jié)構(gòu)的離散性和不可預(yù)測(cè)性，同一n值下試樣的流失顆粒質(zhì)量并不隨著三軸應(yīng)力的增加而單調(diào)變化.擬合曲線隨著n值的增加而變緩，表現(xiàn)為流失顆粒減少、流失時(shí)間增長(zhǎng).這是由于n值越大，粗顆粒占比越大，相同質(zhì)量試樣的裝填高度也越大，因此，在相同的軸向應(yīng)力作用下，較大的孔隙結(jié)構(gòu)所形成的突水通道能夠平穩(wěn)運(yùn)移出更多細(xì)小顆粒；相反，n值越小，充填于大顆粒孔隙間的細(xì)小顆粒越多，此時(shí)試樣密實(shí)度大，滲透性差，試樣兩端滲透壓差大，大量的細(xì)小顆粒最終無(wú)法承受水壓而在短時(shí)間內(nèi)隨水沖出，發(fā)生滲流突變，這也可以在一定程度上解釋斷層破碎帶滲透失穩(wěn)災(zāi)害的突發(fā)性.此外，從圖中可以看出，n=0.4與n=0.6之間存在較大差值.該現(xiàn)象說(shuō)明級(jí)配越大，流失的細(xì)小顆粒越少，n=0.4～0.6之間存在著最佳級(jí)配點(diǎn)[16].

以軸向位移為3 mm和6 mm為例，在平面直角坐標(biāo)系中繪制同級(jí)軸向位移不同圍壓情況下的流失顆粒質(zhì)量?時(shí)間散點(diǎn)圖，并用公式（5）擬合關(guān)系曲線，如圖7所示，擬合度均高于96%.從圖中可以看出，擬合曲線隨圍壓增大而變緩，流失質(zhì)量整體減小.這是因?yàn)槠扑樵嚇釉趪鷫鹤饔孟掳l(fā)生徑向變形，粗顆粒與充填在粗顆?？紫堕g的細(xì)小顆粒被徑向壓密，孔隙的連通性減弱，突水通道受阻，細(xì)小顆粒需要克服更大的阻力才能流失.此外，通過(guò)對(duì)比相同圍壓不同軸向位移的擬合曲線，可以看出軸向位移越大，顆粒流失質(zhì)量隨圍壓減小的幅度越小.這是由于前期較小的軸向位移下，試樣孔隙較多，此時(shí)孔隙在圍壓作用下能夠迅速調(diào)整，流失顆粒質(zhì)量變化較大；隨著軸向位移增大，試樣內(nèi)部孔隙調(diào)整趨于緩和，突水通道只能在圍壓的作用下產(chǎn)生較小的改變，從而表現(xiàn)為試樣流失顆粒質(zhì)量擬合曲線變化平穩(wěn)的趨勢(shì).

圖7 不同圍壓下流失顆粒質(zhì)量?時(shí)間擬合曲線.(a) 軸向位移為3 mm，圍壓為0.8 MPa; (b) 軸向位移為3 mm，圍壓為1.4 MPa; (c) 軸向位移為6 mm，圍壓為0.8 MPa; (d) 軸向位移為6 mm，圍壓為1.4 MPaFig.7 Lost particles mass-time fitting curve under different confining pressures: (a) axial displacement is 3 mm, confining pressure is 0.8 MPa; (b) axial displacement is 3 mm, confining pressure is 1.4 MPa; (c) axial displacement is 6 mm, confining pressure is 0.8 MPa; (d) axial displacement is 6 mm,confining pressure is 1.4 MPa

滲透試驗(yàn)中，不同軸向位移與圍壓下，各粒徑區(qū)間流失顆粒質(zhì)量、流失顆?？傎|(zhì)量與n值的關(guān)系如圖8所示，圖中柱狀圖代表不同粒徑區(qū)間流失顆粒質(zhì)量，藍(lán)色全球及其擬合曲線代表試樣流失顆?？傎|(zhì)量.由圖8可看出，滲透試驗(yàn)中粒徑區(qū)間量級(jí)越小，流失質(zhì)量占比越大，且各粒徑區(qū)間流失質(zhì)量隨冪指數(shù)n值增大而減小.其中，0～0.25 mm粒徑區(qū)間的細(xì)小顆粒流失量最大，對(duì)應(yīng)n=0.2、0.4、0.6、0.8時(shí)，其流失質(zhì)量分別為 71.5、41.2、23.6和18.36 g，與表1對(duì)比可知，占原始試樣對(duì)應(yīng)粒徑區(qū)間含量的62.3%，75.1%，90%，146.3%，可以看出占比越來(lái)越大.n=0.8時(shí)，流失量高于原始含量，這是由于三軸應(yīng)力和滲透水壓對(duì)試樣中大粒徑巖粒產(chǎn)生更加顯著的擠壓破碎、沖蝕、磨蝕等作用，因而產(chǎn)生更多的次生細(xì)小顆粒，最終導(dǎo)致0～0.25 mm區(qū)間細(xì)小顆粒流失量超過(guò)原始含量的現(xiàn)象.此外，試樣流失顆?？傎|(zhì)量與n值的試驗(yàn)結(jié)果也可用式(5)進(jìn)行非線性擬合，擬合度高達(dá)95.5%.

圖8 流失顆粒質(zhì)量與n值關(guān)系Fig.8 Relationship between mass of lost particles and n value

2.2 三軸應(yīng)力下顆粒流失對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響

將級(jí)配混合試樣裝入滲透儀內(nèi)套筒后，測(cè)得其初始堆積高度hi（h1=11.2 cm，h2=11.6 cm，h3=12.1 cm，h4=12.9 cm），則與之對(duì)應(yīng)的初始孔隙率分別為φ1=0.277、φ2=0.325、φ3=0.375、φ4=0.411.各級(jí)軸向位移與各級(jí)圍壓使試樣產(chǎn)生不同程度的軸向變形與徑向變形.根據(jù)排水法，受圍壓影響所排出的液體體積ΔVi(cm3)即為圍壓引起的試樣減小體積，ΔVi由出口量筒收集記錄.此時(shí)，滲透前各級(jí)軸向位移與圍壓下的試樣體積V0′可通過(guò)下式求得：

其中：r0為內(nèi)套筒初始半徑，cm；h0為破碎凝灰?guī)r試樣的初始高度，cm；Δh為軸向位移，cm；ΔVi為每級(jí)圍壓下滲透液排出體積，cm3；i代表圍壓級(jí)數(shù).

此時(shí)，受各級(jí)荷載作用后的試樣孔隙率為

其中：V0為凝灰?guī)r破碎前的體積，m3；V0=m/ρ0.m為凝灰?guī)r破碎前的質(zhì)量，kg；ρ0為凝灰?guī)r破碎前的密度，kg·m?3；h為不同軸向位移條件下的試樣高度，h=hi?Δh.

滲流過(guò)程中試樣發(fā)生顆粒流失，其孔隙率發(fā)生變化，可通過(guò)式（8）求得滲透過(guò)程中每個(gè)時(shí)間段的孔隙率

其中：Δmj為j時(shí)刻記錄的顆粒流失質(zhì)量，g，j代表以30 s為間隔的時(shí)刻，即j=1代表30 s時(shí)，j=2代表60 s時(shí)，以此類推；A為各級(jí)荷載下試樣滲流過(guò)程中的截面積，cm2，可由式（9）計(jì)算

以n=0.2和n=0.6兩種級(jí)配試樣為例，繪制三軸應(yīng)力下不同級(jí)配試樣滲透過(guò)程中孔隙率?時(shí)間關(guān)系曲線，如圖9所示.

圖9 三軸應(yīng)力下不同級(jí)配試樣滲透過(guò)程中孔隙率?時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果（圖中AD指軸向位移，CP指圍壓）.(a)n=0.2; (b)n=0.6Fig.9 Porosity-time test results of specimens with different gradations during infiltration under triaxial stress (AD means axial displacement, CP means confining pressure): (a) n=0.2; (b) n=0.6

考慮n值對(duì)孔隙率變化規(guī)律的影響.由圖9可得，兩種級(jí)配試樣均可以60 s作為曲線拐點(diǎn)，劃分為快速增長(zhǎng)階段(0～60 s)和緩慢變化階段(60～150 s)，與流失質(zhì)量時(shí)變規(guī)律相對(duì)應(yīng).快速增長(zhǎng)階段，孔隙率時(shí)變曲線隨n值的增加而變緩，n=0.2時(shí)，軸向位移為3 mm、圍壓為0.8 MPa條件下，試樣在60 s與0 s處的孔隙率差值為0.013，而n=0.6時(shí)，相同條件下試樣60 s與0 s處的孔隙率差值為0.006.可見(jiàn)，n值越小，孔隙率越小，孔隙率增長(zhǎng)幅度越大.這是由于隨著n值的增加，試樣可流失顆粒質(zhì)量減少，粗顆粒占比增大且不易產(chǎn)生大變形，因此孔隙率較大，變化幅度相對(duì)緩慢.試樣孔隙率極大值集中在緩慢變化階段(60～150 s)，該階段粗顆粒及其孔隙結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài).

考慮軸向位移與圍壓對(duì)孔隙率變化規(guī)律的影響.由圖9可得，相同n值下試樣的孔隙率隨軸向位移與圍壓的增加而減小.具體而言，相同圍壓條件下，孔隙率大小關(guān)系為軸向位移3 mm > 6 mm >9 mm > 12 mm；同級(jí)軸向位移下，圍壓為0.8 MPa的孔隙率大于圍壓為1.4 MPa的孔隙率.由此可見(jiàn)，破碎巖石滲透試驗(yàn)不能簡(jiǎn)化和忽略圍壓的作用.開(kāi)展破碎巖石三軸滲透試驗(yàn)，考慮軸壓與圍壓的共同作用，對(duì)孔隙率的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

可從宏?細(xì)觀兩方面分析造成上述現(xiàn)象的原因.宏觀方面[9,16]，試樣被滲透前不同級(jí)別的三軸應(yīng)力作用于自然松散堆積的破碎巖石試樣，巖石顆粒之間發(fā)生剛體相對(duì)運(yùn)動(dòng)與棱角接觸性破碎現(xiàn)象，顆粒發(fā)生位移重組，多數(shù)粗顆粒由點(diǎn)?點(diǎn)接觸變?yōu)槊?面接觸，破碎巖石試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)迂曲度在粗顆粒劣化的影響下增大；試樣被滲透后，骨架結(jié)構(gòu)間細(xì)小顆粒在滲流沖刷作用下異位，最終隨著粗顆粒的平衡充填于大小不一的孔隙中，如圖10所示.

圖10 滲透試驗(yàn)前后級(jí)配顆粒巖樣宏?細(xì)觀特征.(a)滲透試驗(yàn)前顆粒特征; (b) 滲透試驗(yàn)后顆粒特征Fig.10 Macro-meso characteristics of granular rock samples before and after the permeation test: (a) particle characteristics before the penetration test; (b) particle characteristics after the penetration test.

細(xì)觀方面，單個(gè)巖石粗顆粒在三軸應(yīng)力和滲流沖刷的綜合作用下破裂、破碎和研磨，產(chǎn)生不同粒徑的次生細(xì)小顆粒.滲透過(guò)程中，水流不僅會(huì)裹挾細(xì)小顆粒遷移流失，同時(shí)會(huì)對(duì)暴露于孔隙中的破碎巖石表面產(chǎn)生沖蝕和磨蝕效應(yīng)，一方面產(chǎn)生更多次生細(xì)小顆粒，另一方面，細(xì)小顆粒的遷移流失與持續(xù)作用的圍壓不斷調(diào)整殘余粗顆粒位置及孔隙結(jié)構(gòu)，最終試樣產(chǎn)生塑性變形并形成穩(wěn)定的導(dǎo)水通道[40].為驗(yàn)證顆粒巖樣在三軸滲透作用下的演化機(jī)理分析的正確性，對(duì)試驗(yàn)后的顆粒進(jìn)行烘干—篩分—稱重，與試驗(yàn)前各粒徑區(qū)間質(zhì)量對(duì)比（表1），記錄并繪制試驗(yàn)后不同n值級(jí)配試樣各粒徑區(qū)間質(zhì)量變化圖，如圖11所示.由圖11可知，破碎凝灰?guī)r樣在三軸應(yīng)力和滲流作用下表現(xiàn)為“粗顆粒（粒徑區(qū)間為2～10 mm）質(zhì)量減少，細(xì)小顆粒（粒徑區(qū)間為0～1 mm）質(zhì)量增加”的規(guī)律，該現(xiàn)象解釋了次生顆粒的來(lái)源，同時(shí)驗(yàn)證了宏?細(xì)觀機(jī)理分析的合理性.綜合試驗(yàn)觀測(cè)與數(shù)據(jù)分析，三軸應(yīng)力下破碎巖石滲透宏?細(xì)觀演化機(jī)理如圖12所示，圖中展示了宏觀方面的“松散堆積、位移重組、破碎充填”機(jī)制以及“破裂、破碎、研磨”等細(xì)觀機(jī)制.

圖11 試驗(yàn)后不同n值級(jí)配試樣各粒徑區(qū)間質(zhì)量變化（正值為增加，負(fù)值為減少）Fig.11 The mass change of each particle size interval of samples with different n-value gradations after the test (+ indicates increased, ?indicates decreased)

圖12 三軸應(yīng)力下破碎巖石滲透演化過(guò)程Fig.12 Seepage evolution process of broken rock under triaxial stress

2.3 顆粒流失對(duì)破碎凝灰?guī)r流速時(shí)變規(guī)律的影響

利用數(shù)據(jù)采集器每隔10 s采集流經(jīng)破碎凝灰?guī)r試樣的體積流量Q(cm3)，每組試樣采集15次，共計(jì) 150 s，通過(guò)式（10）計(jì)算滲流速度v(cm·s?1)：

不同n值試樣滲透試驗(yàn)中流速?時(shí)間關(guān)系如圖13所示.從圖13中可以看出，流速v隨n值的增大而整體增大，可見(jiàn)流速大小與試樣中細(xì)小顆粒占比有關(guān).此外，從圖中還可以看出，流速時(shí)變曲線可分為初始階段、突增階段及緩變階段.圍壓為0.8 MPa時(shí)各階段流速整體大于圍壓為1.4 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)階段的流速.初始階段特征表現(xiàn)為歷時(shí)短、流速低等.圖13(a)中觀察到試樣軸向位移為3 mm與6 mm時(shí)，流速在0～30 s與150～180 s之間下降，原因是高級(jí)別軸壓下細(xì)小顆粒更加致密，在滲流初期堵塞了孔隙結(jié)構(gòu)與出水口.對(duì)比圖13(a)～(d)發(fā)現(xiàn)，初始階段隨著n值增加而減少，n=0.8圍壓為0.8 MPa時(shí)，試樣不存在初始階段，在10 s時(shí)流速即達(dá)到峰值.這是因?yàn)閚值較大且圍壓較小時(shí)，細(xì)小顆粒占比減少，組合也不夠密實(shí)，因此發(fā)生細(xì)小顆粒堵塞突水通道的現(xiàn)象也相對(duì)減少，初始階段現(xiàn)象不明顯甚至消失.隨著滲流時(shí)間增加，堵塞的細(xì)小顆粒無(wú)法承受滲透壓力，水流沖散并卷走孔隙內(nèi)與出水口處的細(xì)小顆粒，發(fā)生噴濺現(xiàn)象，以0～2 mm粒徑區(qū)間的顆粒為主，偶見(jiàn)2～4 mm粒徑區(qū)間的粗顆粒.水流噴濺現(xiàn)象發(fā)生后，流速進(jìn)入緩變階段，該階段對(duì)應(yīng)顆粒緩慢流失階段，此時(shí)試樣已基本形成穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)與導(dǎo)水通道，流速高且穩(wěn)定.觀察圖13可發(fā)現(xiàn)平穩(wěn)階段的流速偶爾發(fā)生波動(dòng)，原因可能是試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)微調(diào)過(guò)程中，遷移顆粒偶爾會(huì)堵塞現(xiàn)有突水通道，在較大的滲透水壓下，堵塞顆粒很快被高壓水流沖開(kāi)，因此表現(xiàn)為流速時(shí)變曲線上下波動(dòng).由此可見(jiàn)，隧道斷層突水過(guò)程中，突水量偶爾減小并不意味著危險(xiǎn)程度下降，反而可能是因?yàn)閹r塊暫時(shí)堵塞突水通道產(chǎn)生突水量減小的假象，這種情況下需及時(shí)做好預(yù)防措施，以防水壓積聚增高造成更為猛烈的二次災(zāi)害.

圖13 不同n值級(jí)配試樣滲透試驗(yàn)中流速?時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果（圖中AD指軸向位移, CP指圍壓）.(a) n=0.2; (b) n=0.4; (c) n=0.6; (d) n=0.8Fig.13 Flow velocity-time test results of different Talbot power exponent gradation samples in penetration test (AD means axial displacement, CP means confining pressure): (a) n=0.2; (b) n=0.4; (c) n=0.6; (d) n=0.8

綜合分析顆粒流失、孔隙率及流速試驗(yàn)結(jié)果，可判定顆粒流失為破碎凝灰?guī)r突水災(zāi)害的內(nèi)因，而三軸應(yīng)力和流水滲透作用為破碎凝灰?guī)r突水災(zāi)害的外因.在內(nèi)外因綜合作用下，破碎凝灰?guī)r滲流流速時(shí)變演化過(guò)程表現(xiàn)出不同的階段和形態(tài)，整個(gè)過(guò)程可分為“平穩(wěn)滲流、滲流流速突增和近似管流”三個(gè)階段.平穩(wěn)滲流階段是破碎凝灰?guī)r突水的孕育階段，試樣內(nèi)部骨架與孔隙結(jié)構(gòu)在水流趨勢(shì)下逐漸膨脹、擴(kuò)展、惡化，細(xì)小顆粒在水流作用下沿著孔隙從入水口向出水口運(yùn)移，此時(shí)水流較小，細(xì)小顆粒流失較少，渾濁度不高；當(dāng)破碎凝灰?guī)r顆粒內(nèi)部的細(xì)小顆粒無(wú)法承受當(dāng)前滲透壓力時(shí)，大量細(xì)小顆粒在短時(shí)間內(nèi)隨水滲流而出，滲流流速突增，進(jìn)而引發(fā)試樣內(nèi)部粗顆粒位移、孔隙結(jié)構(gòu)打開(kāi)、導(dǎo)水通道貫通等鏈?zhǔn)綕B流災(zāi)變，滲流流速突增階段水流渾濁度最高；突水通道完全形成后，滲流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻乒芰麟A段，該階段偶爾有殘存的細(xì)小顆粒和次生顆粒流失，試樣流速趨于穩(wěn)定，如圖14所示.F3斷層帶突水災(zāi)害發(fā)生發(fā)展過(guò)程與試驗(yàn)中的三個(gè)階段相對(duì)應(yīng)：由圖14可知，F(xiàn)3斷層帶突水災(zāi)害爆發(fā)前，多股水流沿掌子面裂隙滲流而出，水質(zhì)較清澈，水流速度與流量不斷增大，與試驗(yàn)中的“平穩(wěn)滲流階段”相似；F3斷層帶突水災(zāi)害爆發(fā)過(guò)程中，水流流速與流量猛增，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，且水質(zhì)渾濁，夾雜細(xì)小粒徑破碎巖石，掌子面在短時(shí)間內(nèi)被淹沒(méi)，與試驗(yàn)中“滲流流速突增階段”相對(duì)應(yīng)；由于現(xiàn)場(chǎng)斷層帶內(nèi)水體靜儲(chǔ)量與動(dòng)儲(chǔ)量有限，加之現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了一定的堵/排水措施，在突水災(zāi)害后期，流量、流速及渾濁度不斷下降，而試驗(yàn)中由于采用穩(wěn)態(tài)水壓補(bǔ)給導(dǎo)致滲流速度未減弱，出現(xiàn)了“近似管流”的現(xiàn)象.綜上所述，破碎巖石三軸滲流試驗(yàn)結(jié)果能夠較好地揭示F3斷層帶突水災(zāi)害的突水模式及滲流時(shí)變演化規(guī)律，驗(yàn)證了試驗(yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.

圖14 三軸滲透試驗(yàn)與F3斷層突水演化過(guò)程Fig.14 Triaxial permeability test and water inrush evolution process of F3 fault

3 結(jié)論

地下工程施工過(guò)程中能否發(fā)生斷層突水災(zāi)害，主要取決于斷層內(nèi)破碎巖石的滲透特性.本文開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)斷層取樣，利用破碎巖石三軸滲流試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)斷層破碎帶凝灰?guī)r進(jìn)行了不同三軸壓力及滲透壓力條件下的三軸滲流壓縮試驗(yàn)，研究并分析了試驗(yàn)過(guò)程中不同粒徑級(jí)配試樣的顆粒流失規(guī)律、孔隙結(jié)構(gòu)及滲流流速時(shí)變演化規(guī)律.得出的主要結(jié)論如下：

（1）各級(jí)配試樣在不同軸向位移與圍壓下的流失顆粒質(zhì)量與時(shí)間可用指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)公式擬合，擬合度不低于94%.曲線隨著n值的增加而變緩，n=0.4～0.6之間存在著最佳級(jí)配點(diǎn)，即斷層破碎帶破碎程度越高，突水災(zāi)害的烈度和危險(xiǎn)程度越高.n值相同時(shí)，軸向位移和圍壓均與流失顆粒質(zhì)量成反比，且軸向位移越大，顆粒流失質(zhì)量隨圍壓減小的幅度越小.

（2）由于顆粒的規(guī)律性流失，試樣孔隙率經(jīng)歷了初期快速增長(zhǎng)階段和后期緩慢變化階段，且孔隙率量級(jí)為0.33～0.52.孔隙率隨n值增大而增大，隨軸向位移與圍壓的增大而減小，簡(jiǎn)化或忽略圍壓將導(dǎo)致較大誤差.

（3）不同級(jí)配n值試樣的流速時(shí)變曲線可劃分為初始階段、突增階段及平穩(wěn)階段，分別對(duì)應(yīng)破碎凝灰?guī)r滲流流速時(shí)變演化過(guò)程中的“平穩(wěn)滲流、滲流流速突增和近似管流”三個(gè)階段.圍壓為0.8 MPa時(shí)各階段流速整體大于圍壓為1.4 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)階段的流速.需制定有效措施預(yù)防斷層突水災(zāi)害過(guò)程中由于細(xì)小巖塊堵塞突水通道而引發(fā)的二次災(zāi)害.