含石率對(duì)斷層土石混合體滲流特性的影響

譚文輝，董鋒鑫，馬學(xué)文，王鵬飛

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

1 研究背景

突水是礦山開采中常見的動(dòng)力災(zāi)害，據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%礦井事故與地下水作用有關(guān)[1]。深部金屬礦山中，巖體多為硬巖，質(zhì)量較好，斷層型突水占首位[2]。斷層帶巖體松散，完整性較差，絕大多數(shù)斷層裂隙帶內(nèi)均發(fā)育有連續(xù)且厚度不一的角礫和斷層泥混合物，斷層帶的滲流特性基本上取決于這些土石混合體的滲流特性。研究斷層帶土石混合體的滲流特性對(duì)進(jìn)一步完善土石混合體力學(xué)理論體系和防治斷層區(qū)工程突水等地質(zhì)災(zāi)害具有重要意義。

對(duì)土石混合體強(qiáng)度和滲流特性的研究，目前主要集中在結(jié)構(gòu)要素(含石量、塊石形狀、孔隙結(jié)構(gòu)、級(jí)配等)的影響方面，如金磊等[3-4]、董輝等[5]、周中等[6]、Janssen等[7]、Ring等[8]和羅亦琦[9]研究了礫石含量、孔隙比、顆粒形狀和不同級(jí)配對(duì)土石混合體滲透系數(shù)和強(qiáng)度的影響。邱賢德等[10]結(jié)合堆石體顆粒的概率統(tǒng)計(jì)分布模型，建立了堆石體顆粒含量與滲透系數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。徐揚(yáng)等[11]建立了土石混合體顆粒平均粒徑、非均勻度與滲透系數(shù)的關(guān)系。李晶晶等[12]構(gòu)建了土石混合體的孔隙結(jié)構(gòu)模型，引入格子Boltzmann方法分析土石混合體的滲流特性。

此外，在土石混合體的滲流變形破壞特征方面，徐文杰等[13]研究了土石混合體的細(xì)觀滲流場(chǎng)特征、滲透破壞機(jī)制及宏觀滲透系數(shù)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系。沈輝等[14]采用室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了塊石含量對(duì)土石混合體滲透侵蝕特性的影響，建立了適用于土石混合體的滲流侵蝕模型。胡瑞林等[15]系統(tǒng)闡明了含石量、塊石形狀、基質(zhì)組分、土-石級(jí)配等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因子對(duì)土石混合體強(qiáng)度、變形、滲透特性的影響規(guī)律。

上述研究對(duì)象主要為土石壩、庫(kù)岸邊坡等地面工程中的土石混合體，針對(duì)地下斷層破碎帶土石混合體滲流特性的研究卻鮮有報(bào)道。

由構(gòu)造作用形成的斷層破碎帶土石混合體具有較高的滲透性，是地下水害的主要通道，因此，本文擬開展斷層破碎帶土石混合體滲流特性研究。課題組王鵬飛等[16]研究了不施加軸壓，只考慮圍壓和滲壓情況下，不同含石率土石混合體試樣滲透系數(shù)的變化規(guī)律，本文擬在其基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)取樣、實(shí)驗(yàn)室重塑的方法，重點(diǎn)研究三軸壓力作用下，土石混合體的滲透特性，并采用數(shù)值模擬方法從細(xì)觀上研究不同含石率土石混合體試樣的滲流特性和破壞規(guī)律，為礦山突水防治提供參考。

2 土石混合體滲流特性試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料及試樣制備

試驗(yàn)所用土石混合體取自三山島金礦西山分礦高程-780 m水平段北巷F3斷層帶處，勘探線樁號(hào)1820—樁號(hào)1840之間，礫石巖性為花崗巖，形狀較規(guī)則，級(jí)配良好，天然含水率約 9.5%。斷層破碎帶土石混合體充填物的主要成分為具有較強(qiáng)膠結(jié)性的絹云母和石英等硅酸鹽礦物質(zhì)，同時(shí)還含有少量的高嶺石和伊蒙石混層。

土石混合體重塑試樣高100 mm、直徑50 mm。根據(jù)Medley[17]、徐文杰等[18]提出的土石混合體的粒徑閾值d=0.05Lc(Lc為土石混合體的工程特征尺度)并參考美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)[19]，確定塊石的粒徑范圍為2.5～8.3 mm，<2.5 mm的為土體。

土石混合體的含石率為塊石質(zhì)量與試樣總質(zhì)量的比值，當(dāng)含石率在20%～70%之間時(shí)，由于塊石含量和土樣含量相對(duì)均衡，此時(shí)塊石含量對(duì)土石混合體試樣的滲透特性的影響較明顯，因此選取含石率分別為20%、30%、40%、50%、60%和70%的6種土石混合體試樣，進(jìn)行不同含石率下斷層帶土石混合體的滲流特性研究。表1為各含石率土石混合體的粒徑分布特征指標(biāo)。由表1可以看出，含石率為20%的試樣均勻性相對(duì)較好，其余含石率土石混合體試樣均勻性較差。

表1 不同含石率土石混合體粒徑分布特征指標(biāo)

為了盡量減少孔隙率與密實(shí)度對(duì)滲流特性的影響，采用將不同含石率土石混合體試樣中的土體調(diào)整成統(tǒng)一密度的方法制作試樣[16]，根據(jù)不同含石率土石混合體中土體的擊實(shí)曲線確定土體密度定為1.82 g/cm3，通過(guò)擊實(shí)次數(shù)控制不同含石率試樣中土體的密度。制備試樣前，先將模具內(nèi)部擦拭干凈，并涂抹凡士林，按照要進(jìn)行試驗(yàn)的6種含石率把篩分好的土、石混合拌勻，并加入一定量的水增強(qiáng)其膠結(jié)性。將混合好的試樣分3層放入模具中，每一層都均勻擊實(shí)，且擊實(shí)后對(duì)擊實(shí)面進(jìn)行刨毛處理。將完成的試件放置到養(yǎng)護(hù)箱中24 h后拆模，并繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d以提高其自由水轉(zhuǎn)化率。制作完成的土石混合體試樣如圖1所示。本次試驗(yàn)所制得土石混合體試樣與斷層帶土石混合體具有相同的結(jié)構(gòu)成分，但試樣尺寸較小且經(jīng)過(guò)壓實(shí)處理，密實(shí)度較大。

2.2 三軸應(yīng)力狀態(tài)下的土石混合體滲流試驗(yàn)

礦井深部斷層帶處的土石混合體由于受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及水壓的作用，一般處于比較密實(shí)穩(wěn)定的狀態(tài)；但受巷道開挖、爆破擾動(dòng)等因素的干擾，特別是當(dāng)巷道穿過(guò)斷層帶時(shí)，打破了斷層帶土石混合體之前所處的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致斷層帶土石混合體處于應(yīng)力釋放狀態(tài)。在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，為了更好地契合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，保證試驗(yàn)時(shí)土石混合體試樣外壁與乳膠套之間不漏水，選取0.10、0.14、0.18 MPa三種圍壓，研究三軸壓力狀態(tài)下土石混合體的應(yīng)力、應(yīng)變及滲透系數(shù)的變化情況。

土石混合體滲透試驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法[20]，應(yīng)用GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，將制備好的試樣裝樣完畢后，先對(duì)試樣施加 0.02 MPa的低水壓，直到試樣飽和。試驗(yàn)時(shí)，滲流水頭差保持0.08 MPa不變，即進(jìn)水口壓力設(shè)為0.08 MPa，出口通大氣，待水壓穩(wěn)定，試樣內(nèi)部達(dá)到穩(wěn)定滲流后正式開始試驗(yàn)。以應(yīng)力控制方式逐步對(duì)土石混合體試樣施加軸向荷載，記錄每級(jí)軸壓下的滲流量并計(jì)算滲透系數(shù)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的精確性，土石混合體的應(yīng)變控制在12%以內(nèi)。

根據(jù)達(dá)西定律，土石混合體試樣滲透系數(shù)k的計(jì)算公式為

(1)

式中：γw為水的重度(kN/m3)；Q為單位時(shí)間通過(guò)試樣的水量(m3/s)；L為試樣高度(m)；A為試樣截面積(m2)；Δh為試樣兩端水壓差(MPa)。

2.2.1 不同圍壓下土石混合體試樣應(yīng)力-應(yīng)變與滲透系數(shù)-應(yīng)變的變化規(guī)律

圖2是不同圍壓下土石混合體試樣應(yīng)力-應(yīng)變-滲透系數(shù)的變化情況，由圖2可以看出：

(1)隨著圍壓和含石率的提高，土石混合體試樣的強(qiáng)度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

(2)不同含石率條件下，試樣滲透系數(shù)均隨圍壓的增大而減小，同時(shí)，隨著變形的增大，滲透系數(shù)總體上也逐漸減小。當(dāng)含石率在20%～40%時(shí)，隨著應(yīng)變的增加，滲透系數(shù)的變化曲線是單調(diào)的，而含石率>50%時(shí)，滲透系數(shù)出現(xiàn)了一定的波動(dòng)。造成這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)含石率較高時(shí)，塊石在試樣中占據(jù)主導(dǎo)地位，在壓縮過(guò)程中塊石容易發(fā)生位移，易出現(xiàn)短暫的較大孔隙，導(dǎo)致滲透系數(shù)發(fā)生突變。

(3)隨著壓力的增加，不同含石率試樣的滲透系數(shù)變化范圍并不大，沒有數(shù)量級(jí)的變化，這是由于為了盡量減少孔隙率與密實(shí)度對(duì)滲流特性的影響，試驗(yàn)前土石混合體試樣經(jīng)過(guò)擊實(shí)壓密處理，試樣內(nèi)部大部分孔隙被壓縮，使壓力變化對(duì)滲透系數(shù)的影響有所減小。

土石混合體試樣在無(wú)軸向壓力[16]和三軸應(yīng)力狀態(tài)下的滲透性存在一定的聯(lián)系和區(qū)別。在同一含石率下，兩種應(yīng)力狀態(tài)下土石混合體試樣的滲透性都是隨著圍壓的升高而降低；含石率的高低對(duì)試樣的滲透性具有較大的影響，40%含石率在兩種應(yīng)力狀態(tài)下都相對(duì)特殊。區(qū)別在于無(wú)軸向壓力時(shí)，試樣的滲透系數(shù)變化曲線是比較光滑的；三軸應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)含石率在50%～79%之間時(shí)，滲透系數(shù)變化曲線出現(xiàn)一定的波動(dòng)。

2.2.2 土石混合體試樣滲透系數(shù)與軸壓函數(shù)關(guān)系

在三軸應(yīng)力狀態(tài)下，除了圍壓對(duì)土石混合體試樣滲透性的影響外，軸向壓力的變化同樣是影響試樣滲透系數(shù)變化的重要因素。土石混合體試樣滲透系數(shù)與軸壓的關(guān)系可通過(guò)非線性擬合，其指數(shù)函數(shù)關(guān)系式為

k=k0exp(-aσ) 。

(2)

式中：k為土石混合體試樣的滲透系數(shù)(cm/s)；k0為初始滲透系數(shù)(cm/s)；a為擬合參數(shù)；σ為軸壓(MPa)。

不同圍壓下，不同含石率土石混合體試樣的滲透系數(shù)與軸壓關(guān)系擬合曲線及擬合結(jié)果分別如圖3和表2所示。曲線整體擬合效果較好，擬合度均在90%之上。其中含石率為20%、40%時(shí)的擬合效果最好，在三種圍壓條件下擬合度均在95%之上；含石率為70%時(shí)的擬合效果稍差，但擬合度也在90%以上。式(2)較好地描述了土石混合體試樣滲透系數(shù)與軸壓的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。由圖3可以看出，隨軸壓的增大，不同含石率下的試樣滲透系數(shù)均有所下降。同一應(yīng)力狀態(tài)下，隨著含石率的增加，試驗(yàn)滲透系數(shù)先減小后增大，含石率40%時(shí)達(dá)到最低，之后迅速升高，且隨軸壓增大，不同含石率試樣的滲透系數(shù)差距逐漸減小，這與先前未施加軸壓下的滲流試驗(yàn)結(jié)果[16]一致。由表2也可以看出，圍壓越大，初始滲透系數(shù)越小，這是因?yàn)樵嚇釉趪鷫鹤饔孟旅軐?shí)度較高，空隙率低。

表2 土石混合體試樣滲透系數(shù)與軸壓指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果

2.2.3 滲透系數(shù)對(duì)含石率變化的敏感性分析

將土石混合體滲透系數(shù)對(duì)含石率變化的敏感系數(shù)ck定義為[16]

(3)

式中：Δk為土石混合體試樣的滲透系數(shù)差值(cm/s)；k20為含石率為20%時(shí)的滲透系數(shù)(cm/s)；ΔRc為不同含石率與20%的差值。

圖4反映出3種圍壓下土石混合體滲透系數(shù)對(duì)含石率變化的敏感性。 由圖4可以看出：含石率較小時(shí)，土石混合體試樣滲透系數(shù)對(duì)含石率變化的敏感系數(shù)較小，且以負(fù)向敏感為主，敏感系數(shù)<0，隨著含石率的升高，敏感系數(shù)逐漸由負(fù)向敏感變?yōu)檎蛎舾?。在含石率?0%時(shí)，敏感系數(shù)接近-2，說(shuō)明滲透系數(shù)變化較大；含石率>40%后，試樣中塊石逐漸處于主導(dǎo)地位，含石率的微小變化就可能引起試樣孔隙度的巨大改變，因此試樣滲透系數(shù)對(duì)含石率的敏感度不斷增大，到60%時(shí)達(dá)到峰值，敏感系數(shù)>3，而且圍壓越大，敏感系數(shù)越大；含石率>60%后，塊石處于土石混合體試樣中的主導(dǎo)地位，其含量變化對(duì)試樣孔隙度的影響已十分有限，敏感系數(shù)又開始降低?？傮w而言，敏感系數(shù)的絕對(duì)值越大越敏感，含石率40%和60%分別是曲線上負(fù)向和正向的最敏感點(diǎn)。

3 土石混合體滲流特性數(shù)值模擬

為了研究土石混合體在水壓作用下內(nèi)部水滲流以及破壞演化情況，采用巖石破裂過(guò)程分析(Rock Failure Process Analysis，RFPA)軟件進(jìn)行模擬研究。RFPA 數(shù)值模擬軟件可以模擬裂紋的萌生、擴(kuò)展等巖體破壞過(guò)程，其中的RFPA2D-Flow 固液耦合模塊可以較好地模擬巖石、土體等固體材料的滲流破壞過(guò)程問題[21-22]。

3.1 模型的建立

建立如圖5所示的3種含石率試件的二維平面模型，模型高100 mm，寬50 mm，考慮塊體的最小值與最大值，取5 mm為模型中石塊直徑，隨機(jī)分布。模型中土和巖石的各項(xiàng)參數(shù)見表3。模擬分析過(guò)程中，取側(cè)壓為實(shí)驗(yàn)中的中間值0.14 MPa，對(duì)模型施加0.1 MPa下進(jìn)水口水壓和0.02 MPa上出水口水壓，加載過(guò)程采用位移控制，位移增量ΔS=0.03 mm，即每步0.03 mm，加載步數(shù)設(shè)置為80步，模型中的塊石滲透系數(shù)極低，可以看成幾乎不滲水。

表3 土和巖石的物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 孔隙水壓力條件下含石率對(duì)土石混合體強(qiáng)度的影響

圖6是孔隙水壓作用下，土石混合體強(qiáng)度的變化曲線。由圖6可見，在孔隙水壓力條件下，整個(gè)應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程可分為：線彈性階段、非線性變形階段及軟化階段。 20%、40%、70%含石率模型的峰值強(qiáng)度分別為1.14、1.22和1.47 MPa，可見含石率越大，試樣的強(qiáng)度越大。

不同含石率下的土石混合體數(shù)值模型到達(dá)峰值強(qiáng)度的加載步數(shù)也是不一樣的，20%、40%及70%含石率試樣到達(dá)峰值強(qiáng)度的加載步數(shù)分別為35、30、22，這是因?yàn)橥翗拥暮枯^高時(shí)，試樣可被壓縮的空間較大，需要的加載步數(shù)相對(duì)多一些，而當(dāng)塊石的含量較高時(shí)，試樣被壓縮的空間減小，試樣到達(dá)峰值強(qiáng)度的加載步數(shù)要少。當(dāng)含石率較低時(shí)，試樣模型的應(yīng)力變化曲線較為光滑，而隨著含石率的增加，模型在非線性變形階段以及軟化階段時(shí)應(yīng)力曲線有一定的起伏。

3.2.2 土石混合體破裂過(guò)程中滲透系數(shù)的變化

為了研究土石混合體試樣破裂特性，將試樣加載過(guò)程中的滲透系數(shù)、軸向應(yīng)力及聲發(fā)射情況繪制在同一個(gè)坐標(biāo)圖中，如圖7所示。由圖7可見：

(1) 在初始階段，隨著時(shí)步增加，土石混合體試樣逐漸密實(shí)，滲透系數(shù)逐漸減小。繼續(xù)加載，試樣的密實(shí)度進(jìn)一步增加，滲透系數(shù)變化趨勢(shì)減緩。當(dāng)土石混合體試樣的強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)，試樣被壓縮到最密實(shí)狀態(tài)，含石率20%、40%和70%所對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)分別為0.002 8、0.002 2、0.003 4 m/d。上述3種試樣中，含石率40%的試樣滲透系數(shù)最低，含石率70%試樣的滲透系數(shù)最高，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。當(dāng)繼續(xù)加載到試樣發(fā)生破壞時(shí)，試樣出現(xiàn)了貫通裂紋，由于圍壓的作用，此階段試樣滲透系數(shù)的增加比較緩慢。

(2) 當(dāng)試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，聲發(fā)射數(shù)最高，含石率20%、40%和70%所對(duì)應(yīng)的峰值強(qiáng)度聲發(fā)射數(shù)分別為742、464和193。可見，含石率越高，到達(dá)峰值強(qiáng)度時(shí)的聲發(fā)射數(shù)越低。土石混合體試樣的破壞與聲發(fā)射能量變化具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且隨著含石率的升高，試樣破壞失穩(wěn)時(shí)的聲發(fā)射次數(shù)也越低。滲透系數(shù)的突變發(fā)生在試樣破裂之后，二者之間具有一定的時(shí)間差。

3.2.3 不同含石率下土石混合體的破裂模式

圖8顯示了不同含石率試件在加載過(guò)程中3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的裂紋出現(xiàn)與聲發(fā)射情況。從圖中可以看出：

(1)試樣在線彈性階段均未出現(xiàn)裂紋，當(dāng)含石率為20%，加載到35時(shí)步，模型到達(dá)破裂臨界點(diǎn)，但裂紋變化并不明顯，當(dāng)繼續(xù)加載到70時(shí)步，可以看到有一條較為明顯的裂紋沿著塊石排列較為集中的方向展開。

(2)當(dāng)含石率為40%，加載到第30時(shí)步，模型到達(dá)破裂臨界點(diǎn)，已經(jīng)可以看出有多條細(xì)微的裂紋；繼續(xù)加載到第70時(shí)步，清晰可見多條裂紋，其中最為明顯的裂紋出現(xiàn)在模型中間塊石分布較為松散處。

(3)當(dāng)含石率為70%，加載到第22時(shí)步，模型到達(dá)破裂臨界點(diǎn)，沿著塊石之間的縫隙出現(xiàn)了多條裂紋；繼續(xù)加載到第70時(shí)步，試樣出現(xiàn)了非常明顯的破壞。

從土石混合體試樣各階段的聲發(fā)射情況也可以直觀地看出試樣在加載過(guò)程中的破裂情況。含石率為20%時(shí)，試樣的聲發(fā)射能量區(qū)主要是在塊石集中的邊緣區(qū)；當(dāng)含石率為40%和70%時(shí)，聲發(fā)射能量區(qū)主要集中在塊石與塊石之間的填充土樣區(qū)，聲發(fā)射能量集中的區(qū)域正是試樣出現(xiàn)裂紋的區(qū)域。

4 結(jié) 論

土石混合體是斷層破碎帶的重要組成部分，為研究其滲流特性，本文采用現(xiàn)場(chǎng)取樣、實(shí)驗(yàn)室重塑的方法開展了不同含石率的土石混合體GDS三軸滲流試驗(yàn)，并利用RFPA模擬分析了不同含石率下的土石混合體滲流特性和破壞演化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)含石率為20%、30%、40%、50%、60%、70%的土石混合體重塑試樣的GDS三軸滲流試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，40%含石率是試樣滲透系數(shù)變化曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；同種含石率下圍壓和軸壓的增加都會(huì)引起試樣滲透系數(shù)的下降；滲透系數(shù)與軸壓間的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)描述。

(2)采用RFPA軟件對(duì)20%、40%、70%含石率的土石混合體模型進(jìn)行了滲流的數(shù)值模擬試驗(yàn)。分析得出，在孔隙水壓力一定情況下，含石率越高，土石混合體強(qiáng)度也越高；加載過(guò)程中土石混合體的裂紋集中出現(xiàn)在塊石與塊石之間的填充土樣處；滲透系數(shù)的突變點(diǎn)與試樣峰值破壞強(qiáng)度點(diǎn)及聲發(fā)射次數(shù)最高點(diǎn)一致。

(3)由于數(shù)值分析模型采用二維平面應(yīng)力模型，對(duì)模型施加側(cè)壓，軸向加載試驗(yàn)時(shí)可以加載到破壞，因此可以看到滲透系數(shù)出現(xiàn)突變，而GDS試驗(yàn)是在三維應(yīng)力狀態(tài)下，對(duì)土石混合體試樣施加圍壓，且設(shè)定應(yīng)變不超過(guò)12%，所以兩種情況下的試驗(yàn)結(jié)果不是定量對(duì)應(yīng)的，但是兩種方法得出的滲流規(guī)律較為吻合。

(4)由于本文采用的是重塑試樣，其結(jié)構(gòu)與自然狀態(tài)有所改變，因此研究成果與斷層帶土石混合體實(shí)際滲流情況會(huì)有一定的差別。但是含石率對(duì)土石混合體的滲透系數(shù)、滲流路徑、滲流破壞的影響仍然可以為實(shí)際工程提供參考。