謝向東，劉素梅

?

水巖作用的丹江口庫(kù)區(qū)巖石力學(xué)性能試驗(yàn)

謝向東1，劉素梅2

(1.湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053；2.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

通過(guò)對(duì)丹江口庫(kù)區(qū)廣泛分布的砂巖、微風(fēng)化輝綠巖和輝綠巖的標(biāo)準(zhǔn)化試樣進(jìn)行干燥、庫(kù)水浸泡1周和浸泡3個(gè)月處理，然后對(duì)經(jīng)過(guò)3種處理的試樣的力學(xué)性能分別進(jìn)行了不同圍壓下的三軸試驗(yàn)研究，以此探討物理化學(xué)作用對(duì)庫(kù)區(qū)巖石力學(xué)性能的影響，為丹江口水庫(kù)續(xù)建工程誘發(fā)地震機(jī)理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù). 結(jié)果表明，丹江口庫(kù)水對(duì)巖石的化學(xué)作用不明顯，但是物理作用明顯，即經(jīng)過(guò)庫(kù)水物理化學(xué)作用后，巖石抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比均下降，而且?guī)焖饔脮r(shí)間越長(zhǎng)，力學(xué)參數(shù)降低越多.

丹江口庫(kù)區(qū)；巖石力學(xué)；水巖物理化學(xué)作用

水庫(kù)誘發(fā)地震是水庫(kù)蓄水后多種因素綜合影響的結(jié)果，比如庫(kù)水靜壓力[1]、水位升降變化、庫(kù)水下滲引起的孔隙水壓力[2-3]、庫(kù)水對(duì)巖石和斷層的侵潤(rùn)、化學(xué)作用等[4-6]. 這些因素都與庫(kù)水有關(guān)，可見(jiàn)庫(kù)水在水庫(kù)誘發(fā)地震中占據(jù)重要地位. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)充分注意到水對(duì)巖石的物理化學(xué)作用，并提出它是水庫(kù)誘發(fā)地震的關(guān)鍵因素，但關(guān)于丹江口庫(kù)區(qū)巖石水巖物理化學(xué)作用的定量研究尚未見(jiàn)諸報(bào)道. 本文對(duì)丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)代表巖樣進(jìn)行水巖物理化學(xué)作用試驗(yàn)研究，探討巖石在水巖物理化學(xué)作用后的力學(xué)性能，為丹江口水庫(kù)續(xù)建工程誘發(fā)地震研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)方案

為了比較水巖物理化學(xué)作用效果，本文分別對(duì)干燥狀態(tài)、庫(kù)水浸泡1周、庫(kù)水浸泡3個(gè)月的巖石試樣進(jìn)行分組試驗(yàn)，以得到巖石在3種狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù). 試驗(yàn)方案如下：1)根據(jù)庫(kù)區(qū)地質(zhì)地形圖，分析庫(kù)區(qū)代表性巖石，確定試驗(yàn)的巖樣類(lèi)型；2)深入庫(kù)區(qū)，用手持GPS定位儀進(jìn)行定位，并將巖樣與地質(zhì)圖進(jìn)行對(duì)比，確定無(wú)誤后，采集新鮮巖樣，并按照統(tǒng)一編號(hào)標(biāo)記后密封保存；3)根據(jù)《試驗(yàn)規(guī)程》[7]將現(xiàn)場(chǎng)采取的巖樣制備成Φ50mm×100mm的圓柱體試件，每種巖石制備3組(每組5個(gè))，3組共45個(gè)試件，分別進(jìn)行干燥、庫(kù)水浸泡1周、庫(kù)水浸泡3個(gè)月的處理；4)對(duì)3組試件分別進(jìn)行不同圍壓下(0MPa, 5MPa, 10MPa, 20MPa, 40MPa)的三軸壓縮變形試驗(yàn)[8]，每種試驗(yàn)用15塊試件，研究三軸壓縮條件下巖石的力學(xué)性能，包括抗壓強(qiáng)度、變形特性及其相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)比較浸泡不同時(shí)間后巖石力學(xué)參數(shù)的變化研究水巖物理化學(xué)作用對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響.

2 試驗(yàn)方法

嚴(yán)格按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[9]的要求，制備合理的試件，分別對(duì)各組時(shí)間進(jìn)行干燥、庫(kù)水浸泡1周和浸泡3個(gè)月的處理后進(jìn)行試驗(yàn)，三軸壓縮變形試驗(yàn)在MTS815.03剛性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行. 試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行描述，如：巖石名稱(chēng)、顏色、主要礦物成分，顆粒大小及結(jié)構(gòu)特征等可能影響試驗(yàn)結(jié)果的因素. 試驗(yàn)前預(yù)估試樣的破壞荷載，以20 KN/min的加載速度加載，試驗(yàn)過(guò)程中密切監(jiān)視試驗(yàn)曲線. 當(dāng)變形曲線接近峰值點(diǎn)時(shí)，從“應(yīng)力控制”切換為“應(yīng)變控制”，得到變形后期的變形曲線. 三軸壓縮變形試驗(yàn)結(jié)束后，整理數(shù)據(jù)，繪制應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，并計(jì)算巖石彈性模量，泊松比，內(nèi)摩擦角Φ和粘聚強(qiáng)度c.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)前述試驗(yàn)方法，得出庫(kù)區(qū)代表性巖樣在經(jīng)過(guò)干燥、庫(kù)水浸泡1周和庫(kù)水浸泡3個(gè)月處理后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1—8所示.

圖1 3種巖石單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖2 3種巖石5MPa圍壓下軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖3 3種巖石10MPa圍壓下軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖4 3種巖石20MPa圍壓下軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖5 3種巖石40MPa圍壓下軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖6 砂巖軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖7 微風(fēng)化輝綠巖軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖8 輝綠巖軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

1) 砂巖在0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa圍壓下3種狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果分別如圖1—5的(a)圖所示：由圖中試驗(yàn)曲線可以看出砂巖峰值強(qiáng)度在不同圍壓下基本符合干燥狀態(tài)最大，庫(kù)水浸泡1周次之，庫(kù)水浸泡3個(gè)月最小的規(guī)律；而且隨圍壓的增加而增大，其中干燥狀態(tài)最高達(dá)150Mpa，庫(kù)水浸泡3個(gè)月最高達(dá)60Mpa. 砂巖在干燥低圍壓條件下發(fā)生脆性破壞，隨著庫(kù)水浸泡時(shí)間增加逐漸轉(zhuǎn)化為延性破壞. 當(dāng)圍壓增加到一定程度后干燥狀態(tài)的砂巖也發(fā)生延性破壞，而且隨著庫(kù)水浸泡時(shí)間增加其強(qiáng)度降低.

2) 微風(fēng)化輝綠巖在0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa圍壓下3種狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分別如圖1—5的(b)圖所示：由圖中應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出微風(fēng)化輝綠巖的試驗(yàn)結(jié)果不太理想，可能是由于巖樣受風(fēng)化，質(zhì)地不均勻造成的. 但基本上還是滿足干燥狀態(tài)的峰值強(qiáng)度最大，庫(kù)水浸泡1周次之，庫(kù)水浸泡3個(gè)月最小的規(guī)律；而且隨圍壓增加峰值強(qiáng)度增大. 其中干燥狀態(tài)的峰值強(qiáng)度最高達(dá)300Mpa，飽和狀態(tài)最高達(dá)120Mpa. 微風(fēng)化輝綠巖干燥狀態(tài)彈性變形較大，而且隨著圍壓增加強(qiáng)度增大變形也增大；庫(kù)水浸泡1周后其彈性變形相對(duì)干燥狀態(tài)有所變小，這是由于吸水膨脹使微風(fēng)化輝綠巖的裂隙彌合所致. 隨著庫(kù)水浸泡時(shí)間增加，其強(qiáng)度越來(lái)越小，但是延性增加.

3) 輝綠巖在0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa圍壓下3種狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分別如圖1—5的(c)圖所示：由圖中應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出輝綠巖的峰值強(qiáng)度基本滿足干燥狀態(tài)最大，庫(kù)水浸泡1周次之，庫(kù)水浸泡3個(gè)月最小的規(guī)律，而且隨圍壓增加而增大. 3種狀態(tài)的關(guān)系曲線相對(duì)比較接近. 其中干燥狀態(tài)的峰值強(qiáng)度最高達(dá)420Mpa，庫(kù)水浸泡3個(gè)月最高達(dá)320Mpa. 輝綠巖試塊在低圍壓干燥狀態(tài)或者浸泡1周后基本上都是發(fā)生脆性破壞，隨著圍壓增加或庫(kù)水浸泡時(shí)間增長(zhǎng)，其延性都增加，庫(kù)水浸泡時(shí)間的增加更有利于其延性的提高.

4) 3種巖石各種狀態(tài)(干燥狀態(tài)，庫(kù)水浸泡1周，庫(kù)水浸泡3個(gè)月)不同圍壓(0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa)下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果繪于圖6—8中. 由圖6可以看出砂巖在3種狀態(tài)下的應(yīng)力基本都是隨圍壓增加而增加，隨圍壓的變化其應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的變化. 由圖7、8可以看出不同狀態(tài)的微風(fēng)化輝綠巖和輝綠巖在低圍壓下發(fā)生脆性破壞，而且其應(yīng)力應(yīng)變曲線基本重合，但是高圍壓下轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐?

3.2 巖樣彈性模量E，彈性泊松比μ，內(nèi)摩擦角Φ和粘聚強(qiáng)度C

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)推薦的《巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法》[8]中關(guān)于彈性模量，泊松比，內(nèi)摩擦角及粘聚強(qiáng)度的計(jì)算，可以得到各類(lèi)巖石的力學(xué)參數(shù)如表1，2所示. 由表1，2可以看出，經(jīng)過(guò)不同處理的巖石材料的彈性參數(shù)有比較大的差異，這些參數(shù)的改變反映了各狀態(tài)下變形性狀的某種差異.

表1 3種巖石不同狀態(tài)不同圍壓下的彈性模量和波松比

表2 3種巖石的內(nèi)摩擦角和粘聚強(qiáng)度

3.3 水巖物理化學(xué)作用分析

通過(guò)前述試驗(yàn)結(jié)果分析可知，庫(kù)水對(duì)巖石的物理化學(xué)作用對(duì)其力學(xué)性能有著顯著的影響. 當(dāng)庫(kù)水浸入巖石內(nèi)部時(shí)，就順著裂隙進(jìn)入，潤(rùn)濕巖石全部自由面上的每個(gè)礦物顆粒. 水分子的介入改變了巖石的物理狀態(tài)，削弱了顆粒間的聯(lián)系，伴隨發(fā)生一些化學(xué)反應(yīng). 在干燥狀態(tài)和庫(kù)水浸泡狀態(tài)下所求得的巖石力學(xué)參數(shù)具有明顯的差別，這一差異在微風(fēng)化輝綠巖和砂巖中表現(xiàn)得更加突出，這種巖石吸水后強(qiáng)度弱化的現(xiàn)象與巖石的總空隙率有著直接的聯(lián)系. 由于孔隙中的水對(duì)巖石中礦物的溶蝕、軟化、泥化、膨脹以及化學(xué)作用，使得庫(kù)水浸泡狀態(tài)下巖石抗壓強(qiáng)度有所降低. 本文試驗(yàn)中砂巖在40MPa圍壓下干燥狀態(tài)的峰值強(qiáng)度是庫(kù)水浸泡3個(gè)月后強(qiáng)度的3倍，微風(fēng)化輝綠巖是兩倍，輝綠巖在3種巖石中最堅(jiān)硬致密，所以變化不大.

4 結(jié)論

1) 庫(kù)水浸泡時(shí)間對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的影響是顯著的，巖石吸水后會(huì)發(fā)生一系列的物理化學(xué)作用，從而使其強(qiáng)度有明顯的降低. 一般說(shuō)來(lái)，庫(kù)水浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度就越低，反之亦然. 隨著庫(kù)水浸泡時(shí)間的增加巖石抗壓強(qiáng)度弱化程度與巖石的堅(jiān)硬致密程度與親水性強(qiáng)弱等有密切關(guān)系.

2) 巖石彈性變形參數(shù)隨著試驗(yàn)狀態(tài)的不同有所差異，各類(lèi)巖樣的彈性模量E，彈性泊松比μ，內(nèi)摩擦角Φ和粘聚強(qiáng)度c在不同試驗(yàn)條件下的差異較大，因此在工程中應(yīng)用這些參數(shù)時(shí)要考慮巖石所處的物理環(huán)境.

[1] 劉素梅, 徐禮華. 丹江口庫(kù)區(qū)水壓應(yīng)力場(chǎng)的有限元模擬[J]. 水利學(xué)報(bào), 2005, 36(7): 863-869.

[2] TALWANI PRADEEP，ACREE S. Pore pressure diffusion and the mechanism of reservoir-induced seismicity[J]. Pure& Application Geophysics, 1985, 122(6): 947-965.

[3] 高士鈞, 曾心傳, 陳永成, 等. 水庫(kù)誘生的孔壓變化及應(yīng)力特征[J]. 西北地震學(xué)報(bào), 1990, 12(1): 57-95.

[4] 王 偉, 劉桃根, 呂 軍, 等. 水巖化學(xué)作用對(duì)砂巖力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012, 31(2): 3607-3707.

[5] 李思悅, 譚 香, 徐志方, 等. 湖北丹江口水庫(kù)主要離子化學(xué)季節(jié)變化及離子來(lái)源分析[J]. 環(huán)境科學(xué), 2008, 29(12): 3353-3359.

[6] 鄭凡東, 劉立才, 楊牧騎, 等. 南水北調(diào)水源北京西郊回灌的水巖相互作用模擬[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2012, 39(6): 22-28.

[7] 中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)部. DY-94巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京: 地質(zhì)出版社, 1949.

[8] 國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì). 巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 1982.

[9] 中華人民共和國(guó)水利部. sL264一201水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程[S]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古大學(xué)出版社, 2003.

[6] 黃乃安, 張紹波. 丹江口水庫(kù)誘發(fā)地震趨勢(shì)研究[J]. 華南地震, 1991, 11(4): 67-74.

[7] CHEN LINYUE, TALWANI PRADEEP. Reservoir-induced seismicity in China[J]. Pure and applied geophysics, 1998, 153: 133-149

[8] MATCHARASHVILI TEIMURAZ, CHELIDZE TAMAZ, PEINKE JOACHIM. Increase of order in seismic processes around large reservoir induced by water level periodic variation[J]. Nonlinear Dynamics, 2008, 51(3): 399-407.

[9] KANGI ABAS, HEIDARI NEMATOLLAH. Reservoir-induced seismicity in Karun Ⅲ dam (Southwestern Iran)[J]. Journal of Seismology, 2008, 12(4): 519-527.

[10] 劉素梅, 徐禮華. 丹江口水庫(kù)區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 23(23): 4017-4021.

[11] 謝向東, 徐禮華, 李彥強(qiáng). 丹江口庫(kù)區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)的反演[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 44(2): 217-224.

Water-rock Interaction Between Rock and Reservoir Water in Danjiangkou Area

XIE Xiangdong1, LIU Sumei2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China; 2. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

By the physical-chemical interaction between reservoir water and rock specimens in Danjiangkou area which are on dry state, have been soaked for one week and for three months. Physical-chemical interaction between water and rocks are experimented under different confining pressure on MTS in Danjiangkou reservoir, which can provide basic data for the study on the reservoir-induced seismicity mechanism of Danjiangkou reservoir. The results show that the chemical interaction is non-significant, but the physical action is notable. Values of physical mechanics parameters reduce with the increase of soaking-time.

Danjiangkou reservoir area; Rock mechanics; Physical-chemical interaction between water and rock

TU45

A

2095-4476(2014)05-0037-05

2014-03-14;

2014-04-15

湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012FFC05201, 2011CDB267)

謝向東(1975— ), 男, 河南南陽(yáng)人, 湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院講師, 博士, 主要研究方向: 工程結(jié)構(gòu)抗震.

(責(zé)任編輯：饒 超)