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(shè)計院，太原 030012; 2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098； 3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)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(zhì)作用，巖漿經(jīng)冷凝結(jié)晶形成塊狀構(gòu)造，巖石內(nèi)部礦物顆粒間結(jié)構(gòu)較為致密．巖體內(nèi)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(dāng)大理巖受到水力風(fēng)化耦合作用時，巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)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(fēng)化耦合過程中大理巖的細觀尺度上會呈現(xiàn)出相應(yīng)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(zhì)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(jīng)取得了一系列成果[7-10]．巖石的滲透特性隨著應(yīng)力場的改變而變化[2-5]，試驗結(jié)果表明巖石滲透率與圍壓的關(guān)系符合指數(shù)關(guān)系[11]、對數(shù)函數(shù)關(guān)系[12]和多項式關(guān)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(jié)果表明該巖滲透系數(shù)變化與孔隙度呈負相關(guān)性；常宗旭[13]從理論出發(fā)推導(dǎo)出裂隙巖體流固耦合方程，指出側(cè)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(nèi)學(xué)者開展了一系列關(guān)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(xué)特性．其中，王偉[14]、劉新榮[15]、馬芹永[16]分別對大理巖、泥質(zhì)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(shù)下力學(xué)參數(shù)的劣化程度，較為深入的研究了干濕循環(huán)對巖石的力學(xué)特性的影響效應(yīng)．此外，部分學(xué)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(zhì)砂為研究對象，研究了泥質(zhì)砂巖在不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下的微細觀結(jié)構(gòu)變化，研究結(jié)果表明，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，其微細觀結(jié)構(gòu)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(jié)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(nèi)裂紋組成．

綜上所述，目前關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)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(zhì)，開展不同干濕循環(huán)次數(shù)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(fēng)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(zhì)地較好且尺寸相對精確的4個作為試驗試樣，依次標(biāo)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(nèi)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(shè)為105℃的烘箱內(nèi)烘干1 d至質(zhì)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(xué)巖石力學(xué)實驗室?guī)r石惰性氣體滲透試驗設(shè)備上進行．試驗儀器可實現(xiàn)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(shù)量級，圍壓可加至60 MPa．試驗中通過氣體控制面板分別調(diào)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(xué)性質(zhì)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(jié)構(gòu)的影響效應(yīng)，本文對不同次數(shù)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(shè)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(shè)定值上預(yù)壓1 h穩(wěn)定后進行滲透率的測定，測讀數(shù)據(jù)后再進行下一級圍壓試驗．其中在圍壓15 MPa下，測讀數(shù)據(jù)后繼續(xù)維持2 h的預(yù)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(shù)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(shè)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(nèi)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(dǎo)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(jù)理想氣體狀態(tài)方程，結(jié)合出氣端高敏壓力表記錄的壓力變化，推導(dǎo)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(nèi)部體積(8×10-5m3)；ΔP1為Δt時間段內(nèi)出氣端氣壓變化量(Pa)．

聯(lián)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(jié)果與分析

2.1 大理巖滲透率與圍壓的關(guān)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(shù)下大理巖滲透率與圍壓的關(guān)系圖(如圖3所示)和各干濕循環(huán)次數(shù)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(shù)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(shù)下大理巖滲透率與圍壓的關(guān)系

大理巖是一種具有塊狀構(gòu)造的變質(zhì)巖，其結(jié)構(gòu)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(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)決定，巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)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(jīng)不同次數(shù)干濕循環(huán)后滲透率與圍壓的關(guān)系基本保持一致，圍壓加卸載階段，滲透率與圍壓呈負相關(guān)關(guān)系．由表2可知，試樣經(jīng)干濕循環(huán)0次、12次、28次和44次后，當(dāng)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(dāng)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(dāng)卸載圍壓為5 MPa時，較同級加載圍壓下的孔隙率分別恢復(fù)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(jié)構(gòu)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(yīng)，不同次數(shù)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(fù)了近75%，表明錦屏大理巖脆性較強，較低次數(shù)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(dǎo)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(fù)，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(fù)的塑性變形導(dǎo)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(guān)系，整理試驗數(shù)據(jù)后得到各圍壓下滲透率隨干濕循環(huán)次數(shù)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(shù)的增加而逐漸增大；在同一干濕循環(huán)次數(shù)下，大理巖的滲透率隨圍壓增大而減?。畤鷫簽? MPa下，試樣經(jīng)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(jīng)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(shù)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(shù)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(yīng)更加顯著，在較高的干濕循環(huán)次數(shù)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(yīng)．

圖4 各圍壓下大理巖滲透率與圍壓的關(guān)系

2.3 干濕循環(huán)下大理巖細觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)掃描圖像，如圖5所示．

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下大理巖SEM圖像

從電鏡掃描圖像可以看出，大理巖經(jīng)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(shù)發(fā)展演化．天然狀態(tài)下的大理巖是經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用或接觸變質(zhì)作用形成，從不同放大倍數(shù)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(gòu)造，結(jié)構(gòu)完整性較好，大理巖表面有較少的直線狀微裂紋．當(dāng)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(gòu)造明顯的出現(xiàn)破碎化．綜合比較不同次數(shù)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(shù)增加，大理巖塊狀構(gòu)造逐步破碎化，裂紋不斷擴展并且相互搭接．

3 結(jié) 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(shù)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(jié)論如下：

1)干濕循環(huán)作用下大理巖的孔隙結(jié)構(gòu)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(shù)下，圍壓對滲透率的影響效應(yīng)顯著，較低次數(shù)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(shù)的增加而逐漸增大；在同一干濕循環(huán)次數(shù)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(yīng)更加顯著，在較高的干濕循環(huán)次數(shù)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(shù)增加，大理巖塊狀構(gòu)造逐步破碎化，裂紋不斷擴展并相互搭接．