黃昌富，張帥龍，高永濤，吳順川,3，周喻，孫浩，王文強，王悅，楊文志

(1.中鐵十五局集團有限公司，上海，200070；(2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京，100083；3.昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明，650093；4.河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作，454000；5.中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京，101300)

富水斷層帶破碎巖體處于三向應力狀態(tài)，具有孔隙率大和滲透性高等特點，在承壓水壓與地應力耦合作用下極易發(fā)生滲透失穩(wěn)破壞，當隧道開挖至斷層破碎帶附近時，地下水攜帶充填泥沙、碎石等從斷層內(nèi)部涌入隧道，發(fā)生突水突泥災害[1]。因此，研究斷層破碎巖體滲流特性及滲流失穩(wěn)特征對隧道水害防治具有重要的現(xiàn)實意義和工程指導價值[2?3]。

目前，國內(nèi)外學者對不同巖性破碎巖體的滲流特性進行了大量研究[4?5]。陳占清等[6?8]應用自主研制的破碎巖體滲透試驗系統(tǒng)開展了破碎巖體滲透試驗，得到了不同粒徑破碎巖體的滲透特性變化規(guī)律。杜鋒等[9]應用多孔介質(zhì)水沙兩相滲流試驗系統(tǒng)開展突水潰沙滲流機理研究，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水沙流動規(guī)律的影響。LIU等[10]基于穩(wěn)態(tài)滲流法，研究了3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3種方法。張?zhí)燔姷萚11?16]利用滲透儀和萬能試驗機開展了不同軸向位移、水壓及級配條件下的破碎巖石滲透特性試驗，研究滲透特性參數(shù)在滲透過程中的變化規(guī)律。張勃陽等[17?18]開展了陷落柱破碎巖體的滲透特性試驗研究，得到了陷落柱滲流特性與突變機制。楊斌等[19]采用自行研制的非線性滲流試驗裝置開展了一維均質(zhì)圓柱滲流試驗，得到了破碎巖體突水通道內(nèi)3種高速非線性滲流模式。

以上關于破碎巖體滲透特性的試驗多采用側(cè)限性滲透儀，無法調(diào)節(jié)圍壓[20]，而三軸滲透儀大多應用于完整巖體、含裂隙巖體及土料的滲透試驗[21?25]，關于三軸應力條件下破碎巖體的滲透特性試驗研究鮮有報道。此外，破碎巖體滲透特性試驗的試樣制備多采用簡單的粒徑劃分法[26]，缺乏與實際地下工程中破碎巖石賦存情況相符的科學級配分類方法，導致試驗結(jié)果與實際情況存在誤差?；诖耍疚淖髡呃矛F(xiàn)場斷層破碎試樣，采用Talbot級配理論結(jié)合能夠克服密封問題的三軸滲流試驗系統(tǒng)開展不同粒徑級配破碎凝灰?guī)r試樣的滲透特性試驗，研究不同級配破碎凝灰?guī)r在不同軸向位移、不同圍壓及不同滲透壓力條件下的滲透特性，以期為斷層破碎帶突水問題提供必要的試驗依據(jù)。

1 試樣制備及試驗設備

1.1 級配破碎試樣制備

以福建—廈門高速鐵路項目(福廈高鐵)碧峰寺隧道F3斷層為研究背景，通過超前鉆孔成像與現(xiàn)場開挖揭露，發(fā)現(xiàn)斷層內(nèi)部由不同尺寸破碎巖塊混合而成，且?guī)r性以晶屑凝灰?guī)r為主，見圖1。

圖1 碧峰寺隧道F3斷層破碎帶Fig.1 Fault fracture zone in Bifeng Temple tunnel F3

為研究斷層破碎巖體滲透特性，開展現(xiàn)場取樣工作，將破碎巖樣密封運送至實驗室內(nèi)，通過XRD 與物理力學性質(zhì)試驗，得到斷層破碎凝灰?guī)r的成分及力學性質(zhì)參數(shù)。測得斷層風化破碎晶屑凝灰?guī)r密度ρ0為2 037 kg/m3，其主要成分包括石英、鈉長石、微斜長石及白云母等礦物，斷層破碎凝灰?guī)rXRD 圖譜見圖2。可見，晶屑凝灰?guī)r密度大，質(zhì)地堅硬，化學成分及水理性穩(wěn)定，因此，在三向應力作用下破碎凝灰?guī)r試樣不易發(fā)生二次破碎和水化學溶蝕現(xiàn)象，骨架結(jié)構失穩(wěn)主要是由滲透水攜帶原生細小顆粒流失引起的。

圖2 斷層破碎凝灰?guī)rXRD圖譜Fig.2 XRD patterns of fault fractured tuff

針對以往試驗中因試樣制備方案單一，試驗儀器無法調(diào)控圍壓，試驗結(jié)果與現(xiàn)場實際情況存在較大差距等問題，采用Talbot級配理論與三軸滲透試驗系統(tǒng)相結(jié)合的方法開展破碎巖石滲透特性試驗。

考慮尺寸效應[27]，根據(jù)巖石最大粒徑為容器內(nèi)徑(50 mm)的1/5[28]的原則，利用顎式破碎機與高頻振動篩分機將現(xiàn)場凝灰?guī)r試樣破碎篩分為(0，0.25)，[0.25，0.50)，[0.50，1.00)，[1.00～2.00)，[2.00～5.00)和[5.00～10.00)mm 共6 種區(qū)間粒徑，不同粒徑破碎凝灰?guī)r試樣見圖3。

圖3 不同粒徑破碎凝灰?guī)r試樣Fig.3 Different particle size broken tuff samples

根據(jù)現(xiàn)場破碎巖石粒徑的實際組合情況，采用Talbot級配理論[13]設計與現(xiàn)場情況相近的級配方案，從而使試驗結(jié)果合理反映實際滲透規(guī)律。Talbot冪指數(shù)n分別取0.2，0.4，0.6和0.8，每種級配試樣進行3 組試驗，結(jié)果取平均值，每組試樣240 g。按Talbot理論計算結(jié)果，各n下的級配試樣巖石顆粒質(zhì)量見表1。

表1 不同n下巖石顆粒質(zhì)量Table 1 Rock particle mass under different n g

1.2 試驗系統(tǒng)

破碎巖石三軸滲流試驗系統(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，見圖4。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，三軸滲透儀為該系統(tǒng)的核心，主要由軸向位移加載裝(一體式反力框架結(jié)構)、柔性內(nèi)套筒、上下活動密封壓頭等組成。破碎巖石試樣能夠在軸向位移與圍壓作用下發(fā)生形變，從而達到調(diào)控孔隙率與滲透率的目的。

圖4 破碎巖石三軸滲流試驗系統(tǒng)Fig.4 Triaxial seepage test system for broken rock

1.3 試驗方案

采用軸向位移控制法配合圍壓加載進行試驗，具體流程見圖5。試驗前，調(diào)整設備至穩(wěn)定工作狀態(tài)，在滲透儀柔性內(nèi)套筒均勻涂抹3 mm 厚凡士林，消除邊壁效應的影響[29?30]；采用高度控制法分層(三層)裝填試樣，從而保證相同級配試樣具有相同的初始孔隙度；試樣裝填完畢，按設計要求施加軸向位移與圍壓，待位移與圍壓恒定，可視為試樣達到穩(wěn)定狀態(tài)，開啟水壓加載系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)節(jié)并記錄試驗過程中的流量數(shù)據(jù)。

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

試驗設計4 級軸向位移，分別為3，6，9 和12 mm，加載至位移保持恒定時停止加載。位移加載完畢后，打開滲透壓力控制系統(tǒng)，對試樣進行低壓供水排氣飽和(水壓p?0.05 MPa)，保證試樣結(jié)構不被破壞，飽和時長為10 min。為探究高水壓及高圍壓條件下斷層破碎帶滲流參數(shù)變化規(guī)律，根據(jù)工程現(xiàn)場實際埋深情況及水壓，每級軸壓下設3.0，3.5，4.0，4.5 MPa 四級圍壓，每級圍壓下設0.5，1.0，1.5，2.0 MPa 四級水壓，對應圍壓大于水壓，從而保證了孔隙水在滲流過程中能夠通過破碎凝灰?guī)r樣的孔隙結(jié)構，而不沿邊壁流失。圍壓加載期間不卸載，保證每級圍壓穩(wěn)定加載60 s。采用穩(wěn)態(tài)滲流法加載水壓，當試樣飽和完畢后，按照每0.1 MPa 水壓間隔5 min 逐級加載至設計值，通過該方式模擬斷層受隧道開挖擾動引起的內(nèi)部水壓動態(tài)變化過程。滲透試驗水溫保持在20 ℃左右，水密度ρ1為0.999 g/cm3，動力黏度μ=1.02 mPa·s。

1.4 試驗原理

三軸應力加載前，測量試樣的初始堆積高度h0，并按下式計算初始孔隙率φ0：

式中：φ0為試樣自然堆積狀態(tài)下的初始孔隙率；m為試樣質(zhì)量，g；ρ0為試樣密度，g/cm3；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。

不同軸向位移與圍壓作用下，試樣產(chǎn)生相應的軸向變形與徑向變形，此時排出的液體體積ΔVi等于試樣受壓減小的體積V′0，ΔVi由出口量筒收集記錄。此時，滲透前各級軸向位移與圍壓下的試樣體積V′0可通過下式求得：

式中：Δh為軸向位移，cm；?Vi為每級圍壓下滲透液排出體積，cm3，i為圍壓級數(shù)。

此時，受各級荷載作用后的試樣孔隙率為

式中：V0為凝灰?guī)r破碎前的體積，V0=m/ρ0；h為軸向位移加載后的試樣高度。

各級圍壓作用下試樣滲流橫截面積A可由下式計算：

結(jié)合單位時間內(nèi)流經(jīng)破碎凝灰?guī)r的體積流量Q可根據(jù)下式計算各級滲透水壓下的滲流速度v：

滲流穩(wěn)定期間的孔隙壓力梯度由下式計算[7,31]：

式中：p1和p2分別為上端和下端水壓，下端滲流出口與大氣連通，故p2=0。

2 試驗結(jié)果分析及驗證

2.1 三軸應力下破碎凝灰?guī)r滲流特性參數(shù)

在三軸應力條件下，破碎凝灰?guī)r試樣的滲流速度v和孔隙壓力梯度Gp隨滲透壓力改變。當軸向位移為6 mm、圍壓為3 MPa 時，不同級配破碎凝灰?guī)r試樣的Gp?v散點圖與擬合曲線如圖6所示。

由圖6可得，不同級配破碎凝灰?guī)r試樣的孔壓梯度與滲流速度更符合Forchheimer 非線性關系，而不符合Darcy定律[12,32]；破碎凝灰?guī)r試樣滲流速度隨孔壓梯度增長而越來越慢，呈現(xiàn)顯著的非線性特征[12,33]，說明實際工程遭遇雨季時，斷層內(nèi)部孔隙通道因無法及時排水而不斷積聚水壓，最終將導致斷層突水災害的發(fā)生。

圖6 不同級配試樣孔壓梯度與滲流速度擬合曲線Fig.6 Fitting curves of pore pressure gradient and seepage velocity of different gradation samples

以n=0.2時級配破碎凝灰?guī)r試樣為例，根據(jù)試驗過程中滲流穩(wěn)定階段的孔壓梯度Gp和滲流速度v繪制散點圖，利用Forchheimer 公式對散點擬合分析，最終求得三軸應力下破碎凝灰?guī)r試樣滲透特性參量k與β，結(jié)果見表2。

由表2可得，當n相同時，破碎凝灰?guī)r試樣的孔隙率與滲透率隨軸壓與圍壓增大而減小，β絕對值總體呈反向增大趨勢。這是因為試樣孔隙在遞增的三軸應力作用下發(fā)生更大量級的收縮，同時破碎產(chǎn)生的細小顆粒與原生細小顆粒混合充填于孔隙中，加大了滲流通道的阻力，因而表現(xiàn)為孔隙率與滲透率的遞減現(xiàn)象；非Darcy 因子β反映了試樣滲流過程中的非線性強烈程度，β絕對值越大，滲流場內(nèi)的非線性現(xiàn)象越強烈[11,17]。此外，由表2可知，在圍壓為4.5 MPa，軸向位移為12 mm，孔隙率為0.188 98 條件下，n=0.2 時級配破碎凝灰?guī)r試樣的β呈負值；相應地，在試驗過程中，該級配試樣在1.5～2.0 MPa 水壓下發(fā)生了不同粒徑細小顆粒隨水流噴濺而出的現(xiàn)象，水壓波動較大，如圖7所示。由此判斷β為負值時，試樣極有可能發(fā)生滲流失穩(wěn)突變。

圖7 滲流失穩(wěn)突變現(xiàn)象Fig.7 Steady mutation of seepage loss

表2 n=0.2時級配破碎凝灰?guī)r試樣的滲透特性參數(shù)Table 2 Permeability characteristic parameters of n=0.2 gradation broken tuff sample

2.2 三軸應力下破碎凝灰?guī)r非線性滲流失穩(wěn)特征

滲流失穩(wěn)的機制在于滲流系統(tǒng)的非線性和參變性(系統(tǒng)控制參量隨時間變化)。通過破碎巖體滲流失穩(wěn)動力學理論推導出的破碎巖體一維非Darcy滲流動力學方程可判斷滲流是否發(fā)生失穩(wěn)[11,34]。

當滿足不等式(7)時，可判定試樣發(fā)生滲流失穩(wěn)。將n不同的級配試樣的參數(shù)代入式(7)，得到各級三軸應力與水壓條件下的滲流失穩(wěn)情況：1)在軸向位移為12 mm，圍壓為4.5 MPa，水壓p1為2 MPa 的條件下，n為0.2 和0.4 的級配試樣發(fā)生滲流失穩(wěn)，而其他級配試樣未發(fā)生明顯滲流失穩(wěn)，這與試驗過程中發(fā)生突變的情況一致(圖7)。發(fā)生滲流失穩(wěn)突變是因為n為0.2和0.4的級配試樣細小顆粒占比較大，在高水壓條件下，細小顆?？焖倭魇?，粗骨架失去支撐而垮落失穩(wěn)，孔隙結(jié)構在短時間內(nèi)發(fā)生重組，導致滲透率突變；2)當n較大時(0.6 或0.8)，原生與次生細小顆粒占比同時下降，因此，有限的顆粒流失不足以動搖粗顆粒結(jié)構的穩(wěn)定性，滲流狀態(tài)不易發(fā)生失穩(wěn)突變。由此可見，當斷層帶巖體較破碎，且與地表水、地下水聯(lián)絡路徑較發(fā)達時，隨雨季到來而增大的水壓極易引發(fā)斷層突水災害的發(fā)生。

破碎凝灰?guī)r試樣屬于多孔介質(zhì)，滲透流體在介質(zhì)中表現(xiàn)出非線性特征，因此采用能夠同時體現(xiàn)達西滲流與非Darcy 滲流特性的Forchheimer 關系式描述破碎巖體的滲透失穩(wěn)特征：

式中：μv/k為黏滯阻力項；ρ2βv2為慣性阻力項。

雷諾數(shù)能夠反映出流體的流動狀態(tài)及失穩(wěn)特征[35]：

由式(9)計算所得不同三軸應力及水壓條件下的n為0.2的級配試樣雷諾數(shù)見表3。

由表3可得，對于不同級配破碎凝灰?guī)r體的雷諾數(shù)均大于0.1，因此，破碎凝灰?guī)r滲流屬于非Darcy流[36]，與滲透特性參數(shù)的分析結(jié)果總體上相吻合；在三軸應力條件下，相同級配試樣的雷諾數(shù)隨水壓呈非線性遞增趨勢，說明水壓的增大導致滲流液體的慣性阻力占比增大，從而更加容易誘發(fā)滲流失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

表3 三軸應力下n=0.2的級配試樣雷諾數(shù)ReTable 3 Reynolds number Re of n=0.2 graded sample under triaxial stress

2.0 MPa水壓下n=0.2的級配試樣雷諾數(shù)?圍壓關系曲線見圖8。由圖8可得，軸向位移為3，6和9 mm時，試樣的雷諾數(shù)在0.239～1.842之間，整體較小，且不同圍壓下雷諾數(shù)差值不大；當軸向位移達到12 mm 時，試樣的雷諾數(shù)猛增，不同圍壓條件下雷諾數(shù)差值較大，最高值達12.518。對比表2孔隙率變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)軸向位移達到12 mm 時，試樣內(nèi)部所形成的孔隙結(jié)構對滲透液體的滲流狀態(tài)產(chǎn)生劇烈影響，滲流狀態(tài)極不穩(wěn)定。

圖8 2.0 MPa水壓下n=0.2的級配試樣的雷諾數(shù)與圍壓關系Fig.8 Relationship between Reynolds number and confining pressure of n=0.2 gradation sample under 2.0 MPa water pressure

2.3 孔隙率與破碎凝灰?guī)r滲透特性的關系

不同圍壓下各級配破碎凝灰?guī)r孔隙率?滲透率關系曲線見圖9。由圖9可得，隨著n增大，孔隙率與滲透率相應增大，但是在軸向位移為6 mm時，n=0.6 的試樣的滲透率高于n=0.8 的試樣的滲透率，這是由于n越大，粗顆粒占比越高，粗顆粒間接觸面積增加。此時，高級別三向應力使破碎試樣中粗顆粒間的破碎和研磨效應增強，從而產(chǎn)生更多的細小次生顆粒堵塞孔隙通道；另外，高壓使部分結(jié)構較薄且強度較低的粗顆粒發(fā)生破裂現(xiàn)象，導致一定比例的粗顆粒之間由點?點接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊?面接觸，產(chǎn)生“瓦片堆疊效應”，最終形成阻水能力更強的結(jié)構。

圖9 各級配破碎凝灰?guī)r試樣孔隙率?滲透率關系曲線Fig.9 Relationship between porosity and permeability of broken tuff samples with different grades

破碎凝灰?guī)r孔隙率與非Darcy因子關系曲線如圖10所示。由圖10可得，不同級配破碎凝灰?guī)r試樣的非Darcy 因子β的絕對值量級為107～109m?1；非Darcy 因子β的絕對值隨孔隙率增大呈減小趨勢，且不同n下存在較大差別。其中，n為0.2的級配試樣非Darcy因子β絕對值整體最大，而n為0.8的級配試樣非Darcy 因子β絕對值整體最小，兩者最大值間的差值為7.49×109m?1。這是因為n增大不僅使細小顆粒占比減少，而且使試樣整體的孔隙度增大，突水通道更加通暢，破碎試樣在滲流過程中的非線性特征更加不明顯，發(fā)生失穩(wěn)突變的可能性也相對降低。對比圖10(a)～(d)可得，非Darcy 因子β的絕對值隨三軸應力增大而增大。其原因是軸向位移與圍壓的分級遞增使巖石顆粒之間發(fā)生剛體相對運動并位移重組，破碎巖石試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構迂曲度增加，造成β因子絕對值隨滲流非線性的增加而增加。

從圖10還可以看出，不同級配試樣的關系曲線在孔隙率為0.21～0.33的范圍內(nèi)相互交錯，其中n為0.4的級配試樣的非Darcy因子β絕對值大于n為0.2級配試樣的β因子絕對值。這可能是由于n較小時，試樣內(nèi)部細小顆粒占比高，試樣孔隙結(jié)構的分布存在更加明顯的隨機性和復雜性，導致試樣非Darcy 因子β絕對值的變化呈現(xiàn)出強烈的非線性特征，甚至發(fā)生“突跳”現(xiàn)象，但由于n相差不大，不同級配試樣間的β絕對值差值較小。

圖10 各級配破碎凝灰?guī)r試樣孔隙率?非Darcy因子β關系曲線Fig.10 Relationship between porosity and non Darcy factor β of fractured tuff samples with different grades

3 結(jié)論

1)相較于Darcy定律，不同n的級配破碎凝灰?guī)r的Gp?v擬合曲線更符合Forchheimer關系，其擬合度不低于99%。同一級配試樣，三軸應力與孔隙率和滲透率成反比，與非Darcy 因子β成正比。β因子絕對值越大，滲流場內(nèi)的非線性現(xiàn)象越強烈，β因子為負值時，極有可能發(fā)生滲流失穩(wěn)突變。

2)在軸向位移為12 mm，軸壓為4.5 MPa，水壓p1為2.0 MPa 的條件下，通過破碎巖體一維非Darcy 滲流動力學方程判斷出n為0.2 和0.4 的級配試樣發(fā)生滲流失穩(wěn)。在三軸應力條件下，利用雷諾數(shù)Re可判斷出破碎凝灰?guī)r試樣滲流紊亂的程度，得到雷諾數(shù)的最大值為12.518。

3)在三軸應力條件下，滲透率k隨冪指數(shù)n和孔隙率φ0增大而非線性增大，非Darcy因子β相應呈整體減小趨勢。隨著軸向位移與圍壓增大，滲透率k的量級從10?12m2降低至10?13m2，非Darcy流因子的量級從106m?1增加到109m?1。級配粒徑越細小或孔隙結(jié)構越復雜，破碎凝灰?guī)r滲流過程的非線性特征越明顯。