渗流-应力-流变耦合作用下破碎带砂岩渗透演化规律试验研究

张 玉,徐卫亚,赵海斌,王 伟,邵建富

(1.中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛 266580;2.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室,湖南长沙 410014; 3.河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京 210098)

渗流-应力-流变耦合作用下破碎带砂岩渗透演化规律试验研究

张 玉1,2,徐卫亚3,赵海斌2,王 伟3,邵建富3

(1.中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛 266580;2.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室,湖南长沙 410014; 3.河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京 210098)

膝状挠曲破碎带是一些水电站坝基的主要工程地质问题。破碎带岩性为完整性较差的软弱砂岩,直接关系到坝基的变形和稳定。基于破碎带砂岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差等特点,对渗流-应力耦合作用下流变过程中的岩石渗透特性进行测试。分析应力-应变过程中的渗透规律,研究流变过程中渗透系数演化规律,探讨渗透性演化破坏机制。得到轴向、环向和体积变形对渗透系数的影响及围压和孔隙压力对渗透特性的影响规律。结果表明:初始加载导致渗透系数快速减小,并随着非线性变形增加降低程度逐步趋缓;且环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透系数演化规律;岩样非均质性引起孔隙度略有不同,加载作用导致渗透系数随时间变化存在部分波动,但整体呈线性降低;稳态流变阶段渗透系数恢复至平缓下降,说明波动对渗透系数的整体演化无显著影响,且围压增加导致渗透系数降低。

岩石力学;破碎带;软弱砂岩;渗流-应力-流变耦合;渗透演化;试验

地质历史演化过程中,岩体形成了大量力学性能较差的节理、断层和挠曲破碎带[1-3]。作为工程中常见地质现象,挠曲破碎带岩石节理裂隙发育、完整性差,对工程建设及运行期安全起控制性作用[4-5]。相关研究显示,挠曲破碎带岩石表现出变形模量小、风化严重、强度低、渗透性强、遇水软化明显等特点,在大型水电工程建设中,是控制坝体变形和渗透性稳定的至关重要的因素[6-7]。因此,研究长期渗流-应力耦合条件下破碎带砂岩渗透演化规律和破坏机制,可为岩石工程的稳定性和加固改良措施研究提供良好的依据[8-9]。渗透性与荷载紧密相关,加载导致岩石渗透系数发生2～5个数量级变化,且具有强烈的方向性[10-11],因此复杂地质环境系统中,渗流场(H)、应力场(M)和时间场(T)耦合作用是岩石渗透演化机制研究中必须考虑的因素。渗流-应力耦合作用下岩石渗透系数、孔隙度、应力和损伤关系研究主要集中在短期常规试验上,成果也较为丰富[12-16]。而长期流变荷载对岩石渗透特性及演化规律的研究还鲜有成果[17-18]。目前对于渗流-应力-流变耦合作用下岩石渗透特性试验研究尚不深入,相关破碎带砂岩试验成果更是空白。笔者以某破碎带砂岩为研究对象,对渗流-应力耦合作用下该砂岩流变过程中的渗透特性进行测试,得到围压和孔隙压力对渗透特性的影响规律。

1 岩样物理特性和试验方案

1.1 物理特性和岩样制备

本文中研究的破碎带砂岩钻孔岩样呈碎块或碎块碎屑状,夹少量短柱状,含砂土状物质,属完整性较差的Ⅳ-Ⅴ类软岩。物性试验结果表明,该砂岩相对密度较小,含水率较高,组织结构较疏松,岩石吸水性能和透水性能较强,物理性能较差。天然密度平均值为2.38 g/cm3,干密度平均值2.25 g/cm3,相对密度为2.67,含水率平均值为6.09%,孔隙度为16.03%,属小孔隙度砂岩[19]。

偏光显微镜下微观结构和矿物成分测试表明,该岩石中仍保留原岩长石质石英砂岩中细粒结构特征(图1,长石(F)、千枚岩岩屑(Be)、玉髓(Cha)、石英(Q,无色)、脉状绿泥石(Ch)、绢云母(彩色)和黏土矿物(淡黄绿色))。矿物成分主要为石英(含玉髓)、长石(钾长石和斜长石)、绢云母、绿泥石、少量铁质物及微量矿物,且微观结构极其复杂,受挤压构造及风化、地下水作用的影响,岩体结构已产生破坏。化学成分以SiO2为主,其次为Al2O3,并含有少量的Fe2O3、CaO、MgO混合物;砂岩SiO2含量为67.9%～79.7%,但金属氧化物含量稍低[20]。

图1 破碎带砂岩岩样及微观结构Fig.1 Typical sandstone specimen from fractured zone and its microstructure

破碎带砂岩颗粒细小,含有较多伊利石、蒙脱石等黏土矿物,具有强亲水性。黏土矿物晶胞之间联结力弱,渗透作用下表现出遇水膨胀、软化和崩解。天然状态下岩样密度较大,塑性指数小于10,表明细粒土属粉土。且渗透系数为2.54×10-7～1.63× 10-6m/s,属中等透水或弱透水岩体;时间效应下渗水无明显化学潜蚀作用。

1.2 试验方法和程序

耦合条件下流变试验均在岩石全自动流变伺服仪上开展[21]。破碎带砂岩岩样为直径50 mm、高度100 mm的圆柱状试样(图1)。基于采样区现场地应力资料,流变试验围压pC和渗压pS按梯级变化(表1)。采用单试样等围压、轴向偏应力分级加载方式开展恒温恒湿条件下的流变试验并测定渗透性。首先,依据常规压缩强度确定加载应力,加载速率为0.375 MPa/min,且持时为48 h或72 h。其次,安装岩样,施加围压至预定值,待围压稳定,施加恒定渗压;待渗透量稳定,认为岩样处于饱和水状态,得到初始渗透系数;最后,施加轴向偏应力,测试轴向、环向应变与时间关系,得到岩样在特定时间内的渗透系数;重复操作,直至流变破坏。

表1 破碎带砂岩流变及渗透性测试方案Table 1 Test schemes for triaxial creep test and permeability measurements

1.3 渗透系数测定

流变过程中渗透系数的测定是研究岩石渗透性的关键[22]。采用液体恒压法进行稳定渗流试验,通过测定渗透流量并利用达西定律计算渗透系数。制备完成的岩样完整性较好,内部只存在孔隙和微裂隙。假设如下:①岩样内部初始微裂纹均匀分布,材料视为多孔连续介质;②恒压稳定渗流视为连续渗流,即固相骨架和渗流同时存在于整个结构中;③渗压泵用水为不可压缩流体,取室温20℃时的物理性质。因此,基于自主研制的渗流-应力耦合作用下岩石渗透系数测量装置和方法(发明专利授权号: 20101025 9774.8),假定两测量数据间隔内岩石渗透系数恒定,则第i个记录间隔内渗透量Qi(m3/s)和渗透系数Ki(m/s)为

式中,m为渗透液体的质量,g;ρ为液体密度,g/m3; ΔT为数据采集时间,s;L为岩样长度,mm;D为岩样渗透截面直径,mm;Δp为渗透压力差,MPa。

2 应力-应变过程渗透演化规律

2.1 渗透演化规律

渗透系数和轴向应力与应变之间的变化规律见图2。破碎带砂岩含较多微孔隙、裂隙等初始损伤,变形表现出软岩特性,无明显的破坏荷载,存在显著塑性变形,环向及体积表现为延性变形。不同条件下轴向应变曲线形态基本一致,不存在压密和峰后应变软化阶段。加载初期,曲线呈线弹性增长,岩石刚度视为常量,偏应力增大,轴向应变亦增大,出现塑性屈服;屈服初期呈现应变硬化现象,屈服点位置随应力增加而提高;应力随应变变化趋于稳定时,认为达到破坏应力,此时曲线斜率趋近于0,刚度亦降为0,变形接近于理想塑性状态,岩样发生较大的塑性变形而破坏。围压增加,岩样承载力和刚度提高,屈服应力及破坏应力增大,弹性、变形模量亦增大。但岩样R3含有较多碎屑颗粒和初始缺陷,这增强了材料非均质性,引起强度和变形特性整体弱化,规律性略有差异。

图2 不同渗压作用下轴向应变和渗透系数演化曲线Fig.2 Axial strain and permeability evolution curves under variouspS

应变不断增加,岩样渗透系数呈现逐渐减小的趋势,且不同岩样规律性基本一致。加载初期岩石初始微裂隙压密,渗透系数降低明显;应力增加,渗透系数仍呈减小的趋势,但由于内部微裂隙开度不能无限制减小,降低幅度逐渐减弱。应变微裂纹扩展阶段,由于岩石自身初始损伤较多、孔隙度略大等原因,内部结构压密远大于微结合裂纹的扩展,渗透系数仍表现出缓慢下降的趋势,下降幅度进一步减小,趋于稳定。以岩样R6为例,加载初期渗透系数由11.29×10-7m/s降低至7.41×10-7m/s,降低幅度为3.88×10-7m/s;应力增加,降低幅度降低,截止到试验结束,渗透系数仅降低了1.44×10-7m/s。

2.2 环向和体积应变对渗透系数的影响

以渗压pS=0.35 MPa为例,对环向、体积应变和渗透系数演化规律进行分析(图3)。曲线呈现明显的线弹性变形、微裂纹稳定扩展和非稳定变形破坏阶段,材料发生屈服、弱化,内部裂纹扩展及破坏,滑动面剪切滑移,岩石宏观表现出环向体积膨胀或剪切扩容现象,对于延性破坏的软岩,此种现象尤为显著;微裂纹稳定扩展阶段为扩容前的过渡阶段,试样内部裂纹开始扩展,产生大量裂纹面;接着产生扩容,裂纹面滑动,随着环向应变速率增加,扩容现象明显,产生体积膨胀,达到破坏应力,发生非稳定变形破坏。加载初期,轴向应变大于环向应变,应变速率高于环向,体积应变首先减小,岩样处于压缩状态;偏应力增加,环向应变速率增大,轴向和环向变形呈同步线性增长,体积压缩转为膨胀,且膨胀随应力增加而增大;破坏阶段环向应变速率明显大于轴向的,原因在于屈服初期局部产生剪切滑移和环向变形,由于承载断面大部分材料仍处于弹性状态,局部屈服对整个岩样轴向应变影响微小,据此认为环向比轴向应变更能灵敏地反映材料内部的屈服、弱化,亦可从另一个角度反映岩石变形过程中渗透演化规律[22]。

图3 渗压0.35 MPa作用下环向应变、体积应变和渗透系数演化曲线Fig.3 Lateral strain,volumetric strain and permeability evolution curves underpSof 0.35 MPa

相对于轴向应变-渗透系数变化曲线,环向、体积应变-渗透系数曲线规律性更加突出,渗透系数变化更加敏感;环向弹性应变远小于轴向的,导致压缩状态下渗透系数曲线降低更加明显,呈直线下降趋势;环向变形偏离线弹性状态,体积变形由压缩转为扩容,渗透系数降低逐步趋缓,出现较为明显的转折点;随着应力增加,环向扩容逐步占据变形的主导地位,渗透系数曲线降低缓慢,趋于稳定,此时岩样内部压密裂纹与新生扩展、贯通裂隙处于平衡状态。验证了环向应变能够比轴向应变更灵敏地反映岩样渗透系数变化。

综上所述,破碎带岩石渗透系数随应变变化分为3个阶段:①加载初期变形以初始微裂隙压密、滑移及孔洞坍塌为主,体积呈压缩状态,应力-应变曲线呈上凹趋势,渗透系数减小,且下降曲线斜率较大,属可逆的原生微裂隙渗透阶段。②应力增加,微裂隙进一步压密、闭合,达到最小开度,渗透系数仍减小,但下降曲线斜率较前阶段降低明显。③岩样内部出现局部损伤积累,微裂隙发生稳定滑移扩展,体积表现为压缩和扩容并存,应力-应变曲线呈非线性变形,渗透系数逐步趋于稳定。

3 流变过程渗流演化机制

3.1 流变过程中的渗透规律

破碎带砂岩流变过程中渗透系数随时间变化规律如图4、5所示。流变曲线光滑,流变变形量较大,岩样呈现明显的流变特性,各岩样均发生了短暂的流变破坏,破坏处于加载或稳态流变阶段。应力对流变变形影响显著,低应力水平下,岩样表现出衰减和稳态流变两阶段,流变变形不明显,应变速率减小,变形趋于稳定值;应力水平增长,衰减流变持续时间增加,稳态流变速率增大,应变最终以稳定速率发展;最后一级应力施加后,岩石扩容效应显著,但未出现脆性破坏,应变值较大或扩容现象显著时,认为产生破坏。且围压越大,稳态流变速率越低,相同时间内的流变量也越小。

时效作用下,岩样变形不断加大,渗透系数变化虽存在一定的波动,但整体呈线性降低趋势,不同岩样规律性基本一致。依据渗透演化曲线和波动点较大的位置将其分为初始瞬时加载、分级应力加载和稳态流变渗透阶段。初始瞬时加载渗透阶段,岩石内部初始微缺陷瞬时非线性压密、闭合,渗透系数显著降低,且降低斜率较大。围压pC为1.0 MPa、不同渗压时初始瞬时加载阶段的渗透系数分别由9.20×10-7m/s和70.31×10-7m/s降低至8.26× 10-7m/s和52.77×10-7m/s,降低幅度较大。

图4 渗压0.25 MPa时轴向流变和渗透系数演化曲线Fig.4 Axial creep and permeability evolution curves underpSof 0.25 MPa

图5 渗压0.35 MPa时轴向流变和渗透系数演化曲线Fig.5 Axial creep and permeability evolution curves underpSof 0.35 MPa

分级应力加载渗透阶段,渗透演化曲线存在突变点,由于自身非均质性不同岩样内部结构略有差异,主要呈3种趋势:①岩石孔隙度略大,饱和含水率较高时,应力加载,岩石进一步压密,渗透量瞬间减小,但压密作用导致存在于岩石内部的孔隙水被挤出,孔隙度略大引起挤出水分明显大于渗透水分,表现出渗流量增加的现象,呈现渗透系数突变增加;岩样R3应力2.5 MPa加载阶段,渗透系数由2.70× 10-7m/s增加至3.38×10-7m/s。②当孔隙度中等,岩石内微裂纹闭合,渗透量减小,且压密闭合挤出水分和渗透量减小值基本相同时,表现出渗流量不变的趋势,渗透系数不存在突变,呈稳定发展;岩样R5应力2.5 MPa加载阶段,渗透系数由14.12×10-7m/ s增加至14.25×10-7m/s,基本没有变化。③岩石孔隙度略低,挤出的水分小于渗透量的减小,渗流量表现为减小趋势,渗透演化曲线突变降低;岩样R4应力2.5 MPa的加载阶段,渗透系数由49.20×10-7m/ s降低至41.72×10-7m/s,降低明显。

分级应力加载过程中,岩石为高和中孔隙度时,高应力加载作用下岩样亦表现出渗透系数突变降低的趋势,原因在于前几级应力作用导致岩石内部缺陷压密闭合,孔隙度减小,应力加大,渗透系数突变增大的趋势逐渐减小;孔隙度减小至一定程度时渗透系数表现为突变降低,渗透演化曲线和孔隙度较低岩样呈相同的变化规律;岩样R3应力2.5 MPa加载阶段,渗透系数增加了0.68×10-7m/s;4.00 MPa加载阶段,渗透系数仅增加了0.50×10-7m/s,增加幅度减小;5.00 MPa加载阶段,渗透系数降低幅度达0.38×10-7m/s。

应力加载后,持续的渗透作用和岩石软化使内部结构孔隙通道很快再次被打通,渗透量恢复至加载前相同的变化趋势,随时间增加而线性降低,且斜率较低,说明瞬时加载过后,岩石内部渗透通道经历了短暂调整,仍恢复至稳定平衡状态,对渗透系数的整体演化无显著影响,此阶段即为稳态流变渗透阶段,对应于稳态流变阶段。由于流变变形的增加,岩石内部结构不断被压密,渗透系数整体开始呈现降低趋势,但由于应力恒定且微裂隙缺陷开度不能无限减小,渗透系数降低幅度较小。应力1.75 MPa、围压1.0 MPa时不同渗压稳态渗透阶段的渗透系数分别由8.08×10-7m/s和49.34×10-7m/s降低至7.97×10-7m/s和49.20×10-7m/s,降低幅度不明显。

3.2 围压和渗透孔压对渗透系数的影响

不同围压下渗透系数随时间增加呈减小趋势(图6),且围压对渗透系数演化影响显著。围压增加,渗透系数整体呈降低趋势,围压1.0 MPa时渗透系数明显大于2.0 MPa的。原因在于围压导致岩石内部微缺陷闭合,内部结构更为密实,抗压强度增加,渗透作用降低,渗透系数变化幅度亦降低,趋于稳定。渗压0.35 MPa、应力1.75 MPa加载初期,岩样R4、R5和R6相应渗透系数分别为50.96×10-7、15.14×10-7和8.71×10-7m/s。

孔隙压力对渗透系数亦存在显著影响,孔压增加,内部水流通过更为明显且软化引起抗压强度降低,渗透系数呈增加趋势,渗透破坏趋于严重,渗透系数变化幅度亦越大,围压2.0 MPa、应力2.5 MPa加载初期,岩样R3和R6的渗透系数分别为2.70× 10-7m/s和8.71×10-7m/s。

图6 不同围压作用下渗透系数与时间的关系Fig.6 Relation between permeability and time under variouspC

4 渗透演化破坏机制

破碎带砂岩是不同形状、尺寸矿物颗粒组合各异的高度非均质性多孔材料,内部含大量的微裂隙、孔隙等初始损伤,压缩破坏的实质是材料内部微裂纹压密、萌生、连接、扩展相互作用的动态演化过程,宏观表现为岩石的延性扩容破坏。应力-应变过程经历了线弹性变形、微裂纹稳定扩展和非稳定变形破坏阶段,不同阶段对应的渗透系数亦存在变化。岩石内部渗透的主要通道是固体骨架间相互连通的孔隙、裂隙及各种类型毛细管,初始应力加载阶段,岩石产生微裂隙压密及孔洞闭合等局部调整,引起部分渗流通道闭合失去过水能力,渗透系数降低明显;由于岩样自身特性不同,分级应力加载阶段,渗透系数波动较大,曲线存在部分突变点,但随着应力提升,整体仍表现为降低的趋势;稳态流变渗透阶段,流变变形缓慢增加,内部微裂隙、孔隙不断闭合,但渗透作用下岩石内部孔隙存在明显的水流通道和生成部分新裂纹,岩石内部结构变化处于近似平衡状态,渗透系数呈缓慢的线性降低趋势。由于岩样无明显的破坏特征,当轴向位移或环向膨胀达到一定值时即认为产生延性破坏,故渗透系数演化曲线未出现明显的上升趋势。

5 结 论

(1)破碎带砂岩组织结构较疏松,吸水、透水性能较强,物理性能较差,相对密度较小,属小孔隙度砂岩;且金属氧化物含量较低,SiO2含量较高,属中等透水和弱透水岩体。考虑时间作用下,渗水化学潜蚀作用不明显。

(2)应力-应变过程中破碎带砂岩应变处于明显的线弹性变形、微裂纹稳定扩展和非稳定延性破坏阶段;渗透系数整体呈降低趋势,加载初期压密作用导致渗透系数显著降低,随后降低幅度明显减小并趋于稳定,且环向体积变形比轴向更能灵敏地反映渗透系数的演化规律;该砂岩渗透系数始终呈现下降趋势,且围压增加导致渗透系数降低;渗压越大,渗透系数亦越大。

(3)破碎带砂岩恒定荷载下呈现显著的衰减和稳态流变;且流变全程中渗透系数存在一定的波动,但整体呈线性降低趋势;初始瞬时加载阶段渗透系数显著降低;分级应力加载阶段,渗透系数表现为突变增加、降低或不变,主要由岩石自身孔隙特性决定,但高应力下均表现为突变降低。稳态流变渗透阶段,渗透系数恢复至与加载前相同的平缓降低的规律,瞬时加载引起的突变对渗透系数的整体演化不存在影响。

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(编辑 沈玉英)

Experimental investigation on permeability evolution of sandstone from fractured zone under coupling action of hydro-mechanical-creep

ZHANG Yu1,2,XU Weiya3,ZHAO Haibin2,WANG Wei3,SHAO Jianfu3
(1.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China; 2.Hunan Provincial Key Laboratory of Hydropower Development Key Technology,Changsha 410014,China; 3.Research Institute of Geotechnical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

The knee-shaped deflection fractured zone located in the dam-foundation of a hydropower station is a main engineering geological problem of the project.The lithology is soft sandstone with poor integrity and pore cementation contact. The permeability properties of sandstone will significantly change under hydro-mechanical-creep coupling and produce a direct impact on the deformation and stability of the dam.Based on the characteristics of loose organizational structure,high moisture content,poor physical and mechanical properties,the permeability measurements of such rock were performed during the process of time-dependent deformation under hydro-mechanical coupling.Firstly,the permeability variation during the process of stress-strain was analyzed,and the effect laws of axial,lateral and volumetric strain on permeability evolution wereobtained.Secondly,the permeability evolution during creeping course was investigated in detail,and the influences of pore pressure and confining pressure were discussed.Finally,the failure characteristics of fluid flow were studied in detail.The results show that permeability decreases rapidly during initial loading and then decreases slowly during further inelastic deformation,and the lateral strain can reflect the evolution of permeability more sensitively than axial strain.In addition,because of the heterogeneity of specimen,the permeability shows some sudden change in relation with the porosity of material during creep deformation,however,the overall trend is decreasing.During the stage of steady creep,the curve decreases linearly.It shows that the fluctuation has not significant effect on permeability evolution.Furthermore,the permeability coefficient decreases with the increase of the confining pressure.

rock mechanics;fractured zone;soft sandstone;hydro-mechanical-creep coupling;permeability evolution;experiment

TU 45

A

1673-5005(2014)04-0154-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.04.023

2013-10-20

国家自然科学基金项目(11172090);水能资源利用关键技术湖南省重点实验室开放研究基金项目(PKLHD201306);中央高校基本科研业务费专项资金项目(13CX02095A);山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地(重庆交通大学)开放基金项目(CQSLBF-Y14-4)

张玉(1985-),男,讲师,博士,从事岩石力学与工程研究方面的工作。E-mail:zhangyu@upc.edu.cn。

张玉,徐卫亚,赵海斌,等.渗流-应力-流变耦合作用下破碎带砂岩渗透演化规律试验研究[J].中国石油大学学报:自然科学版,2014,38(4):154-161.

ZHANG Yu,XU Weiya,ZHAO Haibin,et al.Experimental investigation on permeability evolution of sandstone from fractured zone under coupling action of hydro-mechanical-creep[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(4):154-161.