地下水对板岩微观结构变化的影响研究

2019-07-25李同录张建杰

水力发电 2019年4期

汪丽，李同录，张建杰

(1.西安航空学院能源与建筑学院，陕西西安710077；2.长安大学公路学院，陕西西安710054；3.四川大学水电学院，四川成都610065)

0 引言

水电站库区蓄水后，库岸边坡消落带的水-岩作用逐渐成为研究热点，很多学者进行了各种水-岩作用试验，分析得到了库岸边坡消落带岩体在水-岩作用下的抗压、抗剪、抗拉强度和断裂韧度等物理力学参数劣化规律，为把握水-岩作用的宏观效应奠定了较好基础[1]，但这些研究主要着重于水-岩作用下岩石物理力学特性劣化效应分析，对水-岩作用的微细观劣化机理分析不够完善。

岩石微细观结构特征分析是研究岩石变形破坏机理的重要手段。近年来，在岩石的微细观结构分析方面取得了较多成果。Y.H.Hatzor等[2]分析了岩石微观结构对脆性破坏的影响；H.C.Robina等[3]研究发现微观裂隙和颗粒尺寸对岩石强度影响显著；赵永红等[4]研究发现岩石微裂纹的发展和联通始终是沿颗粒边界曲折前进的；卢应发等[5]从微细观角度分析了单轴、三轴和循环荷载作用下大理岩的破坏方式和特征；谭以安、刘小明等[6-7]分别从微观角度分析了岩石机制和渐进破坏过程；倪骁慧、朱德珍等[8-9]基于岩石试验过程中微细观结构变化特征，提出了岩石的细观损伤变量计算方法；谭罗荣[10]研究发现岩石的水稳定性与微裂隙的关系十分明显；周翠英等[11]分析了多种软岩在饱水过程中的微观结构变化规律，为软岩饱水后力学性质变化机制分析提供了较好的思路。

综合上述研究成果，岩石在各种力学和环境条件下的变形破坏过程是一个由微细观结构变化逐步向宏观变形破坏演化的过程，研究岩石的微细观结构变化特征，有助于把握岩石的变形破坏过程，也可从微细观角度很好地解释力学或环境条件对岩石物理力学特性的影响机理。

图2 不同饱水压力下板岩SEM图像

1 试验方案

试验所用板岩取自某水电站库区库岸边坡，微风化，无可见节理，完整性较好，孔隙式钙质胶结，基质具微细鳞片变晶结构的中粒砂状结构，岩石由石英、长石、岩屑、云母等组成，碎屑组分有燧石岩屑。岩样尺寸为50 mm×100 mm(直径×高度)。试验之前，先测试岩样的纵波波速和回弹值进行岩样筛选。风干10 d左右，岩样的质量趋于稳定，岩样达到风干状态。

图1 试验流程

参考以往库岸边坡消落带水-岩作用试验，本文的试验流程见图1。水-岩作用过程中，设计4组岩样，分别为干燥岩样、0.5 MPa水压力真空饱(模拟库水50 m深处的水头压力)、1.0 MPa水压力真空饱(模拟库水100 m深处的水头压力)以及1.5 MPa水压力真空饱(模拟库水150 m深处的水头压力)。真空饱岩样浸泡30 d，浸泡完成后，将全部岩样取出，自然风干10 d。

水-岩作用试验在YRK-1岩石溶解试验仪中进行，该设备可以较好地模拟水压力的升降变化。在不同水-岩作用周期，对破坏岩样断面进行了SEM电镜扫描，通过不同放大比例的SEM照片，从破坏断面特征、颗粒及孔隙结构特征、断口形态和裂纹扩展特征等3个方面，对水-岩作用下板岩的微细观结构特征进行分析。

2 微观机理分析

本次试验采用电子显微镜分别对经过干燥、0.5 MPa水压力真空饱、1.0 MPa水压力真空饱以及1.5 MPa水压力真空饱处理后的4种板岩试样的表面形貌进行微观扫描。试验选择放大倍数为1 000倍的SEM图像进行对比分析。不同饱水压力下板岩SEM图像见图2。

从图2可知，干燥状态下，岩样破坏断面棱角分明，线条清晰，可以明确分辨出破坏断面的凸起和凹陷处，破坏模式趋近于脆性破坏，只有少量岩石碎屑存在于断面上。0.5 MPa饱水状态下水-岩作用后，岩样破坏断面棱角及线条开始逐渐模糊、光滑，不再如初始状态锐利及清晰，破坏模式仍趋近于脆性破坏，破坏断面上岩石碎屑明显增多。1.0 MPa饱水状态下水-岩作用后，岩样破坏断面凹凸位置棱角及线条进一步趋于光滑，但局部破碎程度逐渐加剧，裂纹线条比较清晰，但局部充填，裂纹两侧结构松散，破坏断面存在大量的岩样碎屑。1.5 MPa饱水状态下水-岩作用后，岩样破坏断面凹凸位置棱角圆滑，局部破碎状态进一步加剧，脆性破坏特征明显减弱，裂纹边界逐渐圆滑，岩屑充填明显。

总体而言，在水-岩作用过程中，岩样破坏断面由棱角分明、线条清晰的凹凸状断面，逐渐变得线条及棱角弱化模糊，局部破碎程度明显增强，断面附着的碎屑也逐渐增多。说明在水-岩作用下，板岩的整体脆性性质逐渐减弱，结构逐渐趋于松散。

将不同饱水压力下的SEM图像导入Image J软件，可提取板岩试件的孔隙率φ。同时，通过浸水前后质量比较，可获得板岩含水率。板岩基本物理参数见表1。板岩孔隙率φ与饱水压力P的关系见图3。从图3可知，随着饱和压力的增大，孔隙率不断增大，含水率也在不断增加，这与SEM分析结果一致。

表1 板岩基本物理参数

表2 不同饱水压力板岩力学参数

图3 板岩孔隙率与饱水压力的关系

综合试验结果和前人研究结果可知[12]，板岩在不同饱水压力作用下的微观结构的变化可概括为：在水-岩作用过程中，矿物颗粒之间的胶结物质逐渐溶蚀、溶解，各类长石逐渐发生水-岩物理、化学作用，从而使矿物颗粒之间的微裂纹、裂隙逐渐发育、汇集，孔隙率逐渐增大，岩石颗粒结构从相对密实状态逐渐变得趋于松散。水-岩物理作用对岩体除了产生润滑、软化及泥化等作用外，矿物质颗粒在水的渗透、扩散和运输作用下，会导致岩体次生孔隙率的增加；另一方面，各类长石矿物在水化学反应中，一部分以离子形式进入浸泡溶液中，引起溶液离子浓度的变化；另一部分通过化学反应形成新的次生矿物，而次生矿物的密度、分子量是不同的，使其在岩体中所占据的空间体积发生变化，进而促进次生孔隙的产生。这些微细观结构特征的变化，也正是岩样物理力学特性劣化的根本原因。

由上述微观分析可知，板岩遇水后，水的侵蚀造成了内部孔隙不断增加[13]。因此，借鉴多孔介质理论，从孔隙率角度出发，可建立板岩遇水强度软化模型。板岩单轴抗压强度σc与饱水压力P之间具有以下关系

式中，a为修正参数；ν为泊松比；Em为基质的弹性模量。

3 板岩软化模型试验验证

3.1 单轴压缩试验分析

在饱和压力作用下，板岩试样的峰值强度相比于干燥状态下明显降低。由应力-应变曲线可得到板岩各种状态下单轴抗压强度、弹性模量和泊松比，结果见表2。从表可2知，随着饱水压力的增大，板岩饱水后单轴抗压强度逐步减小，降低幅度约为10%；弹性模量逐步减小，降低幅度约为30%；而泊松比也呈下降趋势，降低幅度约为25%。