微生物诱导碳酸钙沉淀填充裂隙岩体渗流规律试验研究①

彭述权， 康景宇， 张珂嘉， 樊 玲， 陈少繁， 王 凡

（中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙410083）

裂隙作为自然岩体的重要组成部分，对工程结构的稳定性起着重要作用，由裂隙岩体渗流导致的工程事故并不少见［1-3］，因此研究岩体裂隙的渗流特性已经成为当前岩体力学研究的热点问题之一［4-7］。 微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）是一种新型的填充裂隙方式。 它具有简单、快捷、填充效果好等特点，正越来越广泛地用于裂隙岩体阻渗［8-10］，具有良好的应用前景。但由于不同岩性岩体的孔隙在尺度上具有显著差别，这可能会导致MICP 在裂隙中的填充率和充填物分布不同，从而影响裂隙岩体的渗透性能。 因此本文采用预制含裂隙的红砂岩试样，主要研究了围压和宽度因素作用下MICP 填充后裂隙岩体试样渗透性能，以及MICP充填裂隙岩体的波速、围压与其渗透系数之间的关系。

1 试验仪器及方案

1.1 菌种选择及试样制备

本试验采用沉淀碳酸钙效率较高的巴氏芽孢杆菌（Sporoscarcina pasteurii）作为诱导修复菌种，并采用CASO 培养基进行活化培养。 CASO 培养基主要成分为：酪蛋白15 g／L、大豆蛋白5 g／L、NaCl 5 g／L、尿素20 g／L，培养基采用1 mol／L 的NaOH 溶液将pH 值调至7.3，将巴氏芽孢杆菌接种至培养基中，并在30 ℃、转速200 r／min 的恒温摇床中培养12 h，得到光密度值为600 nm 的菌液。 岩体采用红砂岩，其主要成分为黏土、石英、方解石，将其制备成直径50±1 mm、高度100±1 mm 的标准圆柱体。 由于实际工程中地质条件较为复杂，原岩裂隙产状具有不确定性，因此制作能反映真实岩体裂隙的试样尤为关键。 本试验采用巴西劈裂法制作岩体裂隙，将岩体沿竖向分割成两部分，形成的裂隙粗糙度适中，具有良好的力学性能。 在岩体裂隙侧放入相应宽度的支撑物，再在岩体侧壁采用橡胶材料将其粘合，最终形成具有一定裂隙宽度的岩体，如图1 所示，试样编号为Ⅰ～Ⅵ，其物理参数如表1 所示。

图1 预制裂隙岩体

表1 试样特征

制成裂隙岩体后，采用蠕动泵向岩体裂隙面内进行注浆。 采用双管道同时从上部向岩体裂隙内通入巴氏芽孢杆菌溶液和浓度为1 mol／L 的氯化钙及尿素混合液，使其在岩体裂隙内充分反应，生成沉淀物进而填充裂隙。 蠕动泵流速控制在5 mL／s 以内，且随着时间增长流速逐渐降低，目的是使巴氏芽孢杆菌与氯化钙溶液在裂隙内充分反应，使其更加均匀密实。 当在岩体上方出现白色沉积物溢出时，说明填充完成，擦去试样外表面残存的碳酸钙颗粒后用纱布包好放入水中保存，填充效果如图2 所示。

图2 注浆后裂隙岩体

1.2 试验方案

采用定水位法测定试验岩体的渗透系数，即在试样两端施加大小不变的水头差，并通过测量一定渗流时间内的流量大小来计算试样的渗透系数。 选用由中南大学实验室SANS 2000KN 伺服试验机为基础改装的试验装置进行试验。 该仪器具有轴压、围压、水压三套独立的加载系统，可通过计算机自动控制采集轴压、围压、水压的试验数据并进行处理，使试验结果更为精确。 在三轴室出口处放置自动记录流体质量的电子秤，与计算机连接，在计算机上记录渗流时间内的流量数据。 每次试验完成后从三轴室取出试样，采用横波测试仪测量试样各部位的波速，测试完成后将试样表面擦拭干净，用纱布包好后放入水中储存。

保持室温为20 ℃左右，将包装好的试样放在压力机内，设置一定的轴压P1且保持不变，再设置一定的围压P2且保持不变（满足P2＜P1），最后缓慢增大水压，当试样上端稳定出水时停止加压，保持水压稳定并开始测量渗流流量。 根据试样裂隙宽度及出水条件等多方面因素考虑，设置轴压为5.1 MPa 保持不变（相当于压力10 kN），围压为0.2、0.3、0.4 MPa 共3 个等级，由于出水端与大气相通，因此出水端压力为0。

1855 年，达西通过大量实验总结了水在岩体孔隙中的渗流规律，得出了著名的达西公式，根据本试验的原理特点，可推导出渗透系数的计算公式为：

式中μ为水的动力粘滞系数，常温下μ＝1.005 mPa·s；L为试样岩体长度，cm；A为试样岩体渗流面面积，为裂隙宽度与试样直径的乘积，cm2；ΔP为试样岩体两端的渗透压压差，Pa；Δt为渗流试验总时间，s；Q为总渗流量，mL。

2 试验结果与分析

2.1 渗透性能分析

通过计算机自动采集系统采集渗流流量随时间的变化情况，如图3 所示。 各试样在不同围压下分别进行10 min 的渗流试验。 由图3 可见，在围压不变的情况下，总渗流量与时间呈线性关系，为均匀出流，且当围压增大时，总渗流量随时间增长速率减慢，即单位时间内的渗流量降低。

图3 试样总渗流量随时间变化曲线

2.2 裂隙宽度对试样渗透系数的影响

设置了1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm 共4 个裂隙宽度对照组，在3 种围压条件下分别分析裂隙宽度对试样渗透系数的影响，将渗透系数取对数后进行作图，如图4 所示。 从图4 中可明显看出，岩体渗透系数随裂隙宽度无明显规律性变化，且宽度1.5 mm 试样渗透系数远大于其他宽度。 王鹏飞等［6］研究了用石膏砂浆填充裂隙岩体后不同裂隙宽度对渗透系数的影响，发现在围压加载过程中，裂隙渗透率曲线存在两次交叉，并给出了相应的解释。 此处采用MICP 法填充裂隙岩体，由于是自然填充，填充物之间可能存在孔隙，在加载围压后试样会被压缩，裂隙宽度会有不同程度减小，并导致裂隙内填充物的孔隙结构被压缩，使渗透系数下降，由于每个试样被压缩的程度不同，因此渗透系数下降的程度也不同；宽度1.5 mm 试样渗透系数远大于其他试样，原因可能是该试样的填充效果较差，裂隙填充物之间存在较多孔隙，形成了多条渗流通路，在表1 中可见Ⅱ号试样的填充率较低。 总之，裂隙宽度对MICP 填充试样的渗透系数影响较小，还受裂隙粗糙度［11］、填充率等因素影响，且无明显规律性变化。

图4 试样渗透系数随裂隙宽度变化曲线

2.3 围压对试样渗透系数的影响

共设置6 组试样，每组试样均在不同围压下进行渗流试验，并通过计算机自动采集渗流流量随时间变化的数据，通过达西定律可计算出各围压下的渗透系数，由此得到渗透系数随围压变化规律，将渗透系数取对数后作图，如图5 所示。

图5 试样渗透系数随围压变化曲线

从图5 明显看出，不同宽度试样岩体的渗透系数均随围压增大而减小，且在0.2～0.3 MPa 阶段渗透系数下降速度较快，而在0.3～0.4 MPa 阶段渗透系数下降速度相对缓慢。 这是由于在加载前，填充岩体内部依然存在少数裂隙，可作为渗透通路；加载围压后，岩体中裂隙被压实，渗流通路逐渐闭合，导致试样的渗透系数迅速下降；进一步增大围压，由于岩体中的大部分裂隙已被压实，可能导致岩体内部发生塑性变形，进而使内部填充物的空间结构被破坏，因此围压增大对渗流通路闭合的影响较小，从而导致试样渗透系数下降速度减缓。

为评价围压对试样岩体渗透系数的影响程度，可分别计算围压从0.2 MPa 增至0.4 MPa 时渗透系数的下降程度，结果如表2 所示。 由表2 可知，围压对填充后岩体的渗透系数有较大影响，可明显降低试样的渗透系数，其中最大可降低58.03%。

表2 渗透系数下降程度

2.4 试样渗透系数与波速的关系

黄俊等［8］提出了利用声波波速估算岩体不同深度平均渗透系数的方法，并采用负指数模型描述二者之间的关系，说明波速与渗透系数之间确实存在联系。为研究在同一宽度条件下渗透系数与波速之间的关系，使用横波波速测试仪分别对裂隙宽度为2.5 mm 试样的上部、中部、下部波速进行测量，结果如表3 所示。

表3 试样波速参数

由表3 可知，试样上部与下部的波速大致相同，这说明3 个试样在上部与下部的填充效果相似，且由于在测量上下部波速时，声波会通过裂隙，而声波在固体中的传播速度大于气体，因此裂隙的存在会降低波速，降低程度受填充效果的影响。 试样中部的波速存在显著差别，这是因为3 个试样在中部的填充效果存在不同，由于岩体渗透系数受填充效果的影响，因此可用岩体中部波速来判断渗透系数大小，分析试样中部波速与渗透系数之间的关系，如图6 所示。 由图6 可以看出，岩体中部的波速越大，岩体渗透系数越小。 因为岩体中部波速越大，说明声波传播的时间越短，即裂隙中填充物的密实程度越高，渗流通路较少，因此岩体渗透系数越小。 从图中还可看出，随着围压增大，曲线由凹向波速轴，变成一条缓和的直线，最后凸向波速轴。 产生此现象的原因在于当围压较小时，裂隙填充物之间存在较多孔隙，孔隙对岩体渗透系数的影响较大，此时可用负指数函数描述渗透系数与波速之间的关系；当围压增大后，填充物内的孔隙被压缩，当内部孔隙刚好被压实时，渗透系数与中部波速呈线性变化，此时可用线性函数描述渗透系数与中部波速之间的关系；当围压继续增大，填充物的空间结构会被压坏，此时极小的波速变化即反映了较大的渗透系数变化，此时可用对数函数描述渗透系数与中部波速之间的关系。

图6 试样渗透系数随波速变化曲线

2.5 考虑围压和波速渗透系数拟合公式

为了更利于在现场确定岩体的渗透系数，可同时考虑围压、试样中部波速与渗透系数之间的关系。 采用裂隙宽度为2.5 mm 的3 个试样在不同围压状态下的渗透系数进行数值拟合，分别采用不同的公式进行拟合，结果如式（2）所示：

式中z为试样的渗透系数，cm／s；x为试样中部的波速，m／s；y为试样的围压，MPa。

由式（2）可知，采用试样中部波速的对数与围压的负指数之和的形式拟合效果较好，即可分别考虑围压和试样中部波速对岩体渗透系数的影响，式（2）拟合效果如图7 所示。

图7 渗透系数⁃围压⁃波速关系

3 结 论

采用自主研发的三轴压缩渗流试验装置，针对采用MICP 技术填充的裂隙宽度分别为1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm 的4 种类型试样，在围压分别为0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa 条件下进行渗流试验，并测量了裂隙宽度为2.5 mm 试样上部、中部、下部的波速，取得了以下研究成果：

1） MICP 充填裂隙岩体试样渗透系数受裂隙宽度的影响，也受填充率影响。

2） 不同宽度的MICP 充填裂隙岩体渗透系数随围压升高呈下降趋势，最高可下降58.03%；当围压较小时，渗透系数下降较快，随着围压增大，渗透系数下降速度逐渐减慢。

3） 同一岩性MICP 充填裂隙岩体渗透系数随波速增加而减小。

4） MICP 充填裂隙岩体的渗透系数计算公式可拟合为自然对数波速与负指数围压之和的形式。