干湿循环作用下裂隙岩体渗流特性演化规律研究

摘要：

为了研究水库消落带岩体的渗流特性，以乌东德库区白云岩为研究对象，开展干湿循环水-岩作用试验。基于单裂隙渗流试验研究了干湿循环作用下裂隙岩体渗流特性演化规律，采用理论分析方法研究了裂隙岩体各向异性渗透特性。研究结果表明：当围压恒定时，单裂隙渗流量随渗透水压力的增加线性增加；当渗透水压力恒定时，随着围压的增加渗流量呈指数函数关系递减；随着水-岩作用周期的增加，裂隙渗流量呈先骤减小后缓慢增大的变化规律。裂隙岩体渗透特性存在明显的各向异性特征，并且水-岩作用后主渗透系数和渗透张量减小，渗透椭圆半径增加，渗透主方向保持不变。

关" 键" 词：

裂隙岩体； 渗流特性； 渗流量； 各向异性； 渗透椭圆； 干湿循环； 乌东德库区

中图法分类号： TU45

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.026

收稿日期：

2023-08-16

；接受日期：

2023-11-03

基金项目：

中国三峡建工（集团）有限公司科研项目（WDD/0569）;国家自然科学基金联合基金项目（U2034203）;国家自然科学基金青年基金项目（52009067）

作者简介：

施" 炎，男，工程师，硕士，主要从事水利水电工程地质勘查研究。E-mail：451435467@qq.com

通信作者：

孙旭曙，男，副教授，博士，主要从事水工岩石力学研究。E-mail：sunxs@ctgu.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 07-0198-06

引用本文：

施炎，王团乐，宛良朋，等.干湿循环作用下裂隙岩体渗流特性演化规律研究

［J］.人民长江，2024，55（7）：198-203.

0" 引 言

水利水电工程在运行期间库水位频繁升降，尤其是日调节抽水蓄能电站的上下水库，水位升降高度可达20～40 m，由此导致库岸边坡渗流场的频繁变化。与此同时，库水呈弱酸或碱性，并含有多种化学物质，可使岩石中的矿物成分与其发生以物理和化学过程为主的溶解或沉淀作用，这一过程也称为水-岩作用；该作用进而改变裂隙面的形貌特征和渗流特性，直接影响着库岸边坡渗流场的变化。岸坡渗流场的变化又将引起岩体应力状态的改变，从而进一步影响库岸边坡的稳定性。因库水位周期性变化引起库岸边坡失稳现象日益增多。因此，研究干湿循环作用下裂隙岩体渗流场的渗透特性对水利水电工程安全运营具有重要的指导作用。

近年来，库岸边坡水-岩作用引起了众多学者的关注。如王士天等［1］总结了库区水-岩作用的类型和特征，阐述了由水-岩作用导致的库区地质灾害问题。李克钢［2］通过室内试验研究水-岩作用下白云岩变形、强度、破坏特征等力学特性的变化规律。Hurowitz［3］、Alt-Epping［4］、邓华锋［5］等通过花岗岩、砂岩、页岩及红层软岩等多种岩石的水-岩作用试验，发现水-岩作用导致岩石弹性模量、抗压强度、黏聚力及内摩擦角等发生不同程度的劣化，其力学性能的劣化直接影响库岸边坡的稳定性。文献［2-5］主要分析了水-岩作用对小尺寸岩块力学性能的影响，而天然岩体中含有数量众多的节理、裂隙等不连续面，地下水流经该类不连续面将产生水-岩作用，从而进一步影响岩体的变形、应力状态、渗流特性，且其宏观效应变化更显著。基于此，部分学者从应力场和渗流场耦合角度研究了裂隙的渗流特性。如Walsh［6-7］、Tsang［8］、速宝玉［9］、王媛［10］等通过裂隙岩体渗流和应力耦合作用建立了裂隙渗流量和应力的关系。此外，赵宗勇等［11］通过数值模拟方法分析了裂隙过流面积对渗流量的影响，张修硕等［12］基于立方定律得到不同形式裂隙流量计算公式。段玲玲［13］、王珂［14］等学者通过水-岩作用下裂隙岩体渗流试验分析了水-岩作用对裂隙渗流特性的影响，但其研究过程中均以单一裂隙为研究对象，未进一步研究大尺寸裂隙网络渗流特性。因此，黄庭威［15］、青松勇［16］、王振伟［17］等学者开展了岩体裂隙网络渗流各向异性特征研究，发现裂隙几何参数是裂隙渗透张量和渗透主方向产生变化的主要因素，但其研究过程中缺少考虑库岸边坡水-岩作用条件对岩体裂隙网络渗流特性的影响。

因此，本文以乌东德库区三台危岩体白云岩为研究对象，设计了干湿循环试验模拟消落带岩体“浸泡+自然风干”的循环作用环境。通过单裂隙渗流试验获得裂隙渗流特性变化规律，基于蒙特卡洛方法建立三台危岩体裂隙网络模型，并通过理论分析开展岩体裂隙网络渗流各向异性特征研究。

1" 试样制备及试验方案

1.1" 试样制备

本文取乌东德库区三台危岩体白云岩为研究对象，通过X射线衍射仪获得白云岩的主要矿物为白云石（MgCa（CO3）2）。根据规范和单裂隙水岩耦合仪对岩样尺寸的要求，首先制备成50 mm（直径）×100 mm（高度）的圆柱形标准试样。经巴西劈裂试验获得具有完整裂隙面的单裂隙试样，见图1，通过三维形貌扫描获得裂隙面分形维数为2.211，算术平均高度Sa为0.801 mm。为了避免裂隙面微细观结构及形貌特征的离散造成裂隙渗流量差异较大，故取一组试样开展水-岩作用条件下单裂隙渗流试验。

1.2" 试验方案

1.2.1" 水-岩作用试验方案

三台危岩体位于乌东德峡谷右岸。由三台坝址预可行性阶段地下水质资料可知：工作区地下水类型为HCO3-Mg·Ca型，矿化度469 mg/L，pH为8.4，江水为HCO3-Mg·Ca型，矿化度250 mg/L，pH为8.3，具有微腐蚀性。因此，配制pH为8.5的饱和碳酸氢钠溶液作为浸泡溶液，模拟岩样所赋存的水环境条件。消落带岩体长期处于“浸泡+自然风干”循环状态，共设计了12期干湿循环试验过程，每期试验静水浸泡20 d，自然风干2 d。在初始状态和第1、3、5、8、12周期开展单裂隙渗流试验。

1.2.2" 单裂隙渗流试验方案

借助自主研发的HYS-4-2型单裂隙水岩耦合仪开展单裂隙白云岩渗流试验，如图2所示。试验设计了3个围压（1，2，3 MPa）和3个渗透水压力（0.2，0.5，0.8 MPa），分别由液压泵和气控阀控制围压和渗透水压力，控制精度分别不大于0.1 MPa和0.02 MPa，在初始状态和第1，3，5，8，12周期记录渗流量并分析其变化规律。水-岩作用试验与单裂隙渗流试验交替进行，为了避免人工操作对裂隙面贴合度和裂隙错位的影响，裂隙面闭合后观察试样表面纹理连接情况如图1所示，并在渗流试验中通过有机硅胶密封固定。

2" 单裂隙渗流特性分析

2.1" 渗透水压力对渗流量的影响

干湿循环作用下不同试验周期单裂隙渗流量见表1。由表1可知，不同周期、不同围压条件下渗流量与渗透水压力变化关系基本相似。因此，取第12周期数据绘制渗流量与渗透水压力变化曲线，如图3所示。结果表明：当围压恒定时，随着渗透水压力增加单裂隙渗流量线性增加，用线性函数y=Ax+B能较好拟合，其中，系数A随着围压的增大而减小。当渗透水压由0.2 MPa增加至0.8 MPa时，渗流量增加3.1～7.4倍。

2.2" 围压对渗流量的影响

从表1取第12周期数据绘制围压与渗流量的变化曲线见图4。结果表明：当渗透水压力恒定时，随着围压增加单裂隙渗流量减小，其变化趋势可用指数函数y=Ce-Dx较好拟合，且随着渗透水压力的增加系数C增大。当围压由1 MPa增加到3 MPa时，渗流量减小为初始流量的2%～31%，与渗透水压力相比，渗流量随围压变化最为显著。

2.3" 试验周期对渗流量的影响

水-岩作用过程中，渗流量随试验周期变化较为明显，以3 MPa围压作用下单裂隙渗流量变化为例，绘制渗流量与试验周期的变化曲线见图5。结果表明：水岩作用初期，渗流量出现骤减；随后，渗流量随试验周期的增加呈线性增加，与第一周期相比，第12周期的渗流量分别增加了48.92%～72.69%。

对初始状态及第12周期水-岩作用后裂隙表面开展SEM扫描电镜测试，获得微细观结构图像如图6所示。由测试结果可知：经多次干湿循环作用可使得裂隙表面矿物软化溶解，微细观孔隙增加，导致裂隙表面形貌特征向复杂多样化变化；在围压作用下进一步改变了裂隙中水流通道，最终导致水岩作用后单裂隙渗流量逐渐增加。

3" 干湿循环作用下裂隙岩体各向异性渗透特性

3.1" 计算模型及边界条件

从乌东德库区三台危岩体露头、平硐获取两组主要裂隙参数见表2。其中间距和断距服从正态分布。基于Monte-Carlo方法生成裂隙网络模型并对其进行连通处理，如图7所示，模型尺寸为20 m×20 m。为研究裂隙岩体各向异性渗透特性，在裂隙网络模型中心取10 m×10 m的研究区域，并以中心点为圆心，依次旋转15°、30°、45°、60°、75°获得不同方向的裂隙网络模型。

在裂隙网络渗流计算中假定地下水只能在裂隙中流动，文中以初始状态和第12周期（围压1 MPa、渗透水压力0.8 MPa）测量的渗流量为基础，通过立方定律计算获得水-岩作用前后单裂隙的水力传导系数，渗流计算边界条件及水力传导系数如下：边界条件为入口压力水头80 m，出口压力水头0 m，不透水边界流量0，初始状态裂隙水力传导系数1.83×10-3 m/s，水岩作用后裂隙水力传导系数5.69×10-4 m/s。借助Geo-studio软件开展渗流计算，假定研究区域内裂隙网络渗流量与同尺寸连续介质渗流量相同，即可通过连续介质模型计算等效渗透系数：

Q=kJfA

（1）

式中：k为等效渗透系数，A为截面面积，Jf为水力坡度。

3.2" 裂隙渗透主方向及各向异性特征研究

假设坐标系xoy下渗透系数为k，坐标系x′oy′下渗透系数为k′，θ为坐标轴的夹角（图8），则坐标轴夹角的正弦和余弦值分别为：lx′x=cosθ，ly′y=cosθ，lx′y=sinθ，ly′x=-sinθ，渗透系数张量K′和K的分量之间存在如下关系［12］：

ki′j′=kijli′ilj′j

（2）

设主渗透系数k1、k2的方向与坐标系x轴和y轴方向一致，则θ方向的渗透系数为

kθ=k1cos2θ+k2sin2θ

（3）

用椭圆方程表示为

cos2θa2+sin2θb2=1r2

（4）

设1a2=k1，1b2=k2，1r2=kθ，即旋转角θ与kθ满足椭圆曲线关系。1k1、1k2分别为椭圆的主轴长度［12］，椭圆长轴与x轴正向的夹角为渗透主方向。由公式（5）得渗透张量的各个分量：

Kxx=12k1+k2+12k1-k2cos2θKyy=12k1+k2-12k1-k2cos2θKxy=Kyx=12k1-k2sin2θ

（5）

式中：θ为渗透主方向。综上可得裂隙岩体二阶渗透张量为

K=KxxKxy

KyxKyy

（6）

根据不同旋转角模型对应的渗透系数及椭圆半径关系，在极坐标和直角坐标系中绘制渗透系数和椭圆半径的变化曲线如图9所示。由椭圆方程得主渗透系数

k1=1.01×10-6 m/s，k2=1.02×10-5 m/s，渗透主方向为50.2°，渗透张量为K=6.46-4.54-4.544.79×10-6 m/s。

同理，得水-岩作用后渗透系数及椭圆半径的变化曲线如图10所示。由椭圆方程得主渗透系数k1=3.13×10-7 m/s，k2=3.16×10-6 m/s，渗透主方向为50.2°，渗透张量为K=2.00-1.40-1.401.48×10-6 m/s。综上可知，裂隙岩体具有明显的各向异性特征，并且水-岩作用后渗透椭圆半径增加，主渗透系数和渗透张量减小，而渗透主方向保持不变。

4" 结 论

（1） 当围压恒定时，单裂隙渗流量随渗透水压的增加线性增加；当渗透水压恒定时，随着围压增加渗流量呈指数函数关系递减；随着试验周期的增加，裂隙渗流量呈先骤减后缓慢增加并趋于稳定的变化规律。

（2） 无论水-岩作用前后，裂隙网络渗透特性均表现出明显的各向异性特征，相比于初始状态而言，水-岩作用后裂隙岩体主渗透系数和渗透张量减小，渗透椭圆半径增加，渗透主方向保持不变。

参考文献：

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［16］青松勇.隧道裂隙围岩各向异性渗流场特性研究［D］.成都：西南交通大学，2021.

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（编辑：郑 毅）

Seepage characteristics of fractured rock mass under dry-wet cycling action

SHI Yan1，WANG Tuanle1，WAN Liangpeng2，SUN Xushu3，ZUO Xiaopeng3，GUO Xiaoping3

（1.Three Gorges Survey and Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China；" 2 China Three Gorges Construction Group Co.， Ltd.， Chengdu 610041，China；" 3.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of MoE，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract：

In order to study the seepage characteristics of fractured rock mass in the water-level fluctuation zone of reservoirs，the dry-wet cycling water-rock interaction test was carried out on dolomite in Wudongde Reservoir area.Based on the single fissure seepage test，the evolution law of seepage characteristics of fractured rock mass under the action of dry-wet cycling was studied，and the anisotropic seepage characteristics of fractured rock mass were studied by theoretical analysis method.The results showed that when the confining pressure was constant，the seepage flow of single crack increased linearly with the increase of seepage water pressure.When the seepage water pressure was constant，the seepage flow decreased exponentially with the increase of confining pressure.With the increasing of water-rock interaction period，the fracture seepage flow decreased suddenly and then slowly increased.The permeability characteristics of fractured rock mass had obvious anisotropy，the principal permeability coefficient and permeability tensor decreased，the radius of permeability ellipse increased，and the principal permeability direction remains unchanged after water-rock interaction.

Key words：

fractured rock； seepage characteristics； seepage flow； anisotropy； permeability ellipse； dry-wet cycling； wudongde Reservoir area