水岩作用的丹江口库区岩石力学性能试验

谢向东，刘素梅



水岩作用的丹江口库区岩石力学性能试验

谢向东1，刘素梅2

(1.湖北文理学院 机械与汽车工程学院，湖北 襄阳 441053；2.武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

通过对丹江口库区广泛分布的砂岩、微风化辉绿岩和辉绿岩的标准化试样进行干燥、库水浸泡1周和浸泡3个月处理，然后对经过3种处理的试样的力学性能分别进行了不同围压下的三轴试验研究，以此探讨物理化学作用对库区岩石力学性能的影响，为丹江口水库续建工程诱发地震机理研究提供基础数据. 结果表明，丹江口库水对岩石的化学作用不明显，但是物理作用明显，即经过库水物理化学作用后，岩石抗压强度、弹性模量和泊松比均下降，而且库水作用时间越长，力学参数降低越多.

丹江口库区；岩石力学；水岩物理化学作用

水库诱发地震是水库蓄水后多种因素综合影响的结果，比如库水静压力[1]、水位升降变化、库水下渗引起的孔隙水压力[2-3]、库水对岩石和断层的侵润、化学作用等[4-6]. 这些因素都与库水有关，可见库水在水库诱发地震中占据重要地位. 国内外学者已经充分注意到水对岩石的物理化学作用，并提出它是水库诱发地震的关键因素，但关于丹江口库区岩石水岩物理化学作用的定量研究尚未见诸报道. 本文对丹江口水库库区代表岩样进行水岩物理化学作用试验研究，探讨岩石在水岩物理化学作用后的力学性能，为丹江口水库续建工程诱发地震研究提供基础数据.

1 试验方案

为了比较水岩物理化学作用效果，本文分别对干燥状态、库水浸泡1周、库水浸泡3个月的岩石试样进行分组试验，以得到岩石在3种状态下的力学参数. 试验方案如下：1)根据库区地质地形图，分析库区代表性岩石，确定试验的岩样类型；2)深入库区，用手持GPS定位仪进行定位，并将岩样与地质图进行对比，确定无误后，采集新鲜岩样，并按照统一编号标记后密封保存；3)根据《试验规程》[7]将现场采取的岩样制备成Φ50mm×100mm的圆柱体试件，每种岩石制备3组(每组5个)，3组共45个试件，分别进行干燥、库水浸泡1周、库水浸泡3个月的处理；4)对3组试件分别进行不同围压下(0MPa, 5MPa, 10MPa, 20MPa, 40MPa)的三轴压缩变形试验[8]，每种试验用15块试件，研究三轴压缩条件下岩石的力学性能，包括抗压强度、变形特性及其相关参数，并通过比较浸泡不同时间后岩石力学参数的变化研究水岩物理化学作用对岩石力学性质的影响.

2 试验方法

严格按照《水利水电工程岩石试验规程》[9]的要求，制备合理的试件，分别对各组时间进行干燥、库水浸泡1周和浸泡3个月的处理后进行试验，三轴压缩变形试验在MTS815.03刚性试验机上进行. 试验前对试样进行描述，如：岩石名称、颜色、主要矿物成分，颗粒大小及结构特征等可能影响试验结果的因素. 试验前预估试样的破坏荷载，以20 KN/min的加载速度加载，试验过程中密切监视试验曲线. 当变形曲线接近峰值点时，从“应力控制”切换为“应变控制”，得到变形后期的变形曲线. 三轴压缩变形试验结束后，整理数据，绘制应力-应变关系曲线，并计算岩石弹性模量，泊松比，内摩擦角Φ和粘聚强度c.

3 试验结果及分析

3.1 岩样的应力-应变关系曲线

根据前述试验方法，得出库区代表性岩样在经过干燥、库水浸泡1周和库水浸泡3个月处理后的应力-应变关系曲线，如图1—8所示.

图1 3种岩石单轴应力应变关系

图2 3种岩石5MPa围压下轴向应力应变关系

图3 3种岩石10MPa围压下轴向应力应变关系

图4 3种岩石20MPa围压下轴向应力应变关系

图5 3种岩石40MPa围压下轴向应力应变关系

图6 砂岩轴向应力应变关系

图7 微风化辉绿岩轴向应力应变关系

图8 辉绿岩轴向应力应变关系

根据以上试验结果可以看出：

1) 砂岩在0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa围压下3种状态的应力应变试验结果分别如图1—5的(a)图所示：由图中试验曲线可以看出砂岩峰值强度在不同围压下基本符合干燥状态最大，库水浸泡1周次之，库水浸泡3个月最小的规律；而且随围压的增加而增大，其中干燥状态最高达150Mpa，库水浸泡3个月最高达60Mpa. 砂岩在干燥低围压条件下发生脆性破坏，随着库水浸泡时间增加逐渐转化为延性破坏. 当围压增加到一定程度后干燥状态的砂岩也发生延性破坏，而且随着库水浸泡时间增加其强度降低.

2) 微风化辉绿岩在0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa围压下3种状态的应力应变结果分别如图1—5的(b)图所示：由图中应力应变曲线可以看出微风化辉绿岩的试验结果不太理想，可能是由于岩样受风化，质地不均匀造成的. 但基本上还是满足干燥状态的峰值强度最大，库水浸泡1周次之，库水浸泡3个月最小的规律；而且随围压增加峰值强度增大. 其中干燥状态的峰值强度最高达300Mpa，饱和状态最高达120Mpa. 微风化辉绿岩干燥状态弹性变形较大，而且随着围压增加强度增大变形也增大；库水浸泡1周后其弹性变形相对干燥状态有所变小，这是由于吸水膨胀使微风化辉绿岩的裂隙弥合所致. 随着库水浸泡时间增加，其强度越来越小，但是延性增加.

3) 辉绿岩在0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa围压下3种状态应力应变结果分别如图1—5的(c)图所示：由图中应力应变曲线可以看出辉绿岩的峰值强度基本满足干燥状态最大，库水浸泡1周次之，库水浸泡3个月最小的规律，而且随围压增加而增大. 3种状态的关系曲线相对比较接近. 其中干燥状态的峰值强度最高达420Mpa，库水浸泡3个月最高达320Mpa. 辉绿岩试块在低围压干燥状态或者浸泡1周后基本上都是发生脆性破坏，随着围压增加或库水浸泡时间增长，其延性都增加，库水浸泡时间的增加更有利于其延性的提高.

4) 3种岩石各种状态(干燥状态，库水浸泡1周，库水浸泡3个月)不同围压(0Mpa, 5Mpa, 10Mpa, 20Mpa, 40Mpa)下的应力应变试验结果绘于图6—8中. 由图6可以看出砂岩在3种状态下的应力基本都是随围压增加而增加，随围压的变化其应力应变曲线有明显的变化. 由图7、8可以看出不同状态的微风化辉绿岩和辉绿岩在低围压下发生脆性破坏，而且其应力应变曲线基本重合，但是高围压下转变为延性破坏.

3.2 岩样弹性模量E，弹性泊松比μ，内摩擦角Φ和粘聚强度C

根据国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会推荐的《岩石力学试验建议方法》[8]中关于弹性模量，泊松比，内摩擦角及粘聚强度的计算，可以得到各类岩石的力学参数如表1，2所示. 由表1，2可以看出，经过不同处理的岩石材料的弹性参数有比较大的差异，这些参数的改变反映了各状态下变形性状的某种差异.

表1 3种岩石不同状态不同围压下的弹性模量和波松比

表2 3种岩石的内摩擦角和粘聚强度

3.3 水岩物理化学作用分析

通过前述试验结果分析可知，库水对岩石的物理化学作用对其力学性能有着显著的影响. 当库水浸入岩石内部时，就顺着裂隙进入，润湿岩石全部自由面上的每个矿物颗粒. 水分子的介入改变了岩石的物理状态，削弱了颗粒间的联系，伴随发生一些化学反应. 在干燥状态和库水浸泡状态下所求得的岩石力学参数具有明显的差别，这一差异在微风化辉绿岩和砂岩中表现得更加突出，这种岩石吸水后强度弱化的现象与岩石的总空隙率有着直接的联系. 由于孔隙中的水对岩石中矿物的溶蚀、软化、泥化、膨胀以及化学作用，使得库水浸泡状态下岩石抗压强度有所降低. 本文试验中砂岩在40MPa围压下干燥状态的峰值强度是库水浸泡3个月后强度的3倍，微风化辉绿岩是两倍，辉绿岩在3种岩石中最坚硬致密，所以变化不大.

4 结论

1) 库水浸泡时间对岩石抗压强度的影响是显著的，岩石吸水后会发生一系列的物理化学作用，从而使其强度有明显的降低. 一般说来，库水浸泡时间越长，强度就越低，反之亦然. 随着库水浸泡时间的增加岩石抗压强度弱化程度与岩石的坚硬致密程度与亲水性强弱等有密切关系.

2) 岩石弹性变形参数随着试验状态的不同有所差异，各类岩样的弹性模量E，弹性泊松比μ，内摩擦角Φ和粘聚强度c在不同试验条件下的差异较大，因此在工程中应用这些参数时要考虑岩石所处的物理环境.

[1] 刘素梅, 徐礼华. 丹江口库区水压应力场的有限元模拟[J]. 水利学报, 2005, 36(7): 863-869.

[2] TALWANI PRADEEP，ACREE S. Pore pressure diffusion and the mechanism of reservoir-induced seismicity[J]. Pure& Application Geophysics, 1985, 122(6): 947-965.

[3] 高士钧, 曾心传, 陈永成, 等. 水库诱生的孔压变化及应力特征[J]. 西北地震学报, 1990, 12(1): 57-95.

[4] 王 伟, 刘桃根, 吕 军, 等. 水岩化学作用对砂岩力学特性影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(2): 3607-3707.

[5] 李思悦, 谭 香, 徐志方, 等. 湖北丹江口水库主要离子化学季节变化及离子来源分析[J]. 环境科学, 2008, 29(12): 3353-3359.

[6] 郑凡东, 刘立才, 杨牧骑, 等. 南水北调水源北京西郊回灌的水岩相互作用模拟[J]. 水文地质工程地质, 2012, 39(6): 22-28.

[7] 中华人民共和国地质矿产部. DY-94岩石物理力学性质试验规程[S]. 北京: 地质出版社, 1949.

[8] 国际岩石力学学会实验室和现场试验标准委员会. 岩石力学试验建议方法[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1982.

[9] 中华人民共和国水利部. sL264一201水利水电工程岩石试验规程[S]. 呼和浩特: 内蒙古大学出版社, 2003.

[6] 黄乃安, 张绍波. 丹江口水库诱发地震趋势研究[J]. 华南地震, 1991, 11(4): 67-74.

[7] CHEN LINYUE, TALWANI PRADEEP. Reservoir-induced seismicity in China[J]. Pure and applied geophysics, 1998, 153: 133-149

[8] MATCHARASHVILI TEIMURAZ, CHELIDZE TAMAZ, PEINKE JOACHIM. Increase of order in seismic processes around large reservoir induced by water level periodic variation[J]. Nonlinear Dynamics, 2008, 51(3): 399-407.

[9] KANGI ABAS, HEIDARI NEMATOLLAH. Reservoir-induced seismicity in Karun Ⅲ dam (Southwestern Iran)[J]. Journal of Seismology, 2008, 12(4): 519-527.

[10] 刘素梅, 徐礼华. 丹江口水库区构造应力场的数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(23): 4017-4021.

[11] 谢向东, 徐礼华, 李彦强. 丹江口库区初始地应力场的反演[J]. 西安建筑科技大学学报, 2012, 44(2): 217-224.

Water-rock Interaction Between Rock and Reservoir Water in Danjiangkou Area

XIE Xiangdong1, LIU Sumei2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China; 2. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

By the physical-chemical interaction between reservoir water and rock specimens in Danjiangkou area which are on dry state, have been soaked for one week and for three months. Physical-chemical interaction between water and rocks are experimented under different confining pressure on MTS in Danjiangkou reservoir, which can provide basic data for the study on the reservoir-induced seismicity mechanism of Danjiangkou reservoir. The results show that the chemical interaction is non-significant, but the physical action is notable. Values of physical mechanics parameters reduce with the increase of soaking-time.

Danjiangkou reservoir area; Rock mechanics; Physical-chemical interaction between water and rock

TU45

A

2095-4476(2014)05-0037-05

2014-03-14;

2014-04-15

湖北省自然科学基金资助项目(2012FFC05201, 2011CDB267)

谢向东(1975— ), 男, 河南南阳人, 湖北文理学院机械与汽车工程学院讲师, 博士, 主要研究方向: 工程结构抗震.

(责任编辑：饶 超)