岩石THMC多因素耦合试验系统研制与应用

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(1.河海大学 水利水电学院，南京 210098；2.大伙房水库输水工程建设局，沈阳 110166； 3.新疆博衍水利水电环境科技有限公司，乌鲁木齐 830000)

1 研究背景

我国西部水电资源的开发促进了在高水压、高应力、高地温、水化学等复杂地质环境下深埋岩体工程状况的研究。在这种特殊环境中存在着不同因素之间的相互作用，即温度-应力-渗流-化学耦合作用(以下简称THMC耦合作用)[1]，其探索是岩石力学领域一个基础性课题。由于耦合过程非常复杂，THMC耦合作用下的裂隙岩石渗透特性试验对环境条件要求较高，近年来国内外学者一直在对岩石耦合渗透试验设备创新性研制进行不懈的探索。

尹立明等[2]研制的岩石应力-渗流耦合真三轴试验系统，可进行大尺寸、高渗透压作用下的岩石渗透特性试验研究，并可实时跟踪监测裂隙扩展情况。黄润秋等[3]研发的岩石高压渗透试验装置针对不同规格的大尺寸岩石(体)或碎石，可还原其原地应力状态进行渗透特性及其相关力学试验研究。陈卫忠等[4]研制的双联动软岩三轴流变仪可研究软岩、硬土在不同应力条件下的流变特性。刘光廷等[5]研制的渗流-三轴应力耦合试验机可对岩体进行室内渗流应力耦合仿真试验，实现了垂直于渗流向的2个方向上应力的独立加载。中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RPT3真三轴岩石渗透仪[6]、太原理工大学采矿研究所研制的MDS-200型三轴试验台[7]等可研究2场或3场耦合下的岩石试验过程。

许江等[8]进行了含瓦斯煤热流固耦合温度(室温～100 ℃)条件下地应力和瓦斯压力共同作用时瓦斯煤的渗流规律及其在渗流过程中的变形破坏方面的试验研究。赵阳升等[9-10]研制的20 MN高温高压伺服控制岩体三轴试验机可研究高温高压下岩体的流固热耦合特性及渗透特性等。杨建平等[11-12]研制的低渗透介质温度-应力-渗流耦合三轴仪可实现一定温度(室温～90 ℃)条件下低渗透介质在流固热耦合作用下的渗透特性研究。冯夏庭等[13]研制的应力-水流-化学耦合过程中岩石破裂全过程的细观力学试验装置可进行单轴或三轴压缩条件下岩石流固化耦合过程的细观力学试验。盛金昌等[14]利用自行研制的超高压(多路控制)大流量渗透仪及渗流应力耦合系统[15]研究了带裂隙石灰岩在渗流应力耦合作用下的渗透特性变化规律。研究成果还包括：石灰岩裂隙中流体耦合流动变化规律[16]、不同溶质在多孔介质中的运输差异和溶质运输机制[17]、圆柱形试件水力压裂作用研究[18]等。这些试验设备都为岩石多场耦合试验提供了有效试验工具，取得了有价值的研究成果。

为了更深入探索在不同应力、渗透压力、温度与化学耦合条件下的具裂隙或完整岩石的渗透、力学特性的变化，本文在超高压(多路控制)大流量渗透仪及渗流应力耦合系统[19]研制的基础上，进一步自行研发岩石温度-渗流-应力-化学(THMC)耦合试验系统，拓展了温度、化学等因素并加大应力区间，可开展高水压、大水力梯度、温度、化学复杂条件下岩石的渗透特性、力学特性演变试验研究。

本套试验装置与上述试验装置相比，做出的改进可概括为4点：①能够进行全4场耦合条件下岩石的渗透特性试验研究，修正了同类渗流试验装置只能进行流固化热4场耦合中的2场或3场耦合试验的不足；②能够进行低温条件下岩石渗流特性的研究，对以往只能实施加温的温度装置进行了扩充；③施加的化学作用与渗流作用同时进行，真实模拟多场耦合条件下化学腐蚀作用对岩石渗流作用的影响，改进了以往进行岩石的水化学环境的处理时先浸泡再试验的操作过程；④试件的安装基本完全依靠仪器调节，使安装过程方便且稳定，保证试验精度。

2 试验系统功能及技术参数的确定

2.1 试验系统功能

本试验系统主要是研究在温度-应力-渗流-化学耦合作用下完整岩石或裂隙岩石的渗流特性演化规律。

为反映实际岩石工程中岩石所处应力、渗透压力、地温条件和化学环境，研制的岩石应力-渗流-温度-化学耦合试验系统包括加载主机系统、液压控制系统、控温系统、化学溶液自配系统、渗出水测量系统、各种管路及保温系统，试验系统的实物照片和各子系统之间的关系见图1。该试验系统能够对轴压、围压、渗透压和轴向位移进行全自动、半自动或手动精确控制，可在无人值守条件下全自动控制模式时长期连续运行。

图1 岩石THMC多因素耦合试验系统Fig. 1 Test system coupling THMC processes of rocks

2.2 技术参数的确定

为模拟岩石工程实际的THMC耦合工作环境，试验系统主要的技术参数指标有应力、渗透压力以及新扩展的温度场和化学场。

图2 温度控制及化学溶液自配系统原理Fig.2 Schematic diagram of temperature control and self-distribution system of chemical solution

本文在原有的超高压(多路控制)大流量渗透仪及渗流应力耦合系统研制基础上，继承了原有的渗流-应力耦合系统设计思路，但在技术指标上有所提高。试验系统主要的轴向压力、围压、渗透压力指标有：轴压调节范围0～1 500 kN；围压调节范围0～30 MPa；渗透压调节范围0～30 MPa；最大流量为1.5 L/min。设备针对应力及渗透压力做出的创新有：为测定更多不同情况的压力条件，参考实际工程的工作状态并基于原有设计经验增大各指标加载范围；设定加载速率与压力上限报警，当超出设定标准时仪器采取紧急停机措施防止失稳，保证了工作状态稳定性和安全性；加载最终值与目标值相比上下浮动不超过0.5%以确保试验压力精度，使岩石多场耦合试验工况更加精准；仪器新增位移传感器，有荷载控制或位移控制2种调节轴压的方式，可实时测量耦合试验中的试件变形，进行岩石耦合渗流试验的应力-应变测试。

试验系统采用多管路渗压控制，并新发展了温度控制系统和化学配置系统，具体介绍如下。

渗透压调节范围针对具裂隙岩石或完整岩石，分为适用于具裂隙岩石试验的低压渗透通道(0～0.4 MPa)和适用于完整岩石渗透试验的高压渗透通道(0.4～30 MPa)，最大流量稳压供水时间>15 min，不同的渗透通道使用不同压力水箱及加压管路。采用多管路渗压控制可根据岩石的渗透性质差异选择不同的渗透通道，使渗透压力调节特别是做具裂隙岩石试验加载较低渗透压力时更为准确，保证试验的精确程度。

温度控制系统分为加热系统与制冷系统，加热系统功率和冷却功率的设计以水、液压油和钢铁外壳的吸热量与各构件的散热量作为计算基础，对渗流液体、升压缸、管道和压力室分别进行加热或冷却并于各个器件上施加保温措施，最多3 h即可达到指定高温(室温～150 ℃)或低温(室温～-20 ℃)。如图2所示，压力室内部设置有加热管路，通过对管路中的加热油循环流动升温，进而对压力室内的围压油起到加热作用，使试件能够均匀受热。通电后，在压力变送器作用下，加热管系统将蓄水箱中的水加热至预定温度，同时进行实时监测，并通过智能电磁调节阀和流量传感器控制蓄水箱中热水的出流量。为保证渗入试样的水温与试验目标温度一致，在水流管路上包有良好的保温材料。温度控制系统的目的是在保证试验安全性的同时尽量满足更广泛的极端温度工况：对于加热系统，参考实际工程所产生的高温可达200 ℃(如局部地热、核废料的存储)，并避免由于加热油体汽化造成的安全隐患，温度上限设置为150 ℃；对于冷却系统，采用氯化钙溶液作为降温媒介，为防止化学溶液浓度过高导致温度管路腐蚀，采用可达到-20 ℃的浓度的氯化钙盐溶液，既满足零下低温又能延长设备的工作寿命。

化学配置系统的渗透管路系统能够耐受0≤pH≤14的酸碱腐蚀。进行化学环境的控制时，将图2所示溶液存放器下方的智能电磁调节阀打开，计算机可根据设定化学溶液的浓度自动调节化学溶液量与水量的比例。在溶液内增加判断离子(该离子不与岩体发生反应，如钠离子)以确定目标浓度溶液的作用时间，当判断离子的浓度到达对应值时，认为渗流通道中的溶液达到目标浓度。在设备中扩充化学配置系统意在真实模拟不同地下水化学环境：与渗透系统合用同一套管路，可在渗透压力中施加化学作用，相较于传统的化学溶液浸泡模拟方式更接近实际；参考不同水库水，地下水的pH值范围一般为6.0～9.0，在渗透管路的耐受范围之内，故仪器适宜地下水各种酸碱条件的渗透试验研究。

3 岩石THMC耦合渗透试验

岩石的渗流特性受周围环境的温度、溶液的酸碱度、渗透压、围压以及轴压的影响，其机理十分复杂。为验证该试验系统的稳定性与可靠性，在试验系统的初期调试过程中，多次进行了应力-渗透-化学-温度耦合作用下的渗流试验，例如模拟不同配比混凝土试样在地下水和碳酸溶液条件下的多组侵蚀试验[20]、中高压力下不同温度(25～90 ℃)条件的同一裂隙石灰岩多场耦合渗透特性变化试验[21]、恒定轴压围压的低温(室温～-20 ℃)条件下裂隙石灰岩的渗透特性变化试验等。这些试验表明所研制的岩石THMC多因素耦合试验系统各项压力、温度等指标能达到设计要求，且能保证试验过程的稳定性和持续性。

3.1 试验步骤

3.1.1 试验前预处理

对于裂隙岩石，需先钻取岩样并对岩样进行劈裂，选取裂隙较好的岩样进行试验，如图3(a)所示。涂抹硅胶化学溶液封闭裂隙侧面以保证渗透水仅在裂隙中流动而不在岩样表面侧渗，使测得的裂隙内部渗流量更准确，同时防止试样裂隙末端挤压磨损外部包裹的热缩管造成水油混掺致使试验失败，最后使用热缩管等充分包裹涂抹硅胶后的裂隙岩样隔离渗透水体与围压油体。对于完整岩石，利用热缩管包裹岩样防止水油混掺即可，如图3(b)所示。最后，将包裹完毕的试样装入压力室腔体内。

图3 裂隙或完整岩石试样试件横截面Fig.3 Cross sections of fractured or intact rock specimens

3.1.2 试验的加载过程

(1)施加压力作用：首先启动试验装置，安装好压力室腔体；然后将岩芯、渗板、传力柱的渗流通路连成一体，隔开渗压与围压，防止加围压油后围压油进入渗流通道，盖紧压力室；安装位移传感器；加载轴向压力时，可选择荷载控制直接施加轴压，或通过控制试件轴向位移施加轴压测定应力-应变曲线；而后围压注油，待压力室内油注满后加载围压并可进行计算机控制；最后排出渗流通道内的空气后，加载渗透压力。

(2)施加温度作用：打开加热或冷却系统开关，调节压力室内温度，加载至目标值并稳定。

(3)施加化学作用：试验前排空渗流通道，打开控制化学溶液的智能电磁调节阀，按照设定比例将化学溶液混入水中并加入一定浓度的试验无关离子(如钠离子或氯离子)作为标记离子，充满渗流通道后进入压力室，施加化学作用，若渗出溶液中标记离子浓度达到目标值，则认为试件中化学溶液浓度已达到目标浓度。

(4)待渗流通道底端出水进入体变测量仪，计算机可自动检测测量仪的位移量并精确计算出渗出水流量。

(5)可通过改变各项压力指标并根据位移传感器返回的数值，进行应力-应变-渗流耦合力学测试。

3.2 岩石THMC多因素耦合试验系统的试验验证

岩石THMC多因素耦合试验系统在常见的应力场和渗流场当中，加入了稳定可调节的温度场和与渗流场结合的化学场，使模拟的试验条件更加全面，并可实时跟踪试验进程，灵活地调整试验方案，丰富试验内容以得出更加准确的结果。为更直观地展示设备的稳定性和有效性，下面选取2个典型试验案例，分别为在渗流应力耦合基础上增加温度作用和化学侵蚀作用的耦合渗透试验成果。研究岩石渗流特性在温度或化学条件下的演化规律时，试验工况中应力、渗透压等条件长时间保持不变，因此采取稳态法对岩石渗透率进行研究。

3.2.1 高温条件下单裂隙石灰岩多场耦合渗透试验

为验证试验系统在温度作用下岩石多场耦合试验的稳定性，选取单裂隙岩石在应力-低渗透压力-高温条件下开展测试对比试验。

试验条件为轴向荷载30 kN、围压2.5 MPa、渗压0.4 MPa、阶梯温度(25，75，150 ℃)。试验仪器可令管路与试件在3 h内达到最高温度，但为使试件受热均匀，避免因受热不均而影响试验，使试验保证足够的安全性，加温时，以5 ℃为加温步长，每步长温度稳定1 h，直至目标温度。

温度变化作用下裂隙岩体流量和裂隙平均开度变化曲线试验结果如图4所示。从图4中可以看出：温度稳定时，流经岩石裂隙的流量以及裂隙开度均急剧减小，且减小的速率也逐渐降低，最终趋于稳定，表明试验过程中裂隙岩石渗透特性先急剧下降最终趋于稳定。同时，温度越高，岩石渗透特性从开始下降至最终稳定所历经的时间越短，且裂隙平均开度的减小量越大，这表明温度变化会影响裂隙岩石的渗透特性。对上述试验的描述是为了说明所研制的岩石THMC多因素耦合试验系统可进行稳定可靠的温度及应力耦合试验，故温度等因素对岩石渗透特性的影响过程在此不作说明。

图4 温度变化作用下流量、裂隙平均开度的变化曲线Fig.4 Curves of flow and average crack opening at different temperatures

3.2.2 化学渗透条件下完整石灰岩多场耦合试验

选取完整石灰岩在蒸馏水及酸性条件下进行对比试验，验证试验系统在化学作用下岩石多场耦合试验的可行性。

2组试验采用相似工况，首先，使用蒸馏水(初始pH=6.82)对完整石灰岩进行多场耦合渗透试验作为参照，工况为轴压13 kN、围压1.0 MPa、渗压0.5 MPa，持续时间约为640 h(26 d)，通过计算发现岩石的渗透性基本稳定，现选取前380 h进行对比。然后，选取同批次不同岩石采用相同轴压、围压和渗透压的条件开展化学溶液对完整石灰岩的渗透试验。化学溶液是pH=6的硫酸钠-硫酸溶液，硫酸根离子浓度为0.005 mol/L，配置的化学溶液中硫酸钙浓度不足以形成沉淀[22]。试验初始时发现渗透率持续减小，并不呈现与蒸馏水作用下保持渗透率稳定的相似曲线，故在试验开始216 h增大渗透压至0.8 MPa继续试验并记录数据。

图5为化学溶液和蒸馏水作用下完整岩石渗透率变化曲线。

图5 化学溶液和蒸馏水作用下完整岩石渗透率变化曲线Fig.5 Curves of permeability of intact rock in different chemical environments

从图5中可以看出：当渗透溶液为蒸馏水时，流经岩石的渗透率先急剧减小，曲线能够与对数函数拟合较好，于试验开始后80 h左右渗透率趋于稳定，不再随时间发生变化，此结果与设想相吻合，稳定时的渗透率下降至初始值的约1/10。当渗透溶液为pH=6的硫酸钠-硫酸溶液时，由于该酸性溶液对于石灰岩具有腐蚀性，预期结果是在相同应力状态的化学溶液渗透作用下岩石的渗透率下降速度比蒸馏水作用下有所增加，但是数据结果显示与设想不同。由图5可以看出，硫酸钠-硫酸溶液作用于岩石的渗透试验时，渗透率的下降速率有所减缓，并基本保持不变；且所用时间为蒸馏水作用下稳定用时2倍以上时仍不能稳定，渗透率持续减小。为确定硫酸钠-硫酸溶液作用于岩石的渗透规律，再次进行了2次试验，所得曲线与本次试验结果相近，故不再列举。为推断硫酸钠-硫酸溶液作用于岩石渗透性的机理，还测定了渗出溶液中的硫酸根离子浓度，发现维持在0.005 mol/L左右，所以侧面证明了试验所用溶液基本没有在岩石内部形成难溶的硫酸钙。上述2种不同溶液作用下的渗透试验表明溶液成分会影响岩石的渗透性变化，硫酸钠-硫酸溶液与石灰岩中的物质发生的化学反应对岩石孔隙产生了相近程度的溶蚀和堵塞作用，为进一步探讨发生机理可对反应后的岩石进行切片电镜扫描，验证猜想是否合理。

进行化学渗流耦合试验时，加载时间最高可达1个月，各项压力指标能够保持稳定并可以进行精确调节，在后续的离子浓度测试中也未发现其他干扰离子，说明本试验系统的管路选材及压力设计能够保证化学渗透条件下多场耦合试验顺利进行。

4 结 论

本文研制的岩石THMC多因素耦合试验系统具有模拟应力-温度-化学耦合复杂情况下岩石渗透特性演化规律的功能，通过一系列多因素耦合作用下石灰岩体的渗透特性试验验证了系统的稳定性与可靠性。该系统的研制对岩体在多物理场耦合作用下的渗流机理的研究具有重要意义。该试验系统有如下特点：

(1)在加载应力方面，根据渗透岩石可能所处的复杂地应力的环境特点对轴压、围压进行独立控制，进行的试验范围更加广泛，可模拟不同地应力条件并持续进行多场试验、灵活调整应力参数。

(2)在加载渗透压力方面，设计了低压和高压2套渗透压加载系统，根据不同岩石试验的精度控制要求进行精准调节。

(3)在温度控制和化学渗流方面，改进了其它同类设备只能在试验前对试样进行温度或化学处理的形式，将温度场直接作用在岩石的试验环境中，并结合了化学场与渗流场，使试验模拟条件更加真实。

(4)本文试验设备具有全面进行岩石THMC耦合试验的能力，可研究多场耦合条件下的岩石试件的变形、渗透特性，能够为水下工程设计、控制渗流破坏和资源的地下存储或利用等方面提供科学的试验基础，丰富了复杂环境条件下岩石力学性质、渗透特性的研究手段，具有应用及推广的价值。