干湿循环作用对大理岩渗透性影响的试验研究

秦志军 龚传根 朱鹏辉 李雪浩 王 伟

(1.山西省交通规划勘察设计院，太原 030012; 2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098； 3.河海大学 土木与交通学院岩土所，南京 210098)

大理岩是一种低渗透岩石[1]，在成岩过程中由于变质作用，岩浆经冷凝结晶形成块状构造，岩石内部矿物颗粒间结构较为致密．岩体内孔隙、裂隙等诸多缺陷的形态、空间分布及相互之间的连接状态决定了岩石的渗透特性．当大理岩受到水力风化耦合作用时，岩石内部孔隙结构会发生不同程度的膨胀或收缩，进而影响其渗透率．另一方面，水力风化耦合过程中大理岩的细观尺度上会呈现出相应的演化，这种细观尺度的演化一定程度上反映了岩石渗透率的变化．

低渗透岩石孔隙尺度相对较小，目前主要是以液体或气体作为渗透介质通过稳态法[2-3]或非稳态法[4-6]进行渗透率的测定，低渗透岩石渗透率测定的试验研究已经取得了一系列成果[7-10]．岩石的渗透特性随着应力场的改变而变化[2-5]，试验结果表明岩石渗透率与围压的关系符合指数关系[11]、对数函数关系[12]和多项式关系[3]．李小春[6]利用瞬态脉冲法测定了白滨砂岩的渗透率，试验结果表明该岩渗透系数变化与孔隙度呈负相关性；常宗旭[13]从理论出发推导出裂隙岩体流固耦合方程，指出侧向变形是影响岩体渗流的主要因素．另一方面，水岩相互作用是影响岩体稳定性的主要因素之一，国内学者开展了一系列关于岩土材料的干湿循环试验，研究了干湿循环作用下岩土材料的强度、变形等力学特性．其中，王伟[14]、刘新荣[15]、马芹永[16]分别对大理岩、泥质砂岩和深部粉砂岩采用干湿循环处理，分析了不同干湿循环次数下力学参数的劣化程度，较为深入的研究了干湿循环对岩石的力学特性的影响效应．此外，部分学者们也开展了不同条件下岩石细观特性的研究，刘新荣[17]以泥质砂为研究对象，研究了泥质砂岩在不同干湿循环次数作用下的微细观结构变化，研究结果表明，随干湿循环次数增加，其微细观结构变化总体上可归纳为整齐致密状、多孔团絮状和开裂紊流状3个阶段；倪骁慧[18]借助SEM电镜扫描对不同温度循环作用后大理岩细观损伤特征进行了研究，试验结果表明，试样的细观尺度微裂纹主要由沿晶裂纹、穿晶裂纹及晶内裂纹组成．

综上所述，目前关于低渗透岩石渗透特性方面多以研发测试仪器、改进测试方法和研究围压与渗透率关系为主，而对干湿循环作用下低渗透岩石的渗透率规律及岩石细观尺度结构演化方面的研究较少．本文以大理岩为研究对象，以惰性气体为渗透介质，开展不同干湿循环次数下大理岩的气体渗透性试验和电镜扫描实验，研究大理岩受干湿循环作用时渗透率演化规律以及细观尺度下大理岩微裂纹的演化，为库水变幅带岩体的渗透性研究提供借鉴和参考．

1 试样制备与试验原理

1.1 试样制备及试验仪器

试验大理岩试样取自某水电站边坡未风化新鲜岩块，致密坚硬，属于硬脆性岩石．主要成分有石英、钾长石、方解石、蒙脱石等．将脆性较强的岩芯加工成50 mm×50 mm的圆柱试样，选取其中质地较好且尺寸相对精确的4个作为试验试样，依次标号为DY0-K-1、DY12-K-2、DY28-K-3和DY44-K-4(如图1所示)．大理岩气体渗透性试验前需要对试样分别进行0次、12次、28次和44次干湿循环处理．试验中将天然状态大理岩在真空桶内浸泡3 d，然后在烘箱干燥1 d作为一个干湿循环周期．为了更真实的模拟干湿循环作用，试验需要先将装有试样的真空桶抽至负压0.1 MPa，再通水浸泡3 d，由于试样含水率对岩石渗透率影响显著，试样需要在温度设为105℃的烘箱内烘干1 d至质量基本稳定不变．

图1 大理岩试样

气体渗透性试验在河海大学岩石力学实验室岩石惰性气体渗透试验设备上进行．试验仪器可实现油泵围压加载、气压加载以及高精度气压测量，其中渗透率可测精度高达10-24m2数量级，围压可加至60 MPa．试验中通过气体控制面板分别调节岩样两端气体压力，同时由气压传感器读出岩样两端气压值．为最大程度保持渗透过程中大理岩矿物颗粒的物理化学性质不变，测试系统使用高纯度惰性氩气作为渗流气体．

为了进一步研究不同干湿循环作用对大理岩细观结构的影响效应，本文对不同次数干湿循环后的大理岩进行了扫描电子显微镜实验．

1.2 试验方案及试验原理

气体渗透性试验中保持渗压稳定在2 MPa，试样加载过程中设置3个不同的围压，分别为5 MPa、10 MPa和15 MPa，加载过程中在围压设定值上预压1 h稳定后进行渗透率的测定，测读数据后再进行下一级围压试验．其中在围压15 MPa下，测读数据后继续维持2 h的预压，再进入卸载阶段渗透率的测定．同时将各干湿循环次数下大理岩样制成30 mm×30 mm×10 mm切片，选择自然崩落且未受人为机械破坏的一面作为SEM实验观测面．试验方案见表1．

表1 大理岩试验方案

试验采用气体流量法测定干湿循环后大理岩的气体渗透率，试验原理如图2所示．试样上表面出气端装有高精度气体流量表，试样下表面进气端气压P(t)通过气体压力室控制，待上下表面形成稳态气体渗流后，通过式(3)将出气端气体压力变化换算为气体流量，进一步通过记录进气端气压随时间变化求得试样气体渗透率[2，19，20]．

图2 气体流量法原理示意图

基于气体渗透偏微分方程，假设气体流动遵循达西定律渗流且渗流气体为理想气体，考虑试验边界条件为P|x=0=P1，P|x=L=P0，求出压力室内气体压力表达式：

(1)

式中，P1为进气端气体压力(Pa)；P0为实验室大气压(1×105Pa)；L为试样长度(m)；x为试样任一截面距离进气端距离(m)．

由气体流动达西定律，推导出气端(x=L)气体流量表达式：

(2)

式中，Q为出气端气体流量(m3/s)；K为岩心气体渗透率(m2)；μ为气体黏度(Pa·s)(室温下，氩气黏度为2.2×10-5Pa·s)．

根据理想气体状态方程，结合出气端高敏压力表记录的压力变化，推导出气端(x=L)气体平均气体流量表达式：

(3)

式中，Qmoy为出气端气体平均流量(m3/s)；v为高精度压力表内部体积(8×10-5m3)；ΔP1为Δt时间段内出气端气压变化量(Pa)．

联立式(2)和式(3)，得到试样气体渗透率表达式：

(4)

式中，S为试样横截面积(m2)．

2 试验结果与分析

2.1 大理岩渗透率与围压的关系

将按照试验方案干湿循环处理后的大理岩进行围压加卸载下的气渗试验，得到各干湿循环次数下大理岩渗透率与围压的关系图(如图3所示)和各干湿循环次数下加卸载阶段大理岩渗透率表(见表2)．

表2 各干湿循环次数下加卸载阶段大理岩渗透率 (单位：10-19m2)

图3 各干湿循环次数下大理岩渗透率与围压的关系

大理岩是一种具有块状构造的变质岩，其结构较为致密，孔隙率较小，属于低渗透岩石．岩石的渗透性主要由其内部的孔隙结构决定，岩样的孔隙结构充分反映了孔隙与吼道的发育情况．吼道是两较大孔隙或两矿物颗粒间连通的狭长通道，吼道半径很大程度上影响岩石的渗透性．由图3可知，大理岩经不同次数干湿循环后渗透率与围压的关系基本保持一致，围压加卸载阶段，渗透率与围压呈负相关关系．由表2可知，试样经干湿循环0次、12次、28次和44次后，当围压由5 MPa加载到15 MPa时，渗透率分别下降了37.9%、43.9%、61.7%和68.2%；当围压由15 MPa卸载到5 MPa时，渗透率分别增加了25.7%、32.1%、93.2%和92.8%；当卸载围压为5 MPa时，较同级加载围压下的孔隙率分别恢复了78.0%、74.1%、74.0%和61.3%．说明干湿循环作用下大理岩的孔隙结构发生劣化，试样的吼道进一步发育，大理岩的孔隙率逐渐增加．干湿循环作用能显著提高围压对渗透率的影响效应，不同次数干湿循环作用下围压卸载后的孔隙率较同级加载围压时基本都恢复了近75%，表明锦屏大理岩脆性较强，较低次数的干湿循环作用未能有效增加大理岩的塑性．在围压加载阶段，围压的增加使微裂隙闭合，吼道半径不断缩小导致试样渗透率呈逐渐减小趋势；在围压卸载阶段，围压的减小使微裂隙和吼道半径有一定程度的恢复，试样渗透率呈逐渐增大趋势，此外由于围压加载阶段不可恢复的塑性变形导致渗透率小于相同围压下的初始值．

2.2 干湿循环对大理岩渗透率的影响

为了进一步研究大理岩渗透率与干湿循环作用的关系，整理试验数据后得到各围压下渗透率随干湿循环次数变化的曲线，如图4所示．

由图4可知，在相同围压下，大理岩的渗透率随干湿循环次数的增加而逐渐增大；在同一干湿循环次数下，大理岩的渗透率随围压增大而减小．围压为5 MPa下，试样经12次、28次和44次干湿循环后的渗透率较天然状态分别增加了89.0%、340.1%和863.2%；围压为15 MPa下，试样经12次、28次和44次干湿循环后的渗透率较天然状态分别增加了70.8%、171.7%和392.9%．围压为5 MPa时大理岩渗透率随干湿循环次数增加变化较为明显，而围压为10 MPa和15 MPa时大理岩渗透率随干湿循环次数增加变化相对平缓．说明低围压下干湿循环作用对渗透率的影响效应更加显著，在较高的干湿循环次数下渗透率有明显的增加；高围压有效的抑制了干湿循环的影响效应．

图4 各围压下大理岩渗透率与围压的关系

2.3 干湿循环下大理岩细观结构的劣化

本文对不同干湿循环作用下的大理岩进行了SEM实验，得到了不同干湿循环作用后试样切片放大500倍、1 000倍和2 000倍的细观结构扫描图像，如图5所示．

图5 不同干湿循环次数下大理岩SEM图像

从电镜扫描图像可以看出，大理岩经过干湿循环作用后，其微观形貌有较大的改变，并且大理岩的细观特征随着干湿循环次数发展演化．天然状态下的大理岩是经区域变质作用或接触变质作用形成，从不同放大倍数下干湿循环0次的SEM图像可以看出，天然大理岩呈块状构造，结构完整性较好，大理岩表面有较少的直线状微裂纹．当循环至12次时，大理岩表面的微裂纹发育不明显，裂纹宽度略有增加，同时裂纹末端有一定程度的扩展．直至干湿循环44次时，大理岩表面的微裂纹有明显的发育，块状构造明显的出现破碎化．综合比较不同次数干湿循环作用下大理岩的细观尺度扫描图像，可以看出随着干湿循环次数增加，大理岩块状构造逐步破碎化，裂纹不断扩展并且相互搭接．

3 结 论

本文以锦屏大理岩为研究对象，分别对不同干湿循环次数下的大理岩开展了气体渗透性试验和电镜扫描实验，分析了大理岩受干湿循环作用后渗透率演化规律以及大理岩干湿循环后的微细观特征．得出的主要结论如下：

1)干湿循环作用下大理岩的孔隙结构发生劣化，试样的微裂隙和吼道发育，大理岩的孔隙率逐渐增加．高干湿循环次数下，围压对渗透率的影响效应显著，较低次数的干湿循环作用未能有效增加大理岩的塑性．

2)在相同围压下，大理岩的渗透率随干湿循环次数的增加而逐渐增大；在同一干湿循环次数下，大理岩的渗透率随围压增大而减小．低围压下干湿循环作用对渗透率的影响效应更加显著，在较高的干湿循环次数下渗透率有明显的增加．

3)通过不同干湿循环作用后大理岩细观尺度的研究，可看出随着干湿循环次数增加，大理岩块状构造逐步破碎化，裂纹不断扩展并相互搭接．