水岩作用下库岸边坡岩体动力特性劣化机理研究

牛瑞鹏，赵腾云，孙娜科

（中冀建勘集团有限公司，河北 石家庄 050227）

大型水库的蓄水不利于水利水电工程的稳定，库区蓄水将导致地理区域内应力重分布，打破原有的应力平衡[1]，从而引发一系列新的地质问题，包括水库地震以及其他次生灾害等问题[2-4]。三峡库区蓄水近二十年，自运行以来该区域地震频发[5]。近年来，国内外相关研究人员开始关注岸坡在水岩综合作用下的物理力学性能劣化，并进行了许多创新性研究。刘新荣等[6]以砂岩为研究对象，试验模拟了库岸边坡岩体在库水变化条件下水—岩作用的过程，得到了砂岩受水岩循环作用后剪切破坏的规律。F S Jeng等[7]对砂岩在不同湿度下劣化机理进行研究，发现砂岩物理力学强度随饱和度增加而降低。姚华彦等[8]对整个岩石断裂过程进行系统细观力学测试，对完整和预制圆孔试件在自然状态和改造后的干湿条件下进行单轴压缩断裂试验，通过显微镜观察了砂岩裂缝，破坏试验的扩展和破坏过程。邓华锋等[9]基于不同水压和湿度进行了水—岩试验，试验结果表明水岩相互作用下岩石阻尼系数、动弹性模量呈减少趋势。

本文以三峡库区岸坡水位波动带典型砂岩为研究对象，进行一系列水岩试验和循环加卸载试验来研究岩样的物理力学性能，为长期水岩作用和频繁地震作用下水库下部物理力学性能劣化机理的表现提供理论依据。

1 水岩作用下岩石物理特性演化研究

本研究设计了三种试验方案，其中方案1为周期性水—岩作用下的岩石动力特性试验。

考虑通过动态水压和干湿循环的水岩作用来模拟库岸边坡的地质力学环境，在水岩作用的不同时间点进行应力的循环加卸载，分析岩石物理力学性质劣化与周期性水岩作用的相关性。方案2 为周期性循环加卸载和水—岩次序作用下岩石动力特性试验。通过在初期及不同试验周期时单轴循环加载一定频率和幅值的应力，模拟周期性水—岩作用以及低强度水库地震，分析经典水库边坡砂岩物理力学性质劣化规律。方案3 为考虑地震作用初始损伤的水—岩作用试验。在实验早期对研究对象加载一定范围的频率和应力，在此基础上，对岩样开展多个周期的水—岩试验，拟合不同强度的地震干扰下岩石的劣化效应，分析劣化岩体在水岩作用下的深度劣化效应。通过分析三种试验方案下砂岩样品的密度变化，给岩石动力特性劣化机理的分析提供理论基础。

依照有关公式，计算周期性水岩作用下及地震初期水岩作用下的岩样密度，结果见图1～图3。

图1 周期性水—岩作用

如图2、图3 所示，岩样密度伴随每次水岩相互作用循环而降低。在前6 次水—岩相互作用过程中，其岩石样品密度降低速度在前期较大，后期速度逐渐减小。

图2 周期性循环加卸载和水—岩次序作用

图3 考虑地震作用周期性水—岩作用下岩样密度变化规律

两个水—岩相互作用循环结束后，岩石样品的密度分别降低了29%和24%。在循环加卸载和水岩序列中，岩样密度降低了27%和24%。考虑到地震造成的初始破坏，水岩相互作用下的岩样密度分别降低了26%和23%；在第4期和第6期周期性水岩作用后，试样密度降低了19%和12%，周期性循环加卸载和水—岩次序作用下的岩样密度降低了18.59%和14.85%，初始损伤地震干扰下岩样密度降低了18%和15%；在第8期和第10期周期性水—岩作用后，岩样的密度下降幅度降低了10%和7%，周期性循环加卸载和水—岩次序作用下的岩样密度降低了9%和8%，在初始损伤岩样地震以及周期性水岩作用下，岩样密度降低了9%和8%。

对初步试验设计方案进行了对比分析，方案1重点探索长时间水岩作用与岩样劣化的相关性。岩石受一定范围的振幅应力的循环载荷的影响而劣化，因此在整个水岩相互影响过程中，岩石的密度会发生变化，其变化趋势在最短的时间内保持稳定；方案2重点探索地震与水岩的综合作用。岩石在水岩相互作用过程中承受固定频率的单轴循环载荷。方案1与方案2相比，其应力幅值更复杂，循环次数更少。方案2中岩石在单一荷载作用下动力损伤不断积累，岩石孔隙进一步增大，利于水岩进一步相互作用，因此，与方案1相比，岩石的密度降低了更多；方案3重点探索地震干扰下岩土劣化和水—岩的作用。岩石荷载分别加载了不同的频率和幅值，岩样在试验前存在一定程度的劣化，故前两个时期岩石密度下降显著，随着水岩相互作用的增加，密度变化逐渐趋于平坦。

为确定以上3种试验设计中岩石密度变化规律，选取0.2Hz 和4～25MPa 试样参数进行比对，对每种工况下的岩石样品密度进行统一处理，如图4所示。

图4 三种方案下岩样的统一密度

整体来看，在前两次水岩相互作用过程中，岩样密度前期下降幅度远大于后期，岩石密度在第4、6 次水岩作用周期时明显减小，且下降趋势逐渐放缓，在第8次和第10次岩水循环后，岩样密度的减小速率呈降低趋势。具体而言，周期性水岩作用下前4个时期岩石密度下降速率较大，考虑地震作用初始损伤的水岩作用下的岩样与周期性循环加卸载和水岩次序作用下的岩样密度在前6个阶段下降速率较大，然后逐渐变小趋近于0。相比之下，周期性循环加卸载和水岩次序作用下的岩样密度在水岩周期的劣化程度最大，考虑地震作用初始损伤的水岩作用下的岩样密度劣化程度次之，周期性水岩作用下的岩样的密度劣化程度最小。原因如下：岩样初始状态为自然干燥状态，不受水侵蚀影响。水岩周期试验开始后，岩样在一定范围内反复性水压作用下，内部骨架发生变软，前期发生一定劣化；同时，试样内部胶结物在水的软化及侵蚀作用下，发生溶解与溶蚀，岩样质量和密度下降。通过水岩相互作用的次数的增加，岩样中矿物质的溶解产生次生孔隙，岩样与水的接触面积进一步扩大，有利于岩样中颗粒矿物质的进一步软化和崩解，使得岩样密度进一步降低。然而，与初始水岩作用相比，其岩样密度降低程度有所减小。从总体上看，岩样密度出现先下降后缓慢下降的变化趋势，与之前的室内试验中样品岩石动力特性的劣化规律很好地吻合，一定程度上，证明了岩石的宏观力学性质是由微观性质决定的；另一方面，水岩组合对岩样影响范围受限，岩石的力学性质不会无限延长，而是在特定的时间段内持续存在。

2 结论

本文以三峡库区岸坡水位波动带典型砂岩为研究对象，进行一系列水岩试验和循环加卸载试验来研究岩样的物理力学性能，为长期水岩作用和频繁地震作用下水库下部物理力学性能劣化机理的表现提供理论依据。主要得到以下结论：

（1）随着水岩相互作用周期的增加，岩样的密度逐渐减小，图表表现为先陡后缓。具体表现为：前6次水岩相互作用后，岩样密度呈减小趋势，且减小速度较大。经过第8、10 次水岩循环后，下降速率趋于平缓。在每个水岩循环中，在循环装卸和水岩序列作用下，岩样的密度下降趋势最为显著，考虑地震初始损伤的水岩相互作用下试样密度减小居其次，循环水和岩石的作用下岩样的密度减小最少。

（2）随着水岩相互作用周期的增加，岩样孔隙度逐渐增大。总体而言，在前6次水岩相互作用后，岩样孔隙度的增长速率明显下降并逐渐放缓。第8次和第10次水岩循环后，增长率趋于平缓。相比较而言，在每个水岩循环中，在循环加卸载和水岩序列的作用下，岩样的次生孔隙度增加最大，考虑地震初始损伤的水岩作用次之岩样在水岩作用下二次孔隙度增加最小。