岩石和水，刚与柔的斗争
2017/7/7 中科院之声

     随着我国对水资源高效开发利用的需求日益突出，我国西部地区长距离输水隧洞的安全建设、水电开发过程中库岸边坡的稳定性等问题逐渐凸显。水物理化学作用是造成岩体损伤和力学性质劣化的重要原因，岩石水物理化学作用效应已成为制约长距离输水隧洞、库岸边坡、大坝坝基等安全稳定性的关键技术难题之一。

     那么,这里所说“水物理化学作用”指的是什么呢？在影响岩体工程安全性的诸多因素中，水是最活跃的因素之一。水可以通过孔隙水压力影响岩体的应力状态，而应力状态的改变又会通过介质颗粒间的孔隙或裂隙面几何形状的变化来影响岩体的水力特性，这种相互作用构成了岩体应力–水力两场耦合问题。然而，地质环境是岩土介质和地下水环境组成的复杂系统，水对岩体不仅具有上述力学作用，水-岩之间还存在着复杂的物理化学作用。水一方面对岩土介质产生润滑、软化、泥化及结合水强化等物理作用，另一方面又与岩土介质之间不断进行着离子交换、溶解、溶蚀、水化、水解、氧化还原等化学作用。

     水岩物理化学作用在岩体工程中广泛存在，如核废料地下储存、溶浸采矿、油气田开采以及地下洞室稳定性问题等均与水岩化学作用密切相关。水岩之间发生的物理化学作用不仅会改变岩体的矿物组成与微细观结构，使其产生孔隙、溶洞及溶蚀裂隙等，还会引起岩体强度和刚度等物理力学性质的劣化，甚至造成工程事故，对岩体工程的稳定性产生威胁，如：(1)溶蚀威胁，如成渝铁路K442处边坡，因地处重庆酸雨区，渗入坡体内的地下水具有很强的侵蚀性，造成边坡岩体内大量浊沸石、长石等铝硅酸盐矿物的溶蚀，对其稳定性带来重要隐患。西宁隧洞、滇中法拉隧洞均因围岩中含有芒硝、石膏等易溶矿物，隧洞稳定性受水岩作用影响显著，隧洞建成不足十年因水岩作用影响洞壁即出现鼓包、开裂等现象；新安江、陈村、紧水滩、石塘等坝基也均存在水岩化学溶蚀现象，长期的水岩化学溶蚀作用将可能对坝基岩体的物理力学性质产生重要影响，进而影响其稳定性。(2)水化威胁，井壁失稳问题每年造成的损失达5亿美元之多，约有90%的井眼垮塌问题均与泥页岩的水化作用有关。如在哈拉哈塘油田钻探过程中井壁失稳率较高，现场多以遇阻、卡钻等井壁失稳的形式出现，严重影响了钻井工程的安全、速度和成本。调查结果显示，失稳原因与三叠系硬脆性泥页岩阳离子交换容量、蒙脱石率、胶体率和膨胀率均处于较高水平，表面水化能力较强密不可分。因此，水对岩石的作用不能仅从有效应力原理简单地考虑水对岩石的力学效应，而且还应考虑到水对岩石的复杂的物理化学作用，开展水与岩石之间的物理化学作用效应研究具有重要的理论意义与应用价值。

     中国科学院武汉岩土力学研究所地质灾害与3S技术课题组刘建研究员等针对岩石水物理化学作用效应这一课题开展研究，在砂岩弹塑性和蠕变力学特性的水物理化学作用效应机制方面取得了一系列研究成果：

     (1)通过对不同水环境下砂岩孔隙率、pH值演变和矿物蚀变等开展一系列的试验研究，从微细观层次揭示了砂岩的水物理化学损伤机制。研究结果表明：砂岩水物理损伤主要受水流导致的矿物颗粒间胶结物与碎屑运移和扩散影响，与水化学损伤与离子浓度、pH值等水环境变化密切相关；二者所诱发的次生空隙是水物理化学作用影响砂岩力学性质的主要原因。

     (2)建立基于次生孔隙率变化的砂岩水物理化学损伤变量表达式，提出了反映水物理化学作用效应的非线性弹性本构模型——改进Duncan模型。

     (3)通过对不同水环境下砂岩开展一系列蠕变试验研究，分析了不同离子浓度和酸碱度水溶液对于砂岩蠕变力学性质的影响效应。研究结果表明：砂岩蠕变的水溶液离子浓度作用效应呈现出离子浓度越高则蠕变特性越显著的特点；不同酸碱度溶液彼此之间对砂岩蠕变特性影响效应的差异性并不显著。

     研究成果深化了对于砂岩弹塑性和蠕变力学特性的水物理化学作用效应的认识，为富水砂岩地层分布区域的水电工程库岸边坡、交通工程路堑边坡稳定性评价和边(滑)坡地质灾害治理提供了重要依据。

    

     砂岩弹塑性力学特性的水物理作用机制示意图

    

     不同水溶液循环流动作用后的砂岩应力-应变关系曲线

    

     干燥、饱水和相同PH值、不同离子浓度水溶液循环流动作用后砂岩的轴向蠕变速率–时间曲线

    

     水溶液循环流动作用后砂岩轴向蠕变-时间曲线

     以上研究成果发表在《岩石力学与工程学报》、《岩土力学》上，上述工作得到国家自然科学基金重点项目和面上项目资助。

     来源：中国科学院武汉岩土力学研究所

    

    

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