干濕循環作用下裂隙巖體滲流特性演化規律研究

摘要：

為了研究水庫消落帶巖體的滲流特性，以烏東德庫區白云巖為研究對象，開展干濕循環水-巖作用試驗。基于單裂隙滲流試驗研究了干濕循環作用下裂隙巖體滲流特性演化規律，采用理論分析方法研究了裂隙巖體各向異性滲透特性。研究結果表明：當圍壓恒定時，單裂隙滲流量隨滲透水壓力的增加線性增加；當滲透水壓力恒定時，隨著圍壓的增加滲流量呈指數函數關系遞減；隨著水-巖作用周期的增加，裂隙滲流量呈先驟減小后緩慢增大的變化規律。裂隙巖體滲透特性存在明顯的各向異性特征，并且水-巖作用后主滲透系數和滲透張量減小，滲透橢圓半徑增加，滲透主方向保持不變。

關" 鍵" 詞：

裂隙巖體； 滲流特性； 滲流量； 各向異性； 滲透橢圓； 干濕循環； 烏東德庫區

中圖法分類號： TU45

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.026

收稿日期：

2023-08-16

；接受日期：

2023-11-03

基金項目：

中國三峽建工（集團）有限公司科研項目（WDD/0569）;國家自然科學基金聯合基金項目（U2034203）;國家自然科學基金青年基金項目（52009067）

作者簡介：

施" 炎，男，工程師，碩士，主要從事水利水電工程地質勘查研究。E-mail：451435467@qq.com

通信作者：

孫旭曙，男，副教授，博士，主要從事水工巖石力學研究。E-mail：sunxs@ctgu.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 07-0198-06

引用本文：

施炎，王團樂，宛良朋，等.干濕循環作用下裂隙巖體滲流特性演化規律研究

［J］.人民長江，2024，55（7）：198-203.

0" 引 言

水利水電工程在運行期間庫水位頻繁升降，尤其是日調節抽水蓄能電站的上下水庫，水位升降高度可達20～40 m，由此導致庫岸邊坡滲流場的頻繁變化。與此同時，庫水呈弱酸或堿性，并含有多種化學物質，可使巖石中的礦物成分與其發生以物理和化學過程為主的溶解或沉淀作用，這一過程也稱為水-巖作用；該作用進而改變裂隙面的形貌特征和滲流特性，直接影響著庫岸邊坡滲流場的變化。岸坡滲流場的變化又將引起巖體應力狀態的改變，從而進一步影響庫岸邊坡的穩定性。因庫水位周期性變化引起庫岸邊坡失穩現象日益增多。因此，研究干濕循環作用下裂隙巖體滲流場的滲透特性對水利水電工程安全運營具有重要的指導作用。

近年來，庫岸邊坡水-巖作用引起了眾多學者的關注。如王士天等［1］總結了庫區水-巖作用的類型和特征，闡述了由水-巖作用導致的庫區地質災害問題。李克鋼［2］通過室內試驗研究水-巖作用下白云巖變形、強度、破壞特征等力學特性的變化規律。Hurowitz［3］、Alt-Epping［4］、鄧華鋒［5］等通過花崗巖、砂巖、頁巖及紅層軟巖等多種巖石的水-巖作用試驗，發現水-巖作用導致巖石彈性模量、抗壓強度、黏聚力及內摩擦角等發生不同程度的劣化，其力學性能的劣化直接影響庫岸邊坡的穩定性。文獻［2-5］主要分析了水-巖作用對小尺寸巖塊力學性能的影響，而天然巖體中含有數量眾多的節理、裂隙等不連續面，地下水流經該類不連續面將產生水-巖作用，從而進一步影響巖體的變形、應力狀態、滲流特性，且其宏觀效應變化更顯著。基于此，部分學者從應力場和滲流場耦合角度研究了裂隙的滲流特性。如Walsh［6-7］、Tsang［8］、速寶玉［9］、王媛［10］等通過裂隙巖體滲流和應力耦合作用建立了裂隙滲流量和應力的關系。此外，趙宗勇等［11］通過數值模擬方法分析了裂隙過流面積對滲流量的影響，張修碩等［12］基于立方定律得到不同形式裂隙流量計算公式。段玲玲［13］、王珂［14］等學者通過水-巖作用下裂隙巖體滲流試驗分析了水-巖作用對裂隙滲流特性的影響，但其研究過程中均以單一裂隙為研究對象，未進一步研究大尺寸裂隙網絡滲流特性。因此，黃庭威［15］、青松勇［16］、王振偉［17］等學者開展了巖體裂隙網絡滲流各向異性特征研究，發現裂隙幾何參數是裂隙滲透張量和滲透主方向產生變化的主要因素，但其研究過程中缺少考慮庫岸邊坡水-巖作用條件對巖體裂隙網絡滲流特性的影響。

因此，本文以烏東德庫區三臺危巖體白云巖為研究對象，設計了干濕循環試驗模擬消落帶巖體“浸泡+自然風干”的循環作用環境。通過單裂隙滲流試驗獲得裂隙滲流特性變化規律，基于蒙特卡洛方法建立三臺危巖體裂隙網絡模型，并通過理論分析開展巖體裂隙網絡滲流各向異性特征研究。

1" 試樣制備及試驗方案

1.1" 試樣制備

本文取烏東德庫區三臺危巖體白云巖為研究對象，通過X射線衍射儀獲得白云巖的主要礦物為白云石（MgCa（CO3）2）。根據規范和單裂隙水巖耦合儀對巖樣尺寸的要求，首先制備成50 mm（直徑）×100 mm（高度）的圓柱形標準試樣。經巴西劈裂試驗獲得具有完整裂隙面的單裂隙試樣，見圖1，通過三維形貌掃描獲得裂隙面分形維數為2.211，算術平均高度Sa為0.801 mm。為了避免裂隙面微細觀結構及形貌特征的離散造成裂隙滲流量差異較大，故取一組試樣開展水-巖作用條件下單裂隙滲流試驗。

1.2" 試驗方案

1.2.1" 水-巖作用試驗方案

三臺危巖體位于烏東德峽谷右岸。由三臺壩址預可行性階段地下水質資料可知：工作區地下水類型為HCO3-Mg·Ca型，礦化度469 mg/L，pH為8.4，江水為HCO3-Mg·Ca型，礦化度250 mg/L，pH為8.3，具有微腐蝕性。因此，配制pH為8.5的飽和碳酸氫鈉溶液作為浸泡溶液，模擬巖樣所賦存的水環境條件。消落帶巖體長期處于“浸泡+自然風干”循環狀態，共設計了12期干濕循環試驗過程，每期試驗靜水浸泡20 d，自然風干2 d。在初始狀態和第1、3、5、8、12周期開展單裂隙滲流試驗。

1.2.2" 單裂隙滲流試驗方案

借助自主研發的HYS-4-2型單裂隙水巖耦合儀開展單裂隙白云巖滲流試驗，如圖2所示。試驗設計了3個圍壓（1，2，3 MPa）和3個滲透水壓力（0.2，0.5，0.8 MPa），分別由液壓泵和氣控閥控制圍壓和滲透水壓力，控制精度分別不大于0.1 MPa和0.02 MPa，在初始狀態和第1，3，5，8，12周期記錄滲流量并分析其變化規律。水-巖作用試驗與單裂隙滲流試驗交替進行，為了避免人工操作對裂隙面貼合度和裂隙錯位的影響，裂隙面閉合后觀察試樣表面紋理連接情況如圖1所示，并在滲流試驗中通過有機硅膠密封固定。

2" 單裂隙滲流特性分析

2.1" 滲透水壓力對滲流量的影響

干濕循環作用下不同試驗周期單裂隙滲流量見表1。由表1可知，不同周期、不同圍壓條件下滲流量與滲透水壓力變化關系基本相似。因此，取第12周期數據繪制滲流量與滲透水壓力變化曲線，如圖3所示。結果表明：當圍壓恒定時，隨著滲透水壓力增加單裂隙滲流量線性增加，用線性函數y=Ax+B能較好擬合，其中，系數A隨著圍壓的增大而減小。當滲透水壓由0.2 MPa增加至0.8 MPa時，滲流量增加3.1～7.4倍。

2.2" 圍壓對滲流量的影響

從表1取第12周期數據繪制圍壓與滲流量的變化曲線見圖4。結果表明：當滲透水壓力恒定時，隨著圍壓增加單裂隙滲流量減小，其變化趨勢可用指數函數y=Ce-Dx較好擬合，且隨著滲透水壓力的增加系數C增大。當圍壓由1 MPa增加到3 MPa時，滲流量減小為初始流量的2%～31%，與滲透水壓力相比，滲流量隨圍壓變化最為顯著。

2.3" 試驗周期對滲流量的影響

水-巖作用過程中，滲流量隨試驗周期變化較為明顯，以3 MPa圍壓作用下單裂隙滲流量變化為例，繪制滲流量與試驗周期的變化曲線見圖5。結果表明：水巖作用初期，滲流量出現驟減；隨后，滲流量隨試驗周期的增加呈線性增加，與第一周期相比，第12周期的滲流量分別增加了48.92%～72.69%。

對初始狀態及第12周期水-巖作用后裂隙表面開展SEM掃描電鏡測試，獲得微細觀結構圖像如圖6所示。由測試結果可知：經多次干濕循環作用可使得裂隙表面礦物軟化溶解，微細觀孔隙增加，導致裂隙表面形貌特征向復雜多樣化變化；在圍壓作用下進一步改變了裂隙中水流通道，最終導致水巖作用后單裂隙滲流量逐漸增加。

3" 干濕循環作用下裂隙巖體各向異性滲透特性

3.1" 計算模型及邊界條件

從烏東德庫區三臺危巖體露頭、平硐獲取兩組主要裂隙參數見表2。其中間距和斷距服從正態分布。基于Monte-Carlo方法生成裂隙網絡模型并對其進行連通處理，如圖7所示，模型尺寸為20 m×20 m。為研究裂隙巖體各向異性滲透特性，在裂隙網絡模型中心取10 m×10 m的研究區域，并以中心點為圓心，依次旋轉15°、30°、45°、60°、75°獲得不同方向的裂隙網絡模型。

在裂隙網絡滲流計算中假定地下水只能在裂隙中流動，文中以初始狀態和第12周期（圍壓1 MPa、滲透水壓力0.8 MPa）測量的滲流量為基礎，通過立方定律計算獲得水-巖作用前后單裂隙的水力傳導系數，滲流計算邊界條件及水力傳導系數如下：邊界條件為入口壓力水頭80 m，出口壓力水頭0 m，不透水邊界流量0，初始狀態裂隙水力傳導系數1.83×10-3 m/s，水巖作用后裂隙水力傳導系數5.69×10-4 m/s。借助Geo-studio軟件開展滲流計算，假定研究區域內裂隙網絡滲流量與同尺寸連續介質滲流量相同，即可通過連續介質模型計算等效滲透系數：

Q=kJfA

（1）

式中：k為等效滲透系數，A為截面面積，Jf為水力坡度。

3.2" 裂隙滲透主方向及各向異性特征研究

假設坐標系xoy下滲透系數為k，坐標系x′oy′下滲透系數為k′，θ為坐標軸的夾角（圖8），則坐標軸夾角的正弦和余弦值分別為：lx′x=cosθ，ly′y=cosθ，lx′y=sinθ，ly′x=-sinθ，滲透系數張量K′和K的分量之間存在如下關系［12］：

ki′j′=kijli′ilj′j

（2）

設主滲透系數k1、k2的方向與坐標系x軸和y軸方向一致，則θ方向的滲透系數為

kθ=k1cos2θ+k2sin2θ

（3）

用橢圓方程表示為

cos2θa2+sin2θb2=1r2

（4）

設1a2=k1，1b2=k2，1r2=kθ，即旋轉角θ與kθ滿足橢圓曲線關系。1k1、1k2分別為橢圓的主軸長度［12］，橢圓長軸與x軸正向的夾角為滲透主方向。由公式（5）得滲透張量的各個分量：

Kxx=12k1+k2+12k1-k2cos2θKyy=12k1+k2-12k1-k2cos2θKxy=Kyx=12k1-k2sin2θ

（5）

式中：θ為滲透主方向。綜上可得裂隙巖體二階滲透張量為

K=KxxKxy

KyxKyy

（6）

根據不同旋轉角模型對應的滲透系數及橢圓半徑關系，在極坐標和直角坐標系中繪制滲透系數和橢圓半徑的變化曲線如圖9所示。由橢圓方程得主滲透系數

k1=1.01×10-6 m/s，k2=1.02×10-5 m/s，滲透主方向為50.2°，滲透張量為K=6.46-4.54-4.544.79×10-6 m/s。

同理，得水-巖作用后滲透系數及橢圓半徑的變化曲線如圖10所示。由橢圓方程得主滲透系數k1=3.13×10-7 m/s，k2=3.16×10-6 m/s，滲透主方向為50.2°，滲透張量為K=2.00-1.40-1.401.48×10-6 m/s。綜上可知，裂隙巖體具有明顯的各向異性特征，并且水-巖作用后滲透橢圓半徑增加，主滲透系數和滲透張量減小，而滲透主方向保持不變。

4" 結 論

（1） 當圍壓恒定時，單裂隙滲流量隨滲透水壓的增加線性增加；當滲透水壓恒定時，隨著圍壓增加滲流量呈指數函數關系遞減；隨著試驗周期的增加，裂隙滲流量呈先驟減后緩慢增加并趨于穩定的變化規律。

（2） 無論水-巖作用前后，裂隙網絡滲透特性均表現出明顯的各向異性特征，相比于初始狀態而言，水-巖作用后裂隙巖體主滲透系數和滲透張量減小，滲透橢圓半徑增加，滲透主方向保持不變。

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（編輯：鄭 毅）

Seepage characteristics of fractured rock mass under dry-wet cycling action

SHI Yan1，WANG Tuanle1，WAN Liangpeng2，SUN Xushu3，ZUO Xiaopeng3，GUO Xiaoping3

（1.Three Gorges Survey and Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China；" 2 China Three Gorges Construction Group Co.， Ltd.， Chengdu 610041，China；" 3.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of MoE，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract：

In order to study the seepage characteristics of fractured rock mass in the water-level fluctuation zone of reservoirs，the dry-wet cycling water-rock interaction test was carried out on dolomite in Wudongde Reservoir area.Based on the single fissure seepage test，the evolution law of seepage characteristics of fractured rock mass under the action of dry-wet cycling was studied，and the anisotropic seepage characteristics of fractured rock mass were studied by theoretical analysis method.The results showed that when the confining pressure was constant，the seepage flow of single crack increased linearly with the increase of seepage water pressure.When the seepage water pressure was constant，the seepage flow decreased exponentially with the increase of confining pressure.With the increasing of water-rock interaction period，the fracture seepage flow decreased suddenly and then slowly increased.The permeability characteristics of fractured rock mass had obvious anisotropy，the principal permeability coefficient and permeability tensor decreased，the radius of permeability ellipse increased，and the principal permeability direction remains unchanged after water-rock interaction.

Key words：

fractured rock； seepage characteristics； seepage flow； anisotropy； permeability ellipse； dry-wet cycling； wudongde Reservoir area