飽和花崗巖力學(xué)特性及峰后非線性滲流試驗研究.pdf

1、隨著我國高壩樞紐工程和高水頭抽水蓄能電站的大規(guī)模興建，高壩巖基和高壓引水系統(tǒng)圍巖將承受極高的滲透水壓和水力坡降。花崗巖具有高密度、低孔隙率、巖性致密和強度高等優(yōu)點,因此在高水頭抽水蓄能電站、頁巖氣開采、地下水封油庫、高放核廢料地質(zhì)處置等大規(guī)模工程建設(shè)中起著重要作用。地下采礦工程、大型水利水電工程和核廢料處理等工程建設(shè)活動造成圍巖在開挖、采動應(yīng)力的作用下處于峰后破碎狀態(tài)，惡化工程基巖附近巖體的賦存環(huán)境，極大地改變了巖體的滲透率和滲透特性，

2、導(dǎo)致巖體發(fā)生滲漏、突透水和滲透破壞的風(fēng)險急劇增大。大量的研究表明在高應(yīng)力、高滲壓作用下破碎巖體內(nèi)流體流速和壓力梯度不再滿足線性達西方程，流體的滲流行為表現(xiàn)明顯的非線性行為，繼續(xù)采用達西定律研究破碎巖體的滲流問題，將帶來較大誤差，將嚴重影響工程安全評價。為此采用Triaxial Cell三軸試驗系統(tǒng)開展陽江飽和花崗巖試驗，對飽和花崗巖峰前力學(xué)特性進行研究分析，并進一步探討峰后破碎花崗巖的非線性滲流特性隨水力梯度和圍壓的變化規(guī)律，分析非線性

3、滲流的物理成因機制。在此基礎(chǔ)上，探討峰后破碎花崗巖非線性滲流表征公式的適用性及其相關(guān)參數(shù)隨圍壓的變化規(guī)律。主要研究內(nèi)容與成果如下：
　?。?）通過X射線衍射儀和偏光顯微鏡，對花崗巖礦物組成和細觀結(jié)構(gòu)進行鑒定分析，花崗巖主要以長石、石英兩種礦物為主，巖石質(zhì)地致密,結(jié)晶性良好，具有較完整的礦物顆粒，礦物顆粒接觸緊密，僅有少量的穿晶微裂紋。除少數(shù)較明顯的裂紋外，花崗巖內(nèi)各個方向的微裂紋隨機發(fā)育，呈現(xiàn)明顯的各向同性特征。
　?。?）

4、通過開展飽和花崗巖和非飽和花崗巖三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)飽和花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線在變形破壞過程可以劃分為初四個階段，根據(jù)巖石體積應(yīng)變和裂紋體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線的拐點確定飽和花崗巖各階段對應(yīng)的應(yīng)力閾值；飽和花崗巖閉合強度相對于非飽和花崗巖閉合強度有較大提高，峰值強度有所降低，閉合階段在變形破壞中經(jīng)歷更長的過程;結(jié)合飽和花崗巖的破碎形態(tài)和巖石變形破壞過程曲線，分析可能的原因。采用能量原理對飽和花崗巖在變形破壞過程中的能量演化機制進行研究，

5、在峰值強度?c強度之前，巖石吸收的總能量增長較快，彈性應(yīng)變能增長幅度較大，外力所做的功主要以彈性應(yīng)變能的形式儲藏在巖石內(nèi)部。在峰值強度以后，巖石總能量增長變緩，彈性應(yīng)變能快速減小?；趲r石能量破壞準(zhǔn)則可知，當(dāng)彈性應(yīng)變能達到0.722～0.764 MJM就可認為飽和花崗巖失去承載力。
　?。?）開展不同圍壓下(1.0-30.0 MPa)陽江峰后破碎花崗巖的非線性滲流試驗，研究高水力梯度條件下破碎花崗巖的非線性滲流特性及其表征方法。破

6、碎花崗巖滲流流態(tài)呈現(xiàn)出顯著的非線性流動特征，并出現(xiàn)滲流流量增張出現(xiàn)高于和低于線性達西流兩種情況。流量增長低于線性的非線性滲流特征可用Forchheimer公式很好的描述，固有滲透系數(shù)k與非線性項系數(shù)B可用冪函數(shù)很好的表征，進一步引入福希海默數(shù) F0判別水流動的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)破碎花崗巖的臨界水力梯度Pc隨著圍壓的增加整體上呈現(xiàn)減小的趨勢且均在10 MPa/m以下。對于流量增長高于線性的非線性滲流特征，分別采用二次函數(shù)型Forchheimer公

7、式和冪函數(shù)型 Izbash公式對試驗結(jié)果進行擬合，結(jié)果表明二者均能很好地表征碎裂花崗巖的非線性滲流行為。其中，F(xiàn)orchheimer公式非線性系數(shù)表征了非線性滲流的慣性效應(yīng)和滲透失穩(wěn)機制，在量值上隨著圍壓的增大呈現(xiàn)正負交替現(xiàn)象，與圍壓加載過程中碎裂花崗巖裂紋的閉合和擴展密切相關(guān)；Izbash公式非線性系數(shù)則表征了低滲介質(zhì)非線性滲流的固液界面效應(yīng)，在量值上與圍壓之間存在相關(guān)性很好的冪函數(shù)關(guān)系。研究成果對于深化高滲壓、大水力梯度條件下斷層破