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岩石和水，剛與柔的鬥爭

2021/12/25

隨著對水資源高效開發利用的需求日益突出，西部地區長距離輸水隧洞的安全建設、水電開發過程中庫岸邊坡的穩定性等問題逐漸凸顯。水物理化學作用是造成岩體損傷和力學性質劣化的重要原因，岩石水物理化學作用效應已成為制約長距離輸水隧洞、庫岸邊坡、大壩壩基等安全穩定性的關鍵技術難題之一。

那麼,這裡所說「水物理化學作用」指的是什麼呢？在影響岩體工程安全性的諸多因素中，水是最活躍的因素之一。水可以通過孔隙水壓力影響岩體的應力狀態，而應力狀態的改變又會通過介質顆粒間的孔隙或裂隙面幾何形狀的變化來影響岩體的水力特性，這種相互作用構成了岩體應力–水力兩場耦合問題。然而，地質環境是岩土介質和地下水環境組成的複雜系統，水對岩體不僅具有上述力學作用，水-岩之間還存在著複雜的物理化學作用。水一方面對岩土介質產生潤滑、軟化、泥化及結合水強化等物理作用，另一方面又與岩土介質之間不斷進行著離子交換、溶解、溶蝕、水化、水解、氧化還原等化學作用。

水岩物理化學作用在岩體工程中廣泛存在，如核廢料地下儲存、溶浸採礦、油氣田開採以及地下洞室穩定性問題等均與水岩化學作用密切相關。水岩之間發生的物理化學作用不僅會改變岩體的礦物組成與微細觀結構，使其產生孔隙、溶洞及溶蝕裂隙等，還會引起岩體強度和剛度等物理力學性質的劣化，甚至造成工程事故，對岩體工程的穩定性產生威脅，如：（1）溶蝕威脅，如成渝鐵路K442處邊坡，因地處重慶酸雨區，滲入坡體內的地下水具有很強的侵蝕性，造成邊坡岩體內大量濁沸石、長石等鋁硅酸鹽礦物的溶蝕，對其穩定性帶來重要隱患。西寧隧洞、滇中法拉隧洞均因圍岩中含有芒硝、石膏等易溶礦物，隧洞穩定性受水岩作用影響顯著，隧洞建成不足十年因水岩作用影響洞壁即出現鼓包、開裂等現象；新安江、陳村、緊水灘、石塘等壩基也均存在水岩化學溶蝕現象，長期的水岩化學溶蝕作用將可能對壩基岩體的物理力學性質產生重要影響，進而影響其穩定性。（2）水化威脅，井壁失穩問題每年造成的損失達5億美元之多，約有90%的井眼垮塌問題均與泥頁岩的水化作用有關。如在哈拉哈塘油田鑽探過程中井壁失穩率較高，現場多以遇阻、卡鑽等井壁失穩的形式出現，嚴重影響了鑽井工程的安全、速度和成本。調查結果顯示，失穩原因與三疊系硬脆性泥頁岩陽離子交換容量、蒙脫石率、膠體率和膨脹率均處於較高水平，表面水化能力較強密不可分。因此，水對岩石的作用不能僅從有效應力原理簡單地考慮水對岩石的力學效應，而且還應考慮到水對岩石的複雜的物理化學作用，開展水與岩石之間的物理化學作用效應研究具有重要的理論意義與應用價值。

科學院武漢岩土力學研究所地質災害與3S技術課題組劉建研究員等針對岩石水物理化學作用效應這一課題開展研究，在砂岩彈塑性和蠕變力學特性的水物理化學作用效應機制方面取得了一系列研究成果：

（1）通過對不同水環境下砂岩孔隙率、pH值演變和礦物蝕變等開展一系列的試驗研究，從微細觀層次揭示了砂岩的水物理化學損傷機制。研究結果表明：砂岩水物理損傷主要受水流導致的礦物顆粒間膠結物與碎屑運移和擴散影響，與水化學損傷與離子濃度、pH值等水環境變化密切相關；二者所誘發的次生空隙是水物理化學作用影響砂岩力學性質的主要原因。

（2）建立基於次生孔隙率變化的砂岩水物理化學損傷變數表達式，提出了反映水物理化學作用效應的非線性彈性本構模型——改進Duncan模型。

（3）通過對不同水環境下砂岩開展一系列蠕變試驗研究，分析了不同離子濃度和酸鹼度水溶液對於砂岩蠕變力學性質的影響效應。研究結果表明：砂岩蠕變的水溶液離子濃度作用效應呈現出離子濃度越高則蠕變特性越顯著的特點；不同酸鹼度溶液彼此之間對砂岩蠕變特性影響效應的差異性並不顯著。

研究成果深化了對於砂岩彈塑性和蠕變力學特性的水物理化學作用效應的認識，為富水砂岩地層分布區域的水電工程庫岸邊坡、交通工程路塹邊坡穩定性評價和邊（滑）坡地質災害治理提供了重要依據。