岩石水物理化学作用效应研究获进展

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、库岸边坡安全稳定性的关键技术难题之一。

中国科学院武汉岩土力学研究所地质灾害与 3S 技术课题组研究员刘建等从细观层面分析了砂岩的水物理化学损伤机理，提出了砂岩弹塑性和蠕变力学特性的水物理化学作用效应机制。

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，从微细观层次分析砂岩的水物理化学损伤机制，在此基础上，提出以蒸馏水环境下测得的次生孔隙率为基础，从总次生孔隙率中将水化学作用产生的次生孔隙率分离出来的方法，进而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。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。

通过对干燥、饱水以及不同离子浓度和酸碱度水溶液循环流动作用至水-岩反应平衡后的砂岩试件开展一系列蠕变试验，研究结果表明：（1）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；（2）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。

研究成果应用于拉西瓦水电站果卜岸坡、茨哈峡水电站库岸边坡等多项工程中，为水电工程库岸边坡稳定性评价提供了重要依据。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项目(40672192，50479072)、国家自然科学基金重点项目(50539090)资助。

（左）砂岩弹塑性力学特性的水物理作用机制示意图；（右）不同水溶液循环流动作用后的砂岩应力应变关系曲线

来源：中国科学院武汉岩土力学研究所