水-岩作用下单裂隙砂岩力学特性劣化规律及机理

Deterioration Characteristics and Mechanisms of Mechanical Properties of Single-Fractured Sandstone under Water-Rock Interaction

摘要

库水位周期性升降作用下岸坡消落带裂隙岩体劣化显著，严重威胁着库岸边坡的稳定。以三峡库区消落带裂隙砂岩为研究对象，开展周期性水-岩作用试验，分析裂隙砂岩的宏观力学特性及细观孔隙率变化规律。结果显示，周期性水-岩作用下：裂隙砂岩的单轴抗压强度与弹性模量呈现“前期快速劣化、后期趋缓”的阶段性特征，前2个周期阶段劣化度较大，4个周期后逐渐减小并趋于稳定；各倾角裂隙砂岩力学特性的劣化度存在显著差异，30°时劣化度最大，劣化度幅度及各裂隙倾角的劣化度差异逐渐减小；相同倾角裂隙砂岩的起裂模式均不发生改变，但破坏模式有所变化，0°和90°时由张拉破坏逐渐向拉剪复合破坏转变，30°、45°和60°时拉剪复合破坏程度加深；砂岩内部孔隙的累积增长和胶结弱化，是其力学特性累积劣化和破坏模式改变的根本原因。研究成果可为库岸边坡消落带稳定性分析及长期安全评价提供理论依据。

Abstract

Under the periodic rise and fall of reservoir water levels, the deterioration of fractured rock masses in the bank slope drawdown zone becomes significant, posing a serious threat to the stability of reservoir bank slopes. Taking fractured sandstone from the drawdown zone of the Three Gorges Reservoir area as the research object, periodic water-rock interaction tests were conducted to analyze the macroscopic mechanical properties and the evolution of microscopic porosity of the fractured sandstone. The results show that under periodic water-rock interaction: the uniaxial compressive strength and elastic modulus of the fractured sandstone exhibit a staged deterioration characteristic of “rapid in the early stage and gradual in the later stage”. The deterioration degree is relatively large during the first two water-rock cycles, and gradually decreases and tends to stabilize after four cycles. Significant differences exist in the deterioration degree of mechanical properties for fractured sandstones with different inclination angles; the largest deterioration occurs at an inclination angle of 30°, and both the deterioration magnitude and the differences among various fracture inclinations gradually decrease with increasing cycles. The crack initiation mode of the fractured sandstone with the same inclination angle remains unchanged, while the failure mode varies: at 0° and 90°, it gradually changes from tensile failure to tensile-shear composite failure; at 30°, 45°, and 60°, the degree of tensile-shear composite failure intensifies. The cumulative increase of internal pores and the weakening of cementation within sandstone are the fundamental reasons for the cumulative deterioration of its mechanical properties and the change in failure modes. The research results can provide a theoretical basis for the stability analysis and long-term safety evaluation of reservoir bank slopes in the drawdown zone.

Graphical abstract

关键词

水-岩作用 / 库岸边坡 / 裂隙砂岩 / 力学特性 / 劣化机理

Key words

water-rock interaction / reservoir bank slope / fractured sandstone / mechanical properties / deterioration mechanism

0　 引 言

大型水利水电工程建成后，伴随水库蓄水及运行调度，库水位常常在正常蓄水位和防洪限制水位之间周期性升降，形成一定高度的库岸边坡消落带^[1]。消落带岩体在这种周期性水位变化条件下，会发生“低周疲劳”、水压力周期性升降变化的浸泡-风干循环作用，造成岩体的持续损伤劣化^[2-3]。值得注意的是，近年来一些大型水库在库水长期运行条件下其岸坡消落带岩体的劣化现象愈发显著^[4-6]，很可能使原本稳定的岸坡向不稳定方向发展，甚至出现崩塌、滑坡等地质灾害。典型的如三峡库区自2003年蓄水以来，岸坡消落带劣化诱发了多次崩塌、滑坡等地质灾害，严重威胁到水库长期稳定运行^[7-8]。消落带已成为岸坡变形稳定的敏感地带，因此消落带岩体劣化的研究具有重要的工程意义。

消落带岩体的劣化对岸坡长期稳定性的影响不容忽视^[1,9]，其中，水-岩作用下消落带岩体的劣化问题引起广泛关注。众多学者以消落带常见的砂岩^[10-12]、粉砂岩^[13]、泥岩^[14-15]等为研究对象，通过反复的饱水-风干干湿循环试验，发现岩石的损伤程度均随干湿循环次数增加而加剧，且干湿循环作用对岩石产生了不可逆的渐进性损伤。郭慧敏^[16]开展了长时饱水-干燥循环作用的水-岩试验，并与长期浸泡试验条件下的结果对比，发现砂岩在饱水-干燥循环条件下强度降低的幅度更大。考虑到库水涨落的过程中存在水压力的变化，邓华锋等^[17]开展了模拟浸泡水压力上升、稳定、下降变化过程以及库水位下降后岩体的温控风干过程的浸泡-风干循环试验，发现水压力升降变化对岩石物理力学特性的劣化规律影响显著，其劣化趋势较常规干湿循环作用更为显著。上述成果为水库岸坡消落带岩体劣化机理的研究提供了重要参考。考虑到工程岩体内部普遍存在节理和裂隙，且水-岩作用通常始于节理和裂隙，逐步造成岩体的劣化，部分学者进行了水-岩作用下裂隙岩体损伤劣化机制研究：韩铁林等^[18]开展了节理岩体干湿循环试验，建立了干湿循环与化学腐蚀共同作用下单裂隙试件的损伤演化方程；王瑞红等^[19]开展了裂隙砂岩加压浸泡试验，发现裂隙岩体对水软化作用更加敏感；邓华锋等^[20]开展了断续节理砂岩的水-岩作用试验，揭示了不同产状断续节理岩体在水-岩作用下劣化效应的差异。总体而言，相较于完整岩石，裂隙岩体在水-岩作用下的劣化更为显著且机理更为复杂。考虑到不同水-岩作用环境、裂隙形态和分布特征会导致裂隙砂岩的劣化速率、演化规律以及破坏模式转变的关键触发机制与演化路径不同，有必要进一步开展长时间压力浸泡-风干的循环试验和不同裂隙形态砂岩的水-岩作用劣化试验。

三峡库区的碎屑岩岸坡消落带岩体中，张开型非贯通裂隙较为常见，且不同裂隙倾角岩体最终变形破坏特征存在明显差异。综合考虑库岸边坡消落带经受的库水位周期性升降和裂隙岩体实际结构特征，选取三峡库区典型岸坡消落带砂岩，模拟水压力升降的长期浸泡-风干循环作用（统称为周期性水-岩作用），开展不同裂隙倾角砂岩的力学特性与微观结构试验分析，希望为实际库岸边坡工程的稳定性分析提供理论依据。

1　 试验方案

1.1　试件制备

试验选取三峡库区典型岸坡砂岩为研究对象，制成50 mm×100 mm（直径×高度）的标准圆柱状试件，通过纵波波速及质量测试可知，砂岩试件的自然密度均值为2.61 g/cm³、波速均值为4 132.87 m/s。选取波速和密度相近的试件，利用水力切割在试件中心切割不同角度的张开型单裂隙，如图1所示。其中裂隙长度L=14.0 mm，裂隙张开度0.2 mm，裂隙倾角β分别为0°、30°、45°、60°、90°。

1.2　周期性水-岩作用试验方案

周期性水-岩作用试验采用研究团队自制的YRK-2型岩石浸泡-风干试验仪^[21]。根据三峡库区水位在145 m的防洪限制水位与175 m的正常蓄水位之间的周期性变化规律，设计周期性水-岩作用试验方案：每个水-岩作用周期为35 d（30 d浸泡+5 d风干）。

浸泡阶段：前10 d模拟库水位上升的过程，水压力从0.0 MPa均匀上升至0.3 MPa；中间10 d模拟库水位稳定阶段，水压力稳定在0.3 MPa保持不变；最后10 d模拟库水位下降阶段，水压力从0.3 MPa均匀降至0.0 MPa。之后，控制计算机将压力室内的水抽干，进行风干试验。风干阶段：持续5 d，模拟库区夏季库水位下降期间的温度，将风干温度设置为35 ℃。水-岩作用试验共设计10个周期，分别在n=0、1、2、4、6、8、10个周期结束后，取一组处于干燥状态的裂隙砂岩试件进行单轴压缩试验及磁共振扫描测试，分析宏观力学特性及微细观特征的变化规律。

2　 结果与分析

2.1　裂隙砂岩宏观力学特性劣化规律

2.1.1　单轴抗压强度的劣化规律

由周期性水-岩作用裂隙砂岩的应力-应变曲线（图S1，见附加材料）可知，不同水-岩作用周期下，裂隙砂岩具有相似的应力-应变曲线特征，均呈现压密、弹性、屈服、破坏4个阶段^[22]（图S2，见附加材料）；周期性水-岩作用、裂隙倾角均影响应力-应变曲线特征，相同裂隙倾角下应力-应变曲线随着水-岩作用周期的增加总体呈下移趋势。比较不同水-岩作用周期的应力-应变曲线形态发现：随着水-岩作用周期的增加，应力-应变曲线的弹性阶段斜率逐渐减小，屈服阶段逐渐明显，峰后应力跌落曲线逐渐由陡变缓，峰后应变逐渐增大，裂隙砂岩的塑性特征更为显著。

为对比不同水-岩作用周期及不同裂隙倾角对砂岩单轴抗压强度的影响，统计了不同水-岩作用周期下裂隙砂岩的单轴抗压强度。由图2可知：

1）在相同水-岩作用周期下，随着裂隙倾角的增大，裂隙砂岩的单轴抗压强度呈现先减小后增大的规律，在β=30°时达到最小值，整体表现为V型变化趋势。该规律与蒲成志等^[23]试验结果一致。当水–岩作用达到第4期后，其劣化速率明显减缓并逐渐趋于稳定。因此，以第4期为例进行分析，β为0°、30°、45°、60°、90°时，裂隙砂岩的单轴抗压强度分别为48.55、41.36、52.59、59.26、80.94 MPa（见图3）。

2）在相同裂隙倾角下，随着水-岩作用周期的增加，裂隙砂岩的单轴抗压强度呈现先快后慢的下降趋势，β=30°时强度最低。当水-岩作用周期n=0、1、2、4、6、8、10期时，β=30°的单轴抗压强度依次为51.02、45.11、43.41、41.36、40.21、39.03和38.11 MPa。该现象主要归因于周期性水-岩作用对砂岩内部胶结物的持续溶蚀与软化作用，导致颗粒间胶结强度逐渐降低^[24]。水-岩作用初期，由于反应物浓度较高，水-岩化学反应速率较快，强度衰减幅度较大；随着反应的进行，可溶性矿物逐渐减少，水-岩作用减弱，单轴抗压强度下降速率相应减缓^[25]。

为定量分析周期性水-岩作用下裂隙砂岩的力学特性劣化程度，定义n个水-岩作用周期后力学参数相对于初始状态的降低幅度为劣化度S_n，ΔS_n 为单个水-岩作用周期劣化度的变化量，简称为阶段劣化度。计算公式为：

S_n=\frac{T_{\mathrm{0}}-T_n}{T_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

\mathrm{\Delta }{S}_n=\frac{S_n-S_{n-i}}{i}（2）

式中：T₀和T_n 为初始和水-岩作用n个周期后干燥试件的力学参数；i为相邻水-岩作用次数的差值。根据试验结果（图2）及式（1）、（2），计算不同水-岩作用周期下裂隙砂岩试件强度的阶段劣化度。如图3所示，周期性水-岩作用下不同裂隙倾角砂岩的阶段劣化度总体表现为前2个周期阶段劣化度相对较大，4个周期后阶段劣化度较小。随着水-岩作用周期的增加，各裂隙倾角的劣化度差异减小，这说明水-岩作用对裂隙岩体力学特性具有均化效应。不同的是，同一水-岩作用周期β=30°时的劣化度最大，n=1、2、4、6、8、10期后，其单轴抗压强度较未受水-岩作用（n=0）时分别降低11.5%、14.9%、16.6%、18.1%、19.2%和20.1%，累计降幅达到20.1%。对应的阶段劣化度依次为11.5%、3.4%、1.7%、1.5%、1.1%和0.9%，呈现逐期递减趋势。相比之下，β=0°和β=90°试件在经历10期水-岩作用后的累计降幅分别为15.1%和14.5%。

2.1.2　弹性模量的劣化规律

计算不同水-岩作用周期下裂隙砂岩的弹性模量阶段劣化度，如图4所示。

由图4可知：

1）在周期性水-岩作用下，裂隙砂岩弹性模量的劣化规律与单轴抗压强度的劣化规律类似。总体而言，β=30°试件劣化度最大，β=0°与β=90°试件劣化度相对较小。在经历n=1、2、4、6、8、10期水-岩作用后，β=30°倾角试件的弹性模量较未经水-岩作用时（n=0）分别降低了10.0%、15.9%、20.4%、23.6%、25.5%、26.1%；β=90°试件的弹性模量分别降低了8.2%、11.3%、14.1%、16.2%、17.6%、19.4%；β=0°试件的弹性模量分别降低了8.2%、12.1%、14.6%、16.4%、18.3%、19.3%。比较而言，前两个水-岩作用周期裂隙砂岩弹性模量劣化度较大。

2）周期性水-岩作用下，裂隙砂岩弹性模量劣化度整体略高于单轴抗压强度劣化度。究其原因为：随着水-岩作用周期的增加，砂岩内部可溶矿物、胶结物发生溶蚀和软化，造成内部孔隙、微裂隙增多^[26]，使砂岩在较低应力水平下产生较大的弹性变形，进而增大砂岩在应力作用下的可变形空间，使弹性模量劣化度高于抗压强度。

3）不同裂隙倾角砂岩的劣化度存在显著差异，其中β=30°试件劣化度最大。其原因在于，水-岩作用会削弱砂岩的黏聚力与内摩擦角^[27]，同时，β=30°试件裂隙面上的剪切应力和法向应力的组合最有利于裂隙的扩展，裂隙面所受剪切应力达到相对峰值，而法向应力处于中等水平，形成剪切应力主导、法向应力约束不足的受力状态，使裂隙面易出现剪切滑移趋势并加速整体损伤进程。

2.2　裂隙砂岩宏观破坏模式变化规律

周期性水-岩作用下裂隙砂岩的单轴压缩破坏图如图5所示，其中，每组倾角对应的试件按水-岩作用周期（n=0、1、2、4、6、8、10）由左至右依次排列。

分析图5可知，在周期性水-岩作用下，裂隙砂岩的宏观破坏特征表现出如下规律：

1）β=0°试件，水-岩作用前起裂模式为非共面次生裂纹起裂，从预制裂隙端部及中部，与预制裂隙面呈一定夹角扩展，起裂时，预制裂隙端部与中部出现张拉裂纹并伴随少量远端次生裂纹（裂纹距预制裂隙较远）；整体破坏模式为张拉破坏。随着水-岩作用周期的增加，起裂模式总体未发生改变，但起裂时张拉裂纹增多并伴随有剪切裂纹，破坏模式由张拉破坏向拉剪复合破坏转化。

2）β=30°和β=45°试件，水-岩作用前起裂模式为非共面次生裂纹起裂，起裂时预制裂隙端部存在张拉裂纹并伴随少量剪切裂纹；整体破坏模式为拉剪复合破坏，破坏时预制裂隙端部存在较多张拉裂纹与少数剪切裂纹，破碎较为严重，与其他倾角试件相比，β=30°和β=45°试件水-岩作用前出现局部掉块现象。随着水-岩作用周期的增加，起裂模式总体未发生改变，但起裂时张拉、剪切裂纹明显增多，破坏后次生裂纹增多，整体破坏模式逐渐向拉剪复合破坏转变，且剪切破坏的趋势愈发明显。

3）β=60°试件，水-岩作用前单轴压缩起裂模式为共面次生裂纹起裂，从预制裂隙端部起裂，沿预制裂隙面方向扩展，起裂时预制裂隙端部存在张拉裂纹并伴随少量剪切裂纹，破坏模式为拉剪复合破坏，预制裂隙端部存在较多张拉裂纹和少量剪切裂纹，次生裂纹数量较多。随着水-岩作用周期增加，裂隙砂岩的起裂模式未发生明显改变，但拉剪复合破坏的剪切破坏特征逐渐增强。

4）β=90°试件，水-岩作用前单轴压缩起裂模式为远端裂纹起裂，试件起裂时伴随少量次生裂纹与远端裂纹，破坏模式为张拉破坏。随着水-岩作用周期增加，起裂模式未发生明显改变，但试件起裂时的剪切裂纹数量增多，破坏模式由张拉破坏向拉剪复合破坏转化。

综上所述，随着水-岩作用周期的增加，相同倾角裂隙砂岩起裂模式基本不发生改变，但试件的张拉破坏减弱，剪切破坏增强，导致各倾角试件破坏模式的变化。其中，β=0°和β=90°试件由张拉破坏转为拉剪复合破坏，β=30°、β=45°和β=60°试件的拉剪复合破坏程度加深。

2.3　裂隙砂岩孔隙率变化规律

进一步分析了裂隙砂岩的孔隙率随水-岩作用周期的变化规律。选取一固定试件（β=30°），分别在n=0、2、4、6、10水-岩作用周期结束后进行磁共振检测。参考已有研究^[28]，将孔隙分为3类：微孔（孔径小于0.1 μm）、中孔（孔径0.1~1 μm）、大孔（孔径大于10 μm），测得孔隙包括狭义的孔隙和裂隙。裂隙砂岩孔隙率变化如表1所示。分析可知：

1）试件的孔隙率随着水-岩作用周期的增加呈上升趋势。其中，微孔、中孔和大孔的孔隙率上升趋势存在差异。与初始状态（n=0）相比，n=4、10时，微孔孔隙率分别增加了1.30、1.65个百分点，表明微孔在前4期水-岩作用增加较快，4期之后增速趋缓；中孔孔隙率分别增加了0.14、0.24个百分点；大孔孔隙率分别增加了0.06、0.10个百分点，表明中孔和大孔在整个水-岩作用过程中增加较为均匀。进一步分析不同孔隙面积占比发现，随着水-岩作用周期增加，试件的微孔面积占比呈下降趋势，而中孔和大孔占比呈上升趋势，表现出微孔向中孔转化，中孔向大孔转化的趋势。分析原因主要为：4期水-岩作用前，可溶矿物充分，水-岩化学作用较强，与水发生溶解反应，以产生微孔为主，伴随着少量中孔和大孔产生；4期水-岩作用后，可反应矿物大量消耗，化学作用减弱^[12]，主要以水-岩物理作用为主的微孔扩展和贯通，向中、大孔隙转化，造成微孔数量增加趋势减缓，中孔和大孔保持均匀增加。

2）水-岩作用前期（n=0~4），主要以微孔增加为主，中后期（n=4~10）微孔、中孔与大孔均有所增加。其原因主要为：①浸泡阶段，水分子沿孔隙、裂隙进入砂岩内部，泥质、钙质胶结物发生软化、溶解，同时，外部水压力加速了水分子向岩石内部的迁移，并增大微孔隙处的水压力，促进微孔隙的萌生；②风干阶段，随着水分子迁移，部分胶结物发生结构重组，形成新生微孔隙，为后续水-岩作用提供了新的通道和反应界面^[29]。每次水-岩作用都是一次不可逆的微疲劳损伤，并随着水-岩作用周期的增加而不断累积^[30]，从而使微孔隙不断扩展和贯通，孔隙尺寸逐渐增大，最终导致微、中、大孔孔隙占比增加。对于裂隙砂岩而言，裂隙的存在不仅打破了岩石的完整性，还是水和空气进入岩石内部的主要通道。

水-岩作用的各种物理化学作用会首先集中发生在裂隙面和裂隙尖端区域，导致裂隙尖端区域岩石性质的急剧劣化，其机制如图6所示。周期性水-岩作用下砂岩微细观结构的变化，能很好地与应力-应变曲线压密阶段变长、弹性模量降低、强度减小等宏观力学特性的变化相互印证。

3　 讨 论

1）不同水-岩作用下裂隙砂岩力学特性劣化规律具有一致性与差异性。根据本文研究，对于含不同倾角预制裂隙的砂岩，在经历类似水-岩作用后，其单轴抗压强度与弹性模量均呈现出先快后慢的指数型衰减趋势，与以往研究表现出一致的规律。然而，力学参数的劣化特性表现出显著的各向异性，具体表现为倾角为30°的裂隙砂岩在10期水-岩作用后劣化度为20.1%；倾角为90°的裂隙砂岩在10期水-岩作用后劣化度为14.5%。袁璞等^[31]报道，深部完整砂岩在10次循环后劣化度为9.79%。两者变化趋势相似，但文献[31]砂岩劣化度明显较小，说明水-岩作用对裂隙岩体的劣化更为显著。本研究以30°倾角试件的劣化度最大，而文献[20]中得出断续节理砂岩在倾角在0°和90°附近劣化度较大，与本研究存在一定差异，可能是不同裂隙形态和分布特征所致。

2）水-岩作用会定向改变裂隙砂岩的破坏模式，且受初始裂隙倾角影响。试验表明，周期性水-岩作用不改变试件的起裂模式，但会影响破坏模式向张拉破坏减弱、剪切破坏增强的方向演化：0°、90°试件由张拉破坏为主转为拉剪复合破坏，30°~60°试件拉剪复合破坏的剪切破坏占比不断增加。然而，对于裂隙倾角约为30°~60°的试件，其初始破坏模式即表现为拉剪复合破坏，水-岩作用对其破坏机制的影响相对有限。这一现象说明，裂隙面的存在及其几何特征在一定程度上控制了水-岩作用下岩样的损伤演化路径与最终破坏形态。

4　 结 论

本研究通过周期性水-岩作用下裂隙砂岩的单轴压缩试验和磁共振测试，揭示了不同倾角裂隙砂岩的力学特性劣化规律、破坏模式变化规律和劣化机理。主要结论如下：

1）周期性水-岩作用与裂隙倾角共同影响砂岩力学特性的劣化规律。裂隙倾角对单轴抗压强度的影响呈V型分布，β=30°时最低；水-岩作用前2个周期快速劣化、4个周期后趋缓；水-岩作用对裂隙岩体力学特性具有均化效应，不同倾角试件之间的劣化差异随水-岩作用周期增加逐渐减小。

2）水-岩作用影响裂隙砂岩的宏观破坏模式。周期性水-岩作用基本不改变相同倾角试件的起裂模式，但随着水-岩作用周期的增加，破坏模式呈现张拉破坏减弱和剪切破坏增强的趋势：β=0°和90°试件由张拉破坏转为拉剪复合破坏，β=30°、45°和60°试件的拉剪复合破坏程度加深。

3）裂隙砂岩内部细观结构的改变是其宏观力学特性劣化的根本原因。周期性水-岩作用使裂隙砂岩内部胶结物软化、溶蚀，并引起孔隙率增大，造成裂隙砂岩宏观力学特性累积性劣化。

在水库长期运行过程中，周期性水-岩作用促使消落带裂隙岩体的损伤持续累积，进而导致其力学性能与结构稳定性逐步降低。因此，在库岸边坡的消落带岩体劣化规律研究中，应系统考虑裂隙几何特征（如倾角、连通性等）与水-岩劣化效应的综合影响。然而，实际上消落带岩体往往处于更为复杂的赋存环境中，其在复杂应力路径与环境条件耦合作用下的劣化效应可能更为显著。因此，在后续研究中，应进一步系统考虑不同环境条件和应力耦合作用下的影响，深入认识多场耦合下消落带岩体的劣化规律，为大型水电工程库岸边坡的稳定性分析与全生命周期安全评价提供更全面的理论支撑。

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基金资助

国家自然科学基金(U22A20600)

湖北省自然科学基金创新群体项目(2025AFA015)