基于平行黏结模型的水-岩作用下砂岩蠕变模拟及损伤机制研究

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制,基于PFC中的平行黏结模型(parallel bond model, PBM),考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化,提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法,并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟。研究结果表明：在破坏应力水平下,试样微裂纹扩展与蠕变应变规律相似,可分为衰减扩展阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段,且随水-岩作用周期增加,加速扩展阶段的耗时占总耗时的比例增大;试样蠕变破坏时,随水-岩作用周期增加,剪切裂纹占比逐渐增加,微裂纹倾角分布逐渐分散,倾角分布在65°和115°附近的微裂纹逐渐增加,试样的张性破坏减弱,剪性破坏增强;水-岩作用下,试样能储存的最大胶结能不断降低,且储存相同胶结能时对应的应变不断增大,与实际岸坡在水-岩作用下岩体整体承载能力降低、变形增大的规律一致。提出的水-岩作用下砂岩蠕变模拟方法具有较好的可行性,为库岸边坡岩石在库水位升降影响下的模型研究提供理论基础。     

水-岩交换作用对Sm-Nd法定年的影响

通常认为 ,在许多地质过程中ｗ (Ｓｍ ) /ｗ(Ｎｄ)的分异很小 ,ＳｍＮｄ体系可以保持封闭。但在有流体相存在的情况下 ,矿物和岩石ＳｍＮｄ同位素体系的封闭状态很容易被打破。热液蚀变和退化变质作用均可以使岩石矿物的ＳｍＮｄ法定年结果偏离真实成岩成矿年龄。Ｒｏｓｉｎｇ(1990 )从理论上研究流体交代对岩石ＳｍＮｄ同位素体系的影响。如果定义分异因子Ｆ =[ｗ流体 (Ｓｍ ) /ｗ流体 (Ｎｄ) ]/ [ｗ体系 (Ｓｍ ) /ｗ体系(Ｎｄ) ],在Ｓｍ和Ｎｄ从岩石进入流体的过程中 ,当水 /岩比接近零时 ,分异因子Ｆ达到Ｄ(Ｓｍ ) /Ｄ(Ｎｄ)的一个最大值…     

水-岩作用对砂岩卸荷力学特性及微观结构的影响

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明：在10次水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势,前4次水-岩作用的劣化速度较快,占总劣化度的70%左右,而后,劣化趋势逐渐趋缓;随着水-岩作用次数的增加,同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低,围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短,非线性突变阶段逐渐变长、变缓,岩样的脆性特征逐渐减弱,塑性逐渐增强;水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤,微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集,宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。     

水-岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展

水—岩化学作用对岩体变形破坏力学效应的研究涉及力学和化学两方面,也即为地球化学与岩体力学两个研究领域的交叉。针对水化学作用对岩体力学性质的影响机理,较系统地总结了该研究领域中的现状和研究新进展,分析了其研究方法,指出了今后的研究方向和主要研究内容,并认为此方面的研究将在工程地质学中占重要地位。     

煤矿采空区水-岩作用模拟试验研究

采空区积水在我国煤矿中广泛存在。明确在采空区封闭-半封闭环境条件下的水-岩相互作用机理,对实现煤矿区水污染减量以及地下水资源保护具有重要意义。以内蒙古某煤矿采空区积水为研究对象,设计高度还原采空区环境的箱式模拟试验,采用X射线衍射仪(XRD)和X射线荧光光谱仪(XRF)对模拟采空区填充物(煤、垮落岩体)中矿物成分及元素组成进行分析,借助离子色谱仪(IC)和电感耦合等离子体发射光谱分析仪(ICP-OES)等对水中水化学特征进行表征,探究采空区积水水质形成的水-岩相互作用机制。结果表明:水-岩相互作用主要为煤及垮落岩体中的矿物溶解-沉淀作用、阳离子交换作用、煤中黄铁矿氧化作用以及混合作用。矿物溶解作用占主导地位,采空区积水中的Na⁺、K⁺主要来源是钠长石、钾长石等硅酸盐矿物的溶解,而Ca²⁺和Mg²⁺主要来自于钙长石、方解石、绿泥石等矿物溶解;离子交换作用主要发生在采空区水-岩作用的初期(0～20 d),而后逐渐减弱;采空区底部残煤中黄铁矿氧化作用是积水SO₄^2-     

表面形貌含波纹度的节理的闭合模型

节理的闭合性质主要取决于节理的组合形貌特征，而并不单独地取决于节理面各自的形貌特征。本文分析了节理面及节理组合形貌的形貌特征，提出了含波纹度节理的闭合模型，模型中采用了节理组合形貌参数，可反映接触状态和初始开度对节理闭合性质的影响。实验验证了该模型比不考虑波纹度的闭合模型更接近于试验结果。     

水-岩作用下单裂隙灰岩渗流特性演化规律研究

针对某水电站地下洞室裂隙灰岩的渗漏问题,现场采集岩样和库水,设计进行了两种方案的水-岩作用试验,历时360d,其中,方案1在浸泡过程中定期更换浸泡溶液,模拟地下水的长期浸泡和流动更新现象,方案2主要模拟长期浸泡过程。综合水-岩作用下裂隙面微观形貌特征以及浸泡溶液中离子浓度变化,分析水-岩作用下裂隙灰岩的渗流特性变化特征及机制。研究结果表明:在浸泡过程中,单裂隙灰岩的渗透系数呈\"先快后慢\"的增大趋势,浸泡360 d后,2.5、3.0、3.5、4.0MPa等4种侧向应力在两种方案下单裂隙灰岩的渗透系数分别增大了729.90%~384.17%、549.04%~297.45%,侧向应力越小,裂隙岩样的渗透系数增大趋势越明显,增长趋势分别在120 d和90 d后趋于稳定。比较而言,方案1裂隙灰岩的渗透系数增长速率和幅度明显较大,为方案2的1.34~2.07倍。方案1定期更换浸泡库水,保持了浸泡溶液的不平衡状态,使得岩样与浸泡溶液间形成了较大的浓度梯度,增加了反应化学势,加快了裂隙表面矿物溶解、溶蚀速率,而方案2中,长期浸泡使得溶液中离子浓度逐渐接近平衡状态,导致裂隙面矿物溶解、溶蚀速率明显低于方案1。长期水-岩作用使得裂隙面粗糙度和波动性明显减小,局部坡度和起伏度逐渐减小,整体溶蚀深度逐渐增加,据此,建立了水-岩作用下单裂隙灰岩渗流通道演化模型,在长期水-岩作用下裂隙岩样的渗流通道逐渐向吻合度低、开度大的方向演化,从而导致了裂隙岩样等效水力开度及渗透系数的大幅度增长。相关研究思路和成果为裂隙岩体的水-岩作用模拟提供了较好的参考。     

水-岩相互作用对库岸边坡稳定的影响研究

在三峡水库运营后,将按计划进行周期蓄、排水。对于构成库岸边坡的岩体来说,将受到库水“饱水-风干”水-岩循环作用造成的岩性劣化,进而对坡体稳定性构成严重危害。以砂岩为代表岩体,通过试验模拟了库岸边坡岩体在库水涨落情况下水-岩作用的过程,得出了砂岩受库水“饱水-风干”水-岩循环作用后抗剪强度的劣化规律。结合试验结果,运用FLAC进行了水-岩循环作用下岸坡稳定性的数值模拟,为库岸边坡的稳定性分析提供了有益的依据。     

白鹤滩水电站坝址区玄武岩水-岩作用模拟及应用研究

采用水-岩作用线型规划的模拟方法,以白鹤滩水电工程为实例,从水化学方面对坝区复杂水文地质条件作定量分析评价.建立由目标函数和约束条件方程组构成的数学模型,利用Excel规划求解的功能对其进行求解,为评价坝区水文地质条件提供了依据.     

矿区深部含水层水-岩作用的同位素与水化学示踪分析

为了有效揭示华北隐伏型煤矿区煤炭开采进程中深部含水层水-岩作用机制,本文以淮北煤田宿县-临涣矿区为研究示范,收集与采集1985～2011年期间矿区松散层第四含水层、煤系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层深部地下水样166个,分析与测试87Sr/86Sr、34S、13C同位素以及Na++K+、Ca2+、Mg2+、HCO-3、Cl-、SO2-4、CO2-3等常规组分,并开展基于同位素与水化学的水-岩作用示踪与分析。研究成果表明:在矿区主要充水含水层中,煤系砂岩裂隙含水层脱硫酸与阳离子交替吸附作用最为显著,而松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层与奥陶系岩溶含水层黄铁矿氧化或地下水硬化最为显著;受煤炭开采影响,煤系砂岩裂隙含水层、奥陶系岩溶含水层主要水-岩作用逐渐减弱,松散层第四含水层、石炭系太原组岩溶含水层主要水-岩作用或增强、或减弱,增强或减弱的程度取决于井田基岩面标高、主要断层的展布形态与隔水性能以及煤层开采扰动范围等。     

龙泉山地区中生代红层水岩作用时效性实验研究

龙泉山地区中生代红层分布广泛,水利工程较多,研究库区红层岩石水岩作用的时效性具有工程意义。通过对该地区4个水库采样点所采集的岩石样品进行室内软化系数的测定,得出红层岩石经库水长时间浸泡后软化系数及软化系数随年代的变化规律,结果显示红层经过30~50年水库浸泡后软化系数较目前在实验室测得的降低10%~20%。     

基于水-岩相互作用的泥岩库岸时变稳定性分析

为探寻云南省富宁港区泥岩库岸在水-岩相互作用下的稳定性演变规律,通过富宁港区一期工程现场采集泥岩试样,经过不同次数的干湿循环后,进行常规三轴压缩试验。将得到的岩石抗剪强度参数进行工程转换,经回归分析后构建泥岩岩体综合抗剪强度参数概率分布的时变模型。结合极限平衡法和可靠性理论,得到水-岩相互作用下泥岩库岸中值安全系数、可靠度及可靠安全系数的时变规律。分析结果表明,在水位反复升降作用下,综合二元指标的可靠安全系数能更合理地分析泥岩库岸稳定性;库岸整体稳定程度呈现出非线性衰变特点;库岸最危险滑动面表现为由内向外的渐进性破坏。以试验为基础,提出的泥岩库岸时变稳定性分析方法为研究水位周期性涨落下库岸的稳定性演变规律提供了一条有效途径。     

河北承德偏硅酸矿泉水成因模式:岩石风化与水岩作用证据

【研究目的】承德地处京津冀水源涵养功能区,矿泉水资源丰富,研究其赋存分布与形成机制对矿泉水可持续利用与水源涵养优化具有重要意义。【研究方法】采用岩石地球化学和水化学分析、化学风化指数、矿物表面微观形态分析,同位素示踪等方法系统梳理了研究区地下水偏硅酸空间分异的影响因素,从岩石风化与水化学耦合角度探讨了偏硅酸矿泉水的成藏机制。【研究结果】结果表明：研究区常温水体偏硅酸含量达30 mg/L以上样品占比达5.16%,地热水偏硅酸平均含量达61.76 mg/L。偏硅酸矿泉水成藏受岩石风化和地质构造控制,风化酸性介质影响,水化学形成作用制约。风化敏感程度愈高,易风化矿物含量愈高的含水介质赋存地下水偏硅酸含量愈高。研究区硅酸盐岩总体处于初等化学风化——长石类矿物和辉石等镁铁质矿物风化形成高岭石、蒙脱石和伊利石阶段。构造深部幔源CO₂、工矿活动和人类生产生活输入的外源硫酸和硝酸共同参与岩石风化脱硅过程,偏硅酸矿泉水、地热水温泉出露处多为构造复合部位或主干断裂与次级断裂的交汇部位。【结论】承德市偏硅酸矿泉水成因模式可概化为构造断裂深循环淋溶型、风化裂隙浅循环淋溶型和层间孔隙裂隙-补给富集埋藏型3类。植被覆盖较好的玄武岩、火山碎屑岩、陆源碎屑岩流域山前宽缓沟谷与导水断裂交汇带,侵入岩导水导热断裂带、侵入岩与围岩接触带,花岗岩、片麻岩和陆源碎屑岩与碳酸盐岩接触带为偏硅酸矿泉水开采潜力区。创新点：（1）从岩石风化与水岩作用水化学耦合角度探讨了偏硅酸矿泉水的成藏机制;（2）系统总结了承德市偏硅酸矿泉水空间分布的影响因素与成因模式。     

水-岩作用系统的随机水文地球化学模拟

水-岩作用过程是一个随机过程。依据化学热力学的基本原理,建立了描述水岩系列间相互作用的数学模型,并采用Monte-Carlo随机分析方法进行求解。在实例研究中,以若干特征值(如均值、方差以及变异系数等)作为计算结果,来反映水-岩系列间相互作用的状态及其变化。由计算结果知,研究区系统内有关水-岩作用反应均可自发进行;因其方差较大,体系自由能接近零或处于平衡状态的机会较大;区内地下水的酸化主要源于页岩中有机质的氧化,由此导致地下水具有酸性及碳酸性侵蚀作用。     

内蒙古额仁陶勒盖银矿水-岩相互作用及矿石沉淀氢氧同位素研究

该文系统分析了内蒙古额仁陶勒盖银矿石英、蚀变岩石的氢氧同位素组成，蚀变岩石δ18O 和 δD值分别为5.2‰到-7.3‰和-133‰到-155‰之间。矿物包体的δD值为-141‰到-147‰之间。很低的δ18O 和 δD值，暗示出是大所降水-岩石交换体系中形成的成矿流体。脉石英的δ18O值与蚀变岩石的δ18O值相比，前者普遍低于后者，因而暗示可能存在两期成矿流体。     

改进的Maksimovic峰值剪切强度准则的试验验证

Maksimovic峰值剪切强度准则形式简洁,参数的物理含义明确,但由于反映节理粗糙程度的特征量“粗糙度角 ”须由试验值确定,因此不可用于估算岩石节理的峰值剪切强度。改进的Maksimovic峰值剪切强度准则在继承原准则优点的基础上,采用定量化的三维形貌参数表示节理的“粗糙度角 ”。采用岩石节理的直剪切试验数据对改进的Maksimovic峰值剪切强度准则进行了试验验证,计算值与试验值具有很好的相关性,表明可以采用该准则估算岩石节理的峰值剪切强度。     

水岩相互作用对砂岩单轴强度的影响研究

针对重庆地区的微风化砂岩,完成了1、3、6、10、15次的干湿循环,对循环后的试件(饱水状态)进行了单轴抗压和劈裂试验。试验结果表明,干湿循环对砂岩造成了不可逆的渐进性损伤,在15次循环后,单轴抗压强度损失达20.73%,抗拉强度达51.96%,弹性模量达33.79%,三者与循环次数之间有良好的对数关系。在干湿循环过程中,砂岩的强度损伤会出现拐点,这取决于水对砂岩的侵蚀程度。     

贵阳市地表水地下水化学组成:喀斯特水文系统水-岩反应及污染特征

为了解喀斯特地区水-岩相互作用特征和辨别地下水污染物的来源,为揭示人类活动对喀斯特地下水文地球化学环境的影响,研究了贵州省贵阳市不同岩性含水层地下水和地表水的化学特征.结果发现,地表和地下水主要有HCO₃型和SO₄型以及这两种化学类型的混合型.地下水地表水化学溶解物质主要来源于碳酸盐岩和碎屑沉积岩的化学风化作用,硫酸盐矿物的溶解和硫化物氧化形成的硫酸对岩石矿物的化学风化是导致水体富集硫酸盐的主要因素.区内地表水和地下水的主要污染物质为K+、Na+、Cl-、SO₄2-和NO₃-.这一研究成果为评价地表/地下水环境的质量现状,为喀斯特地区地表水地下水资源的保护和利用提供了科学依据.