三峡水库岸坡侏罗系红砂岩渗透特性试验研究

摘要

在水库运行期,岩质岸坡上不同位置的岩体所经历的水的作用是有差别的。岸坡防洪限制水位以下的岩石在水库运行期间始终浸泡于库水中,且由于库水位的周期性变化而受到周期性变化的渗透压作用;在防洪限制水位以上及正常蓄水位之间“消落带”内的岩石,由于库水位的周期性变化而处在“湿干”交替作用的环境中。本文以侏罗系聂家山组红砂岩为研究对象,根据岸坡“消落区”和防洪限制水位以下区域岩体受库水作用的特点,通过自主研发模拟库水位变化环境的岩石渗透仪器,分别开展红砂岩在周期性变化渗透压和“湿干”交替作用环境条件下的渗透试验,辅以超声波测试和扫描电镜(SEM)测试,研究水库岸坡红砂岩在水库运行期的渗透特性变化规律。本文主要的研究成果概括如下:
　　1)针对岸坡防洪限制水位以下区域岩石在库水周期性变化过程中受周期性渗透压作用的特点,对红砂岩试样在周期性变化渗透压(0.1MPa-0.9MPa-0.1MPa)作用下进行连续渗透试验。试验结果表明:在0.1MPa-0.9MPa-0.1MPa连续周期性渗透压作用下,红砂岩试样的渗水量、渗透速度以及渗透系数均呈现出先逐渐减小后趋于平稳的特点。
　　2)经历连续渗透试验的试样在每个渗透周期结束后,都会有岩石碎屑随水渗出,经干燥处理后称量其碎屑的质量。结果表明,碎屑的质量随着连续渗透周期次数的增加是减少的,在经历四次连续渗透过程之后,碎屑的质量已经很小且变化不大。这可以在一定层面上解释连续渗透之后,红砂岩渗水量、渗透速度以及渗透系数的变化出现先减小再稳定的规律。
　　3)针对岸坡“消落区”岩石在库水周期性变化过程中浸湿与干燥交替出现的特点,使红砂岩试样经历“湿干循环”(“湿”的过程在0.3MPa稳定渗透压条件下进行)过程。试验结果表明,经历该过程的红砂岩试样的渗水量、渗透速度以及渗透系数都是先减小再逐渐趋于稳定。但与经历0.1MPa-0.9MPa-0.1MPa周期性渗透过程后的红砂岩相比,其渗水量、渗透速度以及渗透系数减小的幅度要小。
　　4)对经历连续渗透的红砂岩和经历“湿干循环”(“湿”的过程在0.3MPa稳定渗透压条件下进行)过程的红砂岩在每一个试验周期结束后进行波速测试与电镜扫描测试。测试结果表明,与连续渗透过程相比,“湿干循环”过程在第一个周期过后对红砂岩波速的影响要小,在八个周期结束后,其波速相对于第一次减小后的量有所回升,但电镜的结果显示,在经历连续渗透过程之后,其表面颗粒形态的变化更明显,泥化发展的速度也更快。
　　5)对经历连续周期性渗透试验后试样在稳定渗透状态下的过程进行研究,获得了红砂岩试样在不同渗透压力下的渗透速度,在此基础上,可以实现通过增大岩石试样的渗透压力而达到在相同渗水量的前提下缩短渗透试验时间的目的。
　　6)使红砂岩试样经历“湿干循环”(“湿”的过程在0.4MPa-0.8MPa-0.4MPa变化渗透压条件下进行)过程,并在每次“湿干循环”过程结束后对红砂岩试样进行波速测试和电镜扫描测试。结果表明,红砂岩试样的渗水量、渗透速度以及渗透系数在八次“湿干循环”过程中一直是减小的;与经历“湿”的过程在0.3MPa稳定渗透压条件下进行的“湿干循环”过程后的波速测试结果相比,试样的波速逐渐减小,减小的幅度也更大,电镜扫描的结果显示表面颗粒的泥化也出现的更早,泥化的程度更明显。
　　7)红砂岩试样在经历不同渗透过程之后的试验结果表明,防洪限制水位以下区域的红砂岩和“消落带”的红砂岩渗透特性变化规律是不同的。在“湿干循环”过程中,“湿”的过程采用稳定的压力和变化的压力对红砂岩的渗透特性的影响也是不同的。在进行水库岸坡砂岩的渗透特性研究时,需要考虑不同的取样位置和岩石所经历的库水作用的特点。

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引言

1 绪论

1.1 选题依据及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 有待于进一步研究的问题

1.4 本文的研究内容和技术思路

2 模拟库水变化环境的岩石试验仪器的研制

2.1 水库运行期间库岸水力环境特征研究

2.2 库水周期性变化环境模拟仪器的研制

3 岸坡防洪限制水位以下红砂岩渗透特性研究

3.1 试验前准备

3.2 试验仪器

3.3 试验方案

3.4 试验步骤

3.5 渗透试验结果及分析

3.6 波速测试结果及分析

3.7 电镜扫描结果及分析

3.8 小结

4 岸坡“消落区”红砂岩渗透特性研究

4.1 试验前准备

4.2 试验仪器

4.3 试验方案

4.4 试验步骤

4.5 渗透试验及结果分析

4.6 波速测试结果及分析

4.7 电镜扫描结果及分析

4.8 小结

5 渗透压力与渗透时间的关系探讨

6 变压力渗透过程试验研究

6.1 试验方案

6.2 试验步骤

6.3 试验结果及分析

6.4 波速测试结果及分析

6.5 电镜扫描结果及分析

6.6 小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的学术论文与参与的项目