譚文輝，董鋒鑫，馬學文，王鵬飛

(北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

1 研究背景

突水是礦山開采中常見的動力災害，據(jù)統(tǒng)計，60%礦井事故與地下水作用有關(guān)[1]。深部金屬礦山中，巖體多為硬巖，質(zhì)量較好，斷層型突水占首位[2]。斷層帶巖體松散，完整性較差，絕大多數(shù)斷層裂隙帶內(nèi)均發(fā)育有連續(xù)且厚度不一的角礫和斷層泥混合物，斷層帶的滲流特性基本上取決于這些土石混合體的滲流特性。研究斷層帶土石混合體的滲流特性對進一步完善土石混合體力學理論體系和防治斷層區(qū)工程突水等地質(zhì)災害具有重要意義。

對土石混合體強度和滲流特性的研究，目前主要集中在結(jié)構(gòu)要素(含石量、塊石形狀、孔隙結(jié)構(gòu)、級配等)的影響方面，如金磊等[3-4]、董輝等[5]、周中等[6]、Janssen等[7]、Ring等[8]和羅亦琦[9]研究了礫石含量、孔隙比、顆粒形狀和不同級配對土石混合體滲透系數(shù)和強度的影響。邱賢德等[10]結(jié)合堆石體顆粒的概率統(tǒng)計分布模型，建立了堆石體顆粒含量與滲透系數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系式。徐揚等[11]建立了土石混合體顆粒平均粒徑、非均勻度與滲透系數(shù)的關(guān)系。李晶晶等[12]構(gòu)建了土石混合體的孔隙結(jié)構(gòu)模型，引入格子Boltzmann方法分析土石混合體的滲流特性。

此外，在土石混合體的滲流變形破壞特征方面，徐文杰等[13]研究了土石混合體的細觀滲流場特征、滲透破壞機制及宏觀滲透系數(shù)與細觀結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系。沈輝等[14]采用室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了塊石含量對土石混合體滲透侵蝕特性的影響，建立了適用于土石混合體的滲流侵蝕模型。胡瑞林等[15]系統(tǒng)闡明了含石量、塊石形狀、基質(zhì)組分、土-石級配等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因子對土石混合體強度、變形、滲透特性的影響規(guī)律。

上述研究對象主要為土石壩、庫岸邊坡等地面工程中的土石混合體，針對地下斷層破碎帶土石混合體滲流特性的研究卻鮮有報道。

由構(gòu)造作用形成的斷層破碎帶土石混合體具有較高的滲透性，是地下水害的主要通道，因此，本文擬開展斷層破碎帶土石混合體滲流特性研究。課題組王鵬飛等[16]研究了不施加軸壓，只考慮圍壓和滲壓情況下，不同含石率土石混合體試樣滲透系數(shù)的變化規(guī)律，本文擬在其基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場取樣、實驗室重塑的方法，重點研究三軸壓力作用下，土石混合體的滲透特性，并采用數(shù)值模擬方法從細觀上研究不同含石率土石混合體試樣的滲流特性和破壞規(guī)律，為礦山突水防治提供參考。

2 土石混合體滲流特性試驗研究

2.1 試驗材料及試樣制備

試驗所用土石混合體取自三山島金礦西山分礦高程-780 m水平段北巷F3斷層帶處，勘探線樁號1820—樁號1840之間，礫石巖性為花崗巖，形狀較規(guī)則，級配良好，天然含水率約 9.5%。斷層破碎帶土石混合體充填物的主要成分為具有較強膠結(jié)性的絹云母和石英等硅酸鹽礦物質(zhì)，同時還含有少量的高嶺石和伊蒙石混層。

土石混合體重塑試樣高100 mm、直徑50 mm。根據(jù)Medley[17]、徐文杰等[18]提出的土石混合體的粒徑閾值d=0.05Lc(Lc為土石混合體的工程特征尺度)并參考美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)標準[19]，確定塊石的粒徑范圍為2.5～8.3 mm，<2.5 mm的為土體。

土石混合體的含石率為塊石質(zhì)量與試樣總質(zhì)量的比值，當含石率在20%～70%之間時，由于塊石含量和土樣含量相對均衡，此時塊石含量對土石混合體試樣的滲透特性的影響較明顯，因此選取含石率分別為20%、30%、40%、50%、60%和70%的6種土石混合體試樣，進行不同含石率下斷層帶土石混合體的滲流特性研究。表1為各含石率土石混合體的粒徑分布特征指標。由表1可以看出，含石率為20%的試樣均勻性相對較好，其余含石率土石混合體試樣均勻性較差。

表1 不同含石率土石混合體粒徑分布特征指標

為了盡量減少孔隙率與密實度對滲流特性的影響，采用將不同含石率土石混合體試樣中的土體調(diào)整成統(tǒng)一密度的方法制作試樣[16]，根據(jù)不同含石率土石混合體中土體的擊實曲線確定土體密度定為1.82 g/cm3，通過擊實次數(shù)控制不同含石率試樣中土體的密度。制備試樣前，先將模具內(nèi)部擦拭干凈，并涂抹凡士林，按照要進行試驗的6種含石率把篩分好的土、石混合拌勻，并加入一定量的水增強其膠結(jié)性。將混合好的試樣分3層放入模具中，每一層都均勻擊實，且擊實后對擊實面進行刨毛處理。將完成的試件放置到養(yǎng)護箱中24 h后拆模，并繼續(xù)養(yǎng)護28 d以提高其自由水轉(zhuǎn)化率。制作完成的土石混合體試樣如圖1所示。本次試驗所制得土石混合體試樣與斷層帶土石混合體具有相同的結(jié)構(gòu)成分，但試樣尺寸較小且經(jīng)過壓實處理，密實度較大。

2.2 三軸應力狀態(tài)下的土石混合體滲流試驗

礦井深部斷層帶處的土石混合體由于受到地質(zhì)構(gòu)造運動以及水壓的作用，一般處于比較密實穩(wěn)定的狀態(tài)；但受巷道開挖、爆破擾動等因素的干擾，特別是當巷道穿過斷層帶時，打破了斷層帶土石混合體之前所處的平衡狀態(tài)，導致斷層帶土石混合體處于應力釋放狀態(tài)。在進行室內(nèi)試驗時，為了更好地契合現(xiàn)場的實際情況，保證試驗時土石混合體試樣外壁與乳膠套之間不漏水，選取0.10、0.14、0.18 MPa三種圍壓，研究三軸壓力狀態(tài)下土石混合體的應力、應變及滲透系數(shù)的變化情況。

土石混合體滲透試驗采用穩(wěn)態(tài)法[20]，應用GDS三軸試驗系統(tǒng)進行，將制備好的試樣裝樣完畢后，先對試樣施加 0.02 MPa的低水壓，直到試樣飽和。試驗時，滲流水頭差保持0.08 MPa不變，即進水口壓力設為0.08 MPa，出口通大氣，待水壓穩(wěn)定，試樣內(nèi)部達到穩(wěn)定滲流后正式開始試驗。以應力控制方式逐步對土石混合體試樣施加軸向荷載，記錄每級軸壓下的滲流量并計算滲透系數(shù)。為保證試驗結(jié)果的精確性，土石混合體的應變控制在12%以內(nèi)。

根據(jù)達西定律，土石混合體試樣滲透系數(shù)k的計算公式為

(1)

式中：γw為水的重度(kN/m3)；Q為單位時間通過試樣的水量(m3/s)；L為試樣高度(m)；A為試樣截面積(m2)；Δh為試樣兩端水壓差(MPa)。

2.2.1 不同圍壓下土石混合體試樣應力-應變與滲透系數(shù)-應變的變化規(guī)律

圖2是不同圍壓下土石混合體試樣應力-應變-滲透系數(shù)的變化情況，由圖2可以看出：

(1)隨著圍壓和含石率的提高，土石混合體試樣的強度均呈現(xiàn)增大的趨勢。

(2)不同含石率條件下，試樣滲透系數(shù)均隨圍壓的增大而減小，同時，隨著變形的增大，滲透系數(shù)總體上也逐漸減小。當含石率在20%～40%時，隨著應變的增加，滲透系數(shù)的變化曲線是單調(diào)的，而含石率>50%時，滲透系數(shù)出現(xiàn)了一定的波動。造成這種現(xiàn)象的原因是當含石率較高時，塊石在試樣中占據(jù)主導地位，在壓縮過程中塊石容易發(fā)生位移，易出現(xiàn)短暫的較大孔隙，導致滲透系數(shù)發(fā)生突變。

(3)隨著壓力的增加，不同含石率試樣的滲透系數(shù)變化范圍并不大，沒有數(shù)量級的變化，這是由于為了盡量減少孔隙率與密實度對滲流特性的影響，試驗前土石混合體試樣經(jīng)過擊實壓密處理，試樣內(nèi)部大部分孔隙被壓縮，使壓力變化對滲透系數(shù)的影響有所減小。

土石混合體試樣在無軸向壓力[16]和三軸應力狀態(tài)下的滲透性存在一定的聯(lián)系和區(qū)別。在同一含石率下，兩種應力狀態(tài)下土石混合體試樣的滲透性都是隨著圍壓的升高而降低；含石率的高低對試樣的滲透性具有較大的影響，40%含石率在兩種應力狀態(tài)下都相對特殊。區(qū)別在于無軸向壓力時，試樣的滲透系數(shù)變化曲線是比較光滑的；三軸應力狀態(tài)下，當含石率在50%～79%之間時，滲透系數(shù)變化曲線出現(xiàn)一定的波動。

2.2.2 土石混合體試樣滲透系數(shù)與軸壓函數(shù)關(guān)系

在三軸應力狀態(tài)下，除了圍壓對土石混合體試樣滲透性的影響外，軸向壓力的變化同樣是影響試樣滲透系數(shù)變化的重要因素。土石混合體試樣滲透系數(shù)與軸壓的關(guān)系可通過非線性擬合，其指數(shù)函數(shù)關(guān)系式為

k=k0exp(-aσ) 。

(2)

式中：k為土石混合體試樣的滲透系數(shù)(cm/s)；k0為初始滲透系數(shù)(cm/s)；a為擬合參數(shù)；σ為軸壓(MPa)。

不同圍壓下，不同含石率土石混合體試樣的滲透系數(shù)與軸壓關(guān)系擬合曲線及擬合結(jié)果分別如圖3和表2所示。曲線整體擬合效果較好，擬合度均在90%之上。其中含石率為20%、40%時的擬合效果最好，在三種圍壓條件下擬合度均在95%之上；含石率為70%時的擬合效果稍差，但擬合度也在90%以上。式(2)較好地描述了土石混合體試樣滲透系數(shù)與軸壓的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。由圖3可以看出，隨軸壓的增大，不同含石率下的試樣滲透系數(shù)均有所下降。同一應力狀態(tài)下，隨著含石率的增加，試驗滲透系數(shù)先減小后增大，含石率40%時達到最低，之后迅速升高，且隨軸壓增大，不同含石率試樣的滲透系數(shù)差距逐漸減小，這與先前未施加軸壓下的滲流試驗結(jié)果[16]一致。由表2也可以看出，圍壓越大，初始滲透系數(shù)越小，這是因為試樣在圍壓作用下密實度較高，空隙率低。

表2 土石混合體試樣滲透系數(shù)與軸壓指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果

2.2.3 滲透系數(shù)對含石率變化的敏感性分析

將土石混合體滲透系數(shù)對含石率變化的敏感系數(shù)ck定義為[16]

(3)

式中：Δk為土石混合體試樣的滲透系數(shù)差值(cm/s)；k20為含石率為20%時的滲透系數(shù)(cm/s)；ΔRc為不同含石率與20%的差值。

圖4反映出3種圍壓下土石混合體滲透系數(shù)對含石率變化的敏感性。 由圖4可以看出：含石率較小時，土石混合體試樣滲透系數(shù)對含石率變化的敏感系數(shù)較小，且以負向敏感為主，敏感系數(shù)<0，隨著含石率的升高，敏感系數(shù)逐漸由負向敏感變?yōu)檎蛎舾?。在含石率?0%時，敏感系數(shù)接近-2，說明滲透系數(shù)變化較大；含石率>40%后，試樣中塊石逐漸處于主導地位，含石率的微小變化就可能引起試樣孔隙度的巨大改變，因此試樣滲透系數(shù)對含石率的敏感度不斷增大，到60%時達到峰值，敏感系數(shù)>3，而且圍壓越大，敏感系數(shù)越大；含石率>60%后，塊石處于土石混合體試樣中的主導地位，其含量變化對試樣孔隙度的影響已十分有限，敏感系數(shù)又開始降低?？傮w而言，敏感系數(shù)的絕對值越大越敏感，含石率40%和60%分別是曲線上負向和正向的最敏感點。

3 土石混合體滲流特性數(shù)值模擬

為了研究土石混合體在水壓作用下內(nèi)部水滲流以及破壞演化情況，采用巖石破裂過程分析(Rock Failure Process Analysis，RFPA)軟件進行模擬研究。RFPA 數(shù)值模擬軟件可以模擬裂紋的萌生、擴展等巖體破壞過程，其中的RFPA2D-Flow 固液耦合模塊可以較好地模擬巖石、土體等固體材料的滲流破壞過程問題[21-22]。

3.1 模型的建立

建立如圖5所示的3種含石率試件的二維平面模型，模型高100 mm，寬50 mm，考慮塊體的最小值與最大值，取5 mm為模型中石塊直徑，隨機分布。模型中土和巖石的各項參數(shù)見表3。模擬分析過程中，取側(cè)壓為實驗中的中間值0.14 MPa，對模型施加0.1 MPa下進水口水壓和0.02 MPa上出水口水壓，加載過程采用位移控制，位移增量ΔS=0.03 mm，即每步0.03 mm，加載步數(shù)設置為80步，模型中的塊石滲透系數(shù)極低，可以看成幾乎不滲水。

表3 土和巖石的物理力學參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 孔隙水壓力條件下含石率對土石混合體強度的影響

圖6是孔隙水壓作用下，土石混合體強度的變化曲線。由圖6可見，在孔隙水壓力條件下，整個應力應變過程可分為：線彈性階段、非線性變形階段及軟化階段。 20%、40%、70%含石率模型的峰值強度分別為1.14、1.22和1.47 MPa，可見含石率越大，試樣的強度越大。

不同含石率下的土石混合體數(shù)值模型到達峰值強度的加載步數(shù)也是不一樣的，20%、40%及70%含石率試樣到達峰值強度的加載步數(shù)分別為35、30、22，這是因為土樣的含量較高時，試樣可被壓縮的空間較大，需要的加載步數(shù)相對多一些，而當塊石的含量較高時，試樣被壓縮的空間減小，試樣到達峰值強度的加載步數(shù)要少。當含石率較低時，試樣模型的應力變化曲線較為光滑，而隨著含石率的增加，模型在非線性變形階段以及軟化階段時應力曲線有一定的起伏。

3.2.2 土石混合體破裂過程中滲透系數(shù)的變化

為了研究土石混合體試樣破裂特性，將試樣加載過程中的滲透系數(shù)、軸向應力及聲發(fā)射情況繪制在同一個坐標圖中，如圖7所示。由圖7可見：

(1) 在初始階段，隨著時步增加，土石混合體試樣逐漸密實，滲透系數(shù)逐漸減小。繼續(xù)加載，試樣的密實度進一步增加，滲透系數(shù)變化趨勢減緩。當土石混合體試樣的強度達到峰值時，試樣被壓縮到最密實狀態(tài)，含石率20%、40%和70%所對應的滲透系數(shù)分別為0.002 8、0.002 2、0.003 4 m/d。上述3種試樣中，含石率40%的試樣滲透系數(shù)最低，含石率70%試樣的滲透系數(shù)最高，這與試驗結(jié)果一致。當繼續(xù)加載到試樣發(fā)生破壞時，試樣出現(xiàn)了貫通裂紋，由于圍壓的作用，此階段試樣滲透系數(shù)的增加比較緩慢。

(2) 當試樣達到峰值強度時，聲發(fā)射數(shù)最高，含石率20%、40%和70%所對應的峰值強度聲發(fā)射數(shù)分別為742、464和193?？梢姡试礁?，到達峰值強度時的聲發(fā)射數(shù)越低。土石混合體試樣的破壞與聲發(fā)射能量變化具有對應關(guān)系，而且隨著含石率的升高，試樣破壞失穩(wěn)時的聲發(fā)射次數(shù)也越低。滲透系數(shù)的突變發(fā)生在試樣破裂之后，二者之間具有一定的時間差。

3.2.3 不同含石率下土石混合體的破裂模式

圖8顯示了不同含石率試件在加載過程中3個時間點的裂紋出現(xiàn)與聲發(fā)射情況。從圖中可以看出：

(1)試樣在線彈性階段均未出現(xiàn)裂紋，當含石率為20%，加載到35時步，模型到達破裂臨界點，但裂紋變化并不明顯，當繼續(xù)加載到70時步，可以看到有一條較為明顯的裂紋沿著塊石排列較為集中的方向展開。

(2)當含石率為40%，加載到第30時步，模型到達破裂臨界點，已經(jīng)可以看出有多條細微的裂紋；繼續(xù)加載到第70時步，清晰可見多條裂紋，其中最為明顯的裂紋出現(xiàn)在模型中間塊石分布較為松散處。

(3)當含石率為70%，加載到第22時步，模型到達破裂臨界點，沿著塊石之間的縫隙出現(xiàn)了多條裂紋；繼續(xù)加載到第70時步，試樣出現(xiàn)了非常明顯的破壞。

從土石混合體試樣各階段的聲發(fā)射情況也可以直觀地看出試樣在加載過程中的破裂情況。含石率為20%時，試樣的聲發(fā)射能量區(qū)主要是在塊石集中的邊緣區(qū)；當含石率為40%和70%時，聲發(fā)射能量區(qū)主要集中在塊石與塊石之間的填充土樣區(qū)，聲發(fā)射能量集中的區(qū)域正是試樣出現(xiàn)裂紋的區(qū)域。

4 結(jié) 論

土石混合體是斷層破碎帶的重要組成部分，為研究其滲流特性，本文采用現(xiàn)場取樣、實驗室重塑的方法開展了不同含石率的土石混合體GDS三軸滲流試驗，并利用RFPA模擬分析了不同含石率下的土石混合體滲流特性和破壞演化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)對含石率為20%、30%、40%、50%、60%、70%的土石混合體重塑試樣的GDS三軸滲流試驗發(fā)現(xiàn)，40%含石率是試樣滲透系數(shù)變化曲線的轉(zhuǎn)折點；同種含石率下圍壓和軸壓的增加都會引起試樣滲透系數(shù)的下降；滲透系數(shù)與軸壓間的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)描述。

(2)采用RFPA軟件對20%、40%、70%含石率的土石混合體模型進行了滲流的數(shù)值模擬試驗。分析得出，在孔隙水壓力一定情況下，含石率越高，土石混合體強度也越高；加載過程中土石混合體的裂紋集中出現(xiàn)在塊石與塊石之間的填充土樣處；滲透系數(shù)的突變點與試樣峰值破壞強度點及聲發(fā)射次數(shù)最高點一致。

(3)由于數(shù)值分析模型采用二維平面應力模型，對模型施加側(cè)壓，軸向加載試驗時可以加載到破壞，因此可以看到滲透系數(shù)出現(xiàn)突變，而GDS試驗是在三維應力狀態(tài)下，對土石混合體試樣施加圍壓，且設定應變不超過12%，所以兩種情況下的試驗結(jié)果不是定量對應的，但是兩種方法得出的滲流規(guī)律較為吻合。

(4)由于本文采用的是重塑試樣，其結(jié)構(gòu)與自然狀態(tài)有所改變，因此研究成果與斷層帶土石混合體實際滲流情況會有一定的差別。但是含石率對土石混合體的滲透系數(shù)、滲流路徑、滲流破壞的影響仍然可以為實際工程提供參考。