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花岗岩高温酸性环境水-岩作用特征及岩体劣化机制

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花岗岩高温酸性环境水-岩作用特征及岩体劣化机制

作者：张文达西南交通大学

学位级别：硕士

我国西南地区地下水环境复杂,温泉分布较为广泛且局部发育酸性温泉。深埋岩石因受到不同于地表地质环境的温度场—化学场耦合作用,水—岩作用过程变得更为复杂,对深埋岩石的物理力学性质产生显著影响。随着人类科技范围的扩大,地下矿床... 详细信息

我国西南地区地下水环境复杂,温泉分布较为广泛且局部发育酸性温泉。深埋岩石因受到不同于地表地质环境的温度场—化学场耦合作用,水—岩作用过程变得更为复杂,对深埋岩石的物理力学性质产生显著影响。随着人类科技范围的扩大,地下矿床的开采,深部岩体的开挖,均会遇到一系列由岩体高温酸性环境下水—岩作用引起的岩体强度劣化问题。因此,本项研究对深部花岗岩高温酸性环境水—岩化学作用下岩体工程特性演化机理研究具有一定的理论意义。本文以西藏贡觉盆地内的花岗岩为研究对象,分析了花岗岩中的矿物成分及结构特征;通过开展温度场—化学场耦合作用下花岗岩高温酸性环境水—岩作用过程模拟实验,得到了花岗岩与酸性热水反应过程中水质变化、矿物微观结构变化特征;采用常规三轴抗压强度实验讨论高温酸蚀作用后花岗岩力学强度劣化机制;最后运用水化学模拟软件PHREEQC对不同条件下花岗岩高温水—岩作用过程中主要硅酸盐矿物的饱和指数和溶解量进行计算分析,得到如下结论:1.对花岗岩岩体进行岩石薄片鉴定和XRD衍射分析,主要矿物成分为钾长石（39.5%）、斜长石（26.4%）、石英（13.4%）、粘土矿物（7.6%）、菱铁矿（1.7%）,以及后期形成的一小部分方解石（5.3%）和白云石（6.1%）。2.通过开展花岗岩高温酸性环境水—岩作用过程模拟实验结果分析表明:花岗岩高温酸蚀作用过程受溶液p H值和反应温度影响较大,主要是硅酸盐矿物如钙长石、钠长石、钾长石的溶蚀,并反应生成高岭石和伊利石。矿物颗粒棱角消失,颗粒边缘磨圆度高呈港湾状,颗粒表面孔隙和微裂隙增多,整体结构变得松散。参与反应的水溶液p H值越低,越有利于三种长石的溶蚀和碳酸盐矿物的分解。通过热力学分析计算长石在同等酸性条件下,温度升高促进钠长石和钾长石的溶蚀,抑制钙长石溶蚀。3.通过对不同反应条件下高温水—岩作用后的花岗岩试样进行围压20MPa的常规三轴抗压强度实验,由结果可知:随着反应水溶液p H值降低和反应温度的升高,加剧了对矿物的溶蚀作用,促进微溶矿物的溶解,使得矿物表面裂隙增多,孔隙度变大,导致花岗岩弹性模量、峰值抗压强度下降。弹性模量最大下降约13.5%,峰值抗压强度最大下降约15.4%,力学强度劣化特征显著。4.运用PHREEQC模拟软件,对花岗岩高温水—岩反应过程中主要硅酸盐矿物的饱和指数以及溶解量进行计算,研究结果表明:花岗岩与蒸馏水60℃高温水—岩作用12小时,各类型长石和粘土矿物的饱和指数均为负值,钙长石的饱和指数大于钠长石和钾长石,溶解度相对较小,水溶液呈碱性;相同温度下,水溶液酸性越强长石的饱和指数越小,越有利于长石矿物的溶蚀。石英的饱和指数越大,不利于石英的溶蚀。p H＜5的酸性溶液中,三种长石的稳定性排序为钙长石＜钠长石＜钾长石;相同p H值下反应温度越高,钙长石的溶解量越小,钠长石和钾长石的溶解量越大。与室内开展的温度场—化学场耦合作用下花岗岩高温酸性环境水—岩作用过程模拟实验结果相吻合。

关键词：温度场—化学场耦合水—岩作用强度劣化 PHREEQC模拟

裂隙岩体在水—岩作用下的损伤机理分析及其加固机理研究

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裂隙岩体在水—岩作用下的损伤机理分析及其加固机理研究

作者：韩松峰山东科技大学

学位级别：硕士

随着我国经济的高速发展,国民经济对能源的需求越来越大,我国的矿井建设又掀起一轮新的高潮,因而深井巷道的裂隙岩体在水—岩作用下的损伤问题凸显更加严重,制约工程实践的发展,并对工程建设形成了严重的安全危害。本文在前人相关研究... 详细信息

随着我国经济的高速发展,国民经济对能源的需求越来越大,我国的矿井建设又掀起一轮新的高潮,因而深井巷道的裂隙岩体在水—岩作用下的损伤问题凸显更加严重,制约工程实践的发展,并对工程建设形成了严重的安全危害。本文在前人相关研究成果的基础上,从物理、化学和力学方面阐述了水—岩作用对裂隙岩体的损伤效应,并考虑介质场、应力场、化学场和温度场等多场耦合效应,动态的演化及逐渐变异和协调的过程。以渗流力学,损伤力学力学为理论依据,在Oda连续介质渗流模型的基础上,综合考虑裂隙岩体的损伤破坏,得出了裂隙岩体的应力—应变—损伤耦合方程。并应用断裂力学分析锚杆加固裂隙尖端裂纹的强度因子,且在分析裂隙岩体锚注加固力学特征的基础上,运用连续介质的弹塑性理论,借鉴前人的研究经验,同时考虑锚杆和注浆因素对节理面力学特性的影响,推导锚注节理的强度公式和锚注节理切向的本构方程。同时分析了深埋巷道衬砌水荷载作用机理,对在未注浆和注浆条件下的应力、应变和位移计算进行比较,得出在水压力作用下的深埋巷道,在允许开挖后一定变形的情况下采取有效的锚注支护后,注浆范围和注浆质量对裂隙围岩的应力应变的影响。最后采用岩土工程常用的FLAC-3D数值模拟软件,对裂隙岩体的锚注加固机理进行分析,研究锚注支护对裂隙岩体稳定性的影响效果。

关键词：水—岩作用裂隙岩体耦合分析锚注支护力学模型数值模拟

水—岩作用下裂隙岩体力学性质及应力场—渗流场耦合作用分析

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水—岩作用下裂隙岩体力学性质及应力场—渗流场耦合作用分析

作者：陈瑜中南大学

学位级别：硕士

水—岩作用是当今岩石力学界领域关注的前沿方向,它的存在和改变会引发岩土工程发生灾害性破坏。针对存在裂隙的岩体,当中的水存在的压力导致岩体逐渐失稳破坏。水—岩作用会改变岩石的物理性态与微观结构,削弱矿物颗粒间的联系,使受力... 详细信息

水—岩作用是当今岩石力学界领域关注的前沿方向,它的存在和改变会引发岩土工程发生灾害性破坏。针对存在裂隙的岩体,当中的水存在的压力导致岩体逐渐失稳破坏。水—岩作用会改变岩石的物理性态与微观结构,削弱矿物颗粒间的联系,使受力岩体的变形加大、强度降低。水—岩作用最终会导致岩石微观成分的改变及原有微观结构的破坏,进而改变岩石的力学性质。工程岩体在这些因素所构成的动态平衡体系中的变形、破坏和稳定性是诸多工程学科需面临的共同问题。水—岩作用的作用机理十分复杂,这一课题的研究具有普遍的理论意义与更接近实际的应用价值。本文所研究的课题是依托与国家自然科学基金资助项目（50774093：水岩作用下裂隙岩体流变—损伤—断裂耦合理论及应用）以及中南大学研究生学位论文创新资助项目（2009ssxt299：岩石亚临界裂纹扩展与结构弱化过程控制）,开展水—岩作用下裂隙岩体力学性质及渗流场与应力场耦合研究。主要工作如下： 1、测试了水—岩作用下岩石室内常规力学的相关性质。岩石的膨胀变形随着吸水时间的延长呈增长趋势,到后期则向一稳定值逼近;岩块强度弱化明显,ηc＜0.75;岩石材料性质中的破坏荷载、剪应力、正应力参数值和粘结力c值在水—岩作用后均呈减小趋势,内摩擦角φ的变化规律不明显。 2、利用具有世界先进技术的Talysurf CLI 2000三维表面激光形貌测试仪,以0.5μm的高分辨率对水—岩作用前后的五种不同岩性的试件进行形貌扫描。水—岩作用后岩石表面高度平均偏离基准面的程度和高度离散性变大,高度分布概率更集中,粗糙程度增大,在膨胀发生的同时,也伴随溶解、水解和碳酸化作用等的化学反应。岩性在其中起着关键的主导作用,二辉橄榄岩＞混合岩＞含辉岩＞斜长角闪岩＞大理岩。 3、在INSTRON 1342电液伺服材料上采用双扭常位移松弛法对五种典型岩石进行水—岩作用前后岩石亚临界裂纹扩展和断裂韧度测试,确定了水岩化学腐蚀对岩石亚临界裂纹扩展及断裂韧度的影响,试验表明：在同一应力水平上,水—岩作用能加速亚临界裂纹扩展;水化学腐蚀后岩石的断裂韧度均小于其在空气中的断裂韧度。其中,水—岩作用对大理岩及斜长角闪岩断裂韧度的影响最大,斜长角闪岩在水化作用后其断裂韧度较空气中的减小了39.46%,大理岩减小了27.19%。 4、利用MIDAS/GTS软件的流固耦合渗流分析功能,分别计算无渗流效应与有渗流效应存在时两种状态下巷道在开挖过程中围岩稳定性。在考虑渗流效应时,巷道开挖后巷道周围的孔隙水压力随开挖面的水头压力减小而下降,下降区间数值呈现带状。开挖后竖直方向的应力值要下降30%左右,水平X方向的位移量变化不大,竖直Z方向的位移量则有较大差值,巷道开挖后围岩有使其径向收敛的效果。

关键词：水—岩作用裂隙岩体渗流场—应力场耦合有限元

饱和指数在水—岩作用研究中的应用及其灵敏度分析

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水资源与水工程学报 2012年第6期23卷 180-183页

作者：唐辉陈洁钱会长安大学环境科学与工程学院陕西西安710054

根据饱和指数(SI)值可以判断和确定水与岩石、矿物之间处于何种反应状态。文章根据某水源地的水质分析资料计算了几种主要矿物的饱和指数值,并采用相对灵敏度系数对饱和指数的灵敏度作了初步分析,采用最小二乘法建立了灵敏度函数。结果... 详细信息

根据饱和指数(SI)值可以判断和确定水与岩石、矿物之间处于何种反应状态。文章根据某水源地的水质分析资料计算了几种主要矿物的饱和指数值,并采用相对灵敏度系数对饱和指数的灵敏度作了初步分析,采用最小二乘法建立了灵敏度函数。结果表明:SI对pH值波动的"反应"最为灵敏。

关键词：水—岩作用饱和指数相对灵敏度系数灵敏度分析不确定性

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高压渗流作用下砂岩剪切力学特性研究

金属矿山 2023年第9期 29-36页

作者：胡斌丁静李京崔凯马利遥汤琦武汉科技大学资源与环境工程学院湖北武汉430081 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室湖北武汉430081

水—岩相互作用机制是边坡长期稳定性研究中的关键问题。针对目前水—岩作用研究中试验设计和研究对象与工程实际存在差异,导致边坡岩体渗流损伤机制不明晰的问题,利用自主研发的岩石剪切—渗流耦合试验装置,开展了高压渗流条件下的饱... 详细信息

水—岩相互作用机制是边坡长期稳定性研究中的关键问题。针对目前水—岩作用研究中试验设计和研究对象与工程实际存在差异,导致边坡岩体渗流损伤机制不明晰的问题,利用自主研发的岩石剪切—渗流耦合试验装置,开展了高压渗流条件下的饱水砂岩剪切试验,分析了渗透水压对砂岩抗剪切强度、剪断面破坏程度以及法向应力—变形影响规律。结果表明:渗透水压对砂岩力学性质具有劣化作用,渗透水压力越大,饱水状态下砂岩抗剪强度、峰值法向变形与峰值剪切变形越小;当砂岩剪应力达到屈服点后,剪应力受裂纹贯通影响,会产生不同程度的剪应力降;在屈服破坏阶段,砂岩法向变形与法向应力变化在时间点上存在对应关系,两者变化规律反映了砂岩内部裂纹在该阶段的扩展情况;在剪切过程中,次级裂纹呈对称出现,随着渗透水压力增大次级裂纹逐渐减少甚至消失,剪断面趋于平整。研究成果可为连续强降雨作用下高陡边坡长期稳定性研究奠定基础。

关键词：水—岩作用压剪试验渗透水压矿山高陡边坡抗剪强度

山东省菏泽凸起地热田岩溶地热水水化学水平演化特征

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中国岩溶 2021年第2期40卷 310-318页

作者：史启朋宋帅良孟甲郑慧铭山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队) 山东济宁272100 山东省地热清洁能源勘查开发工程研究中心山东济宁272100

在前人研究成果的基础上,选择A-A'和B-B'两条路径,采用Piper三线图解、Schoeller图解、Na-K-Mg平衡图解、饱和指数计算评价等方法,研究山东菏泽凸起地热田地热水沿路径上的循环演化特征。结果表明:沿A-A'、B-B'剖面岩溶冷水→岩溶热水,... 详细信息

在前人研究成果的基础上,选择A-A'和B-B'两条路径,采用Piper三线图解、Schoeller图解、Na-K-Mg平衡图解、饱和指数计算评价等方法,研究山东菏泽凸起地热田地热水沿路径上的循环演化特征。结果表明:沿A-A'、B-B'剖面岩溶冷水→岩溶热水,水化学类型由SO_(4)·HCO_(3)-Ca·Mg·Na或SO_(4)·HCO_(3)-Ca·Mg向SO_(4)-Ca·Na或SO_(4)-Ca演化,矿化度逐渐增大,HCO_(3)^(-)浓度逐渐减少,SO_(4)^(2-)、Ca^(2+)、K^(+)浓度逐渐增大,反映出岩溶冷水向岩溶热水演化的补给特征;水化学三线图上岩溶冷水、热水处在不同的区域,显示岩溶冷水向岩溶热水演化补给;距补给区由近到远,水岩作用程度逐步提高,饱和指数逐渐增大,岩溶地热水溶滤作用增强。

关键词：菏泽凸起地热田岩溶地热水水—岩作用水化学特征

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峰峰矿区东部地下水水文地球化学模拟

煤田地质与勘探 2016年第6期44卷 101-105页

作者：郭钰颖吕智超王广才马栾许庆宇黄旭娟高树志中国地质大学(北京)水资源与环境学院北京100083 北京中色资源环境工程股份有限公司北京100012

应用离子比例系数法分析了峰峰矿区东部地下水化学成分特征,结合含水层岩性条件,为水文地球化学模拟中"可能矿物相"的确定提供依据;采用PHREEQC软件对含水层中水–岩作用进行水文地球化学模拟,模拟计算出饱和指数,通过质量平衡模拟计算... 详细信息

应用离子比例系数法分析了峰峰矿区东部地下水化学成分特征,结合含水层岩性条件,为水文地球化学模拟中"可能矿物相"的确定提供依据;采用PHREEQC软件对含水层中水–岩作用进行水文地球化学模拟,模拟计算出饱和指数,通过质量平衡模拟计算水–岩作用过程中主要矿物相的转化量。结果表明:方解石和白云石处于饱和状态,在适当的条件下会沉淀,而岩盐、石膏处于未饱和的状态,在适当的条件下将继续溶解。沿地下水流路径,从五矿奥灰水—一矿奥灰水—一矿副井水,地下水系统中白云石、岩盐、石膏溶解,方解石沉淀,且发生了阳离子交换作用。研究矿井水中水–岩相互作用,初步探讨废弃矿井水文地球化学演化机制,对分析矿井水文地球化学演化的影响因素有重要作用。

关键词：水文地球化学模拟水—岩作用 PHREEQC 峰峰矿区

柴达木盆地水-岩硼含量分布特征及其富集区域物源讨论

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盐湖研究 2021年第1期29卷 44-55页

作者：姜盼武樊启顺秦占杰都永生张湘如李庆宽马正明中国科学院青海盐湖研究所中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室青海西宁810008 青海省盐湖地质与环境重点实验室青海西宁810008 中国科学院大学北京100049

柴达木盆地盐湖是我国重要的硼资源富集区和成矿区。针对盆地内不同盐湖硼资源富集程度的差异性,采集柴达木盆地北缘河水和泉水样品,分析其硼和锂含量、矿化度和pH值,结合柴达木盆地不同流域补给水及蚀源区岩石已有的硼锂含量,总结盆地... 详细信息

柴达木盆地盐湖是我国重要的硼资源富集区和成矿区。针对盆地内不同盐湖硼资源富集程度的差异性,采集柴达木盆地北缘河水和泉水样品,分析其硼和锂含量、矿化度和pH值,结合柴达木盆地不同流域补给水及蚀源区岩石已有的硼锂含量,总结盆地水—岩体系硼锂含量地球化学特征,并对柴达木盆地北缘富硼盐湖物源进行了探讨。结果表明,柴达木盆地北缘祁连山流域水体和岩石硼含量均较阿尔金山和昆仑山流域高,而其锂含量均较昆仑山那棱格勒河流域低,显示柴达木盆地北缘水—岩相对富硼贫锂的地球化学特征。综合对比柴达木盆地不同流域硼锂资源分布,显示出整个盆地硼锂含量的不均一性和不同步性特征。针对柴达木盆地北缘富硼盐湖的物源研究,主要归纳为祁连山系围岩(含电气石花岗岩)的风化淋滤、深部富硼地下水补给和含盐风成沉积溶滤输入成因,其中深部富硼地下水补给为最主要的来源。

关键词：柴达木盆地硼含量地球化学热泉水水—岩作用含盐风成沉积物质来源

伏龙口水电站蓄水后水麻高速公路路基稳定性研究

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伏龙口水电站蓄水后水麻高速公路路基稳定性研究

作者：丁瑞点西南交通大学

学位级别：硕士

铁路公路常常沿江河选线,水电站的修建对库区既有铁路、公路的安全影响问题越来越突出。我国已建成蓄水水库的大多数库岸公路,都出现了路基边坡坍塌的现象,是一个非常常见的问题。但是目前规范中尚未明确提出对库岸路基边坡稳定性评价... 详细信息

铁路公路常常沿江河选线,水电站的修建对库区既有铁路、公路的安全影响问题越来越突出。我国已建成蓄水水库的大多数库岸公路,都出现了路基边坡坍塌的现象,是一个非常常见的问题。但是目前规范中尚未明确提出对库岸路基边坡稳定性评价的方法,评价成果的准确性容易产生争议,因此,很有必要对此进行系统的研究。本文以水麻高速公路伏龙口水电站库区段路基边坡为研究对象,详细查明了该段路基边坡的工程地质条件、岩土体结构及物理力学特性,根据路基边坡岩土体的结构特征、物质组成、以及岸坡与库水的距离等将水麻高速公路伏龙口库区段受影响的路基边坡分为5个区段研究。选择典型剖面,运用计算图解法的卡丘金法对受影响的路基边坡进行了塌岸预测,结果表明库区段路基边坡在水库蓄水后产生不同程度的水库塌岸,其中第1、2、4区段由于距离路基很近,蓄水后产生的水库塌岸将对路基稳定性产生较大影响。然后通过两种方法计算路基边坡的稳定性：一是基于极限平衡理论结合水岩相互作用原理,以基覆面作为潜在滑动面的计算得到稳定性系数;二是基于GEO-SLOPE自动搜索最危险滑动面得到的稳定性系数。经过对比可以看出：运用以上两种方法,计算得出的结果大致相当;两种方法在不同工况下的计算结果都表明路基边坡在暴雨、库水骤升骤降以及地震等影响下稳定性系数大大降低。进一步采用GeoStudio软件对天然状态下和蓄水以后的边坡分别进行数值模拟,得出不同工况下的路基边坡稳定性系数以及应力变形特征,分析该段路基边坡的稳定性。最后,根据路基边坡在库水作用下的破坏模式,提出合理的防治工程措施。

关键词：水库塌岸路基边坡稳定性水—岩作用数值分析 GEO-SLOPE