CN113405934B - 一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法，包括获取水库一个运行周期内的物理和化学环境特征；获取岩石试块；基于物理环境特征确定室内湿干交替试验的干燥时间；基于化学环境特征确定室内湿干交替试验的湿化时间；化学溶液基于化学环境特征配置；将岩石试块置于化学溶液中，根据湿化时间和干燥时间进行室内湿干交替试验；对岩石试块开展三轴抗压试验，获取岩石试块力学参数；绘制力学参数随着湿干交替次数增加的变化曲线并进行函数拟合得到函数关系；基于函数关系预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程。该方法提高了室内模拟库水湿干交替作用的精细度，考虑了库水的物理化学作用，获得的结果较为精确，可以为实际工程借鉴。
Description
技术领域
本发明涉及消落带岩石劣化预测领域，具体涉及一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法。
背景技术
水库蓄水运行后会周期性蓄洪或泄洪，导致水位周期性升降，形成消落带。消落带内的岩体长期处于周期性湿干交替变化的环境中。这种周期性的湿干交替作用能引起岸坡岩体的宏观力学强度发生劣化，导致岸坡发生变形，甚至诱发岸坡的失稳和已有工程加固措施的变形破坏。因此，对水库运行期消落带岩石强度劣化进程进行预测可以提前对水库岸坡进行针对性加固，阻止岸坡失稳的发生。
目前对水库运行期消落带岩石强度劣化进程进行评价的手段以室内岩石的湿干交替试验为主，但是该试验不能严格模拟试件的长期浸泡过程和自然干燥过程，导致获得的结果不具备代表性。此外，考虑到水库的水位变化经历时间较长，在实验室内对库水作用下的湿化与干燥过程进行模拟需要花几年甚至更长的时间，效率低下。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法，解决背景技术中提出的至少一个技术问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法，所述方法包括：
获取水库一个运行周期内的物理环境特征和化学环境特征；
获取岩石试块；
基于所述物理环境特征确定室内湿干交替试验的干燥时间；
确定消落带岩石在库水浸泡下和在化学溶液浸泡下的等效时间，即室内湿干交替试验的湿化时间；所述化学溶液基于所述化学环境特征进行配置；
将所述岩石试块置于所述化学溶液中，根据所述湿化时间和干燥时间进行室内湿干交替试验；在每次湿干交替作用后，对所述岩石试块开展三轴抗压试验，并获取所述岩石试块的力学参数；
基于所述岩石试块的力学参数的变化绘制力学参数随着湿干交替次数增加的变化曲线并进行函数拟合，得出岩石试块的力学参数与湿干交替作用次数之间的函数关系；
基于所述函数关系预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程。
优选的，基于所述物理环境特征确定室内湿干交替试验的干燥时间的具体步骤为：
确定消落带岩石在自然干燥状态下和室内干燥状态下的等效时间，所述等效时间即为室内湿干交替试验的干燥时间；
所述室内干燥的条件基于所述物理环境特征确定；
优选的，所述物理环境特征包括库水位、风速、气温、水压力和消落带岸坡应力；
所述化学环境特征包括库水中含有的离子类型、库水含有的离子含量和pH值。
优选的，所述岩石试块的获取地点选择与消落带岩石处于同一岩层且未受到库水湿干交替作用的位置。
优选的，所述岩石试块为圆柱形试样，且尺寸为直径50mm、高100mm。
优选的，所述化学溶液根据库水中的离子类型、离子含量及pH值综合确定；
优选的，所述确定消落带岩石在库水浸泡下和在化学溶液浸泡下的等效时间的评价指标为岩石强度的变化、密度的变化、弹性模量的变化和/或孔隙率的变化程度；
优选的，所述确定消落带岩石在自然干燥状态下和室内干燥状态下的等效时间的评价指标为岩石的重量变化情况；
优选的，所述三轴抗压试验的围压根据消落带岩石所处的岸坡应力和水压力共同确定；
优选的，所述岩石试块的力学参数包括内摩擦角和黏聚力。
(三)有益效果
本发明提供了一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明根据水库消落带所处的化学环境特征配置了化学溶液加速水溶液与砂岩的腐蚀作用来模拟库水与消落带岩石的长期相互作用，大大缩减了室内模拟试验的时间。充分考虑了消落带所处的各项物理和化学环境因素，得出的结果更加具有代表性，具备极高的实用价值。对消落带岩石劣化进程的评价可为水库消落带岸坡稳定性的评价提供理论支撑，具有较高的实用意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明预测水库运行期消落带红砂岩强度劣化进程的流程图；
图2是岩石三轴试样的照片；
图3是岩石力学参数随湿干交替作用次数增加的拟合曲线。
具体实施方法
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前对水库运行期消落带岩石强度劣化进程进行评价的手段以室内岩石的湿干交替试验为主，但在试验中用于浸泡岩石的液体一般以纯水为主，并未考虑到库水的物理作用和化学作用。同时，考虑到水库的水位变化经历时间较长，在实验室内对库水作用下的湿化与干燥过程进行模拟需要花几年甚至更长的时间，因此，找到缩短模拟试验时间的方法是提高室内试验效率的关键。
针对目前对水库运行期消落带岩石强度劣化进程评价的研究大多只考虑湿干交替作用的物理过程，而忽视了库水溶液与砂岩的水岩相互作用引起离子交换、水化、溶蚀等化学作用过程对砂岩试件宏观力学强度劣化的影响，因而获得的结果不具备代表性。因此我们提出了一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法，该方法较大程度的提高了室内模拟库水湿干交替作用的精细度，同时考虑到了库水的物理化学作用，获得的结果较为精确，可以为实际工程借鉴。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明：
如说明书附图1所示，一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法，包括以下步骤：
步骤1：对水库消落带岩石所处的物理、化学环境特征进行分析，收集水库一个运行周期内不同物理环境特征、化学环境特征的变化情况；
物理环境特征包括库水位、风速、气温、水压力、消落带岸坡应力等，化学环境特征包括离子类型及含量、PH值，这里的每个参数可以取一个水库运行周期内的均值。
步骤2：从现场获取岩石试块并通过钻取、打磨等手段将其加工成三轴试验标准试样；
从现场获取岩石试块不应处在消落带中，而应选择与消落带岩石处于同一岩层且未受到库水湿干交替作用的岩石作为取样对象。
具体的，该三轴标准试样的尺寸为高100mm、直径50mm，且为圆柱状试样。
步骤3：基于所述物理环境特征确定室内湿干交替试验的干燥时间；
具体的，确定消落带岩石在长期自然干燥状态下和室内短时间干燥状态下的等效时间，即确定室内湿干交替试验的干燥时间；
根据步骤1中获取的消落带物理环境，主要因素包括温度和风速，将浸泡完毕的岩石三轴试样放入干燥箱中进行干燥，温度设定为水库消落带所在地的年平均气温，风速设置为水库消落带所在地的年平均气温，每隔一段时间后取出试样进行称重，当试样的重量不再变化时，取此时的时间为室内湿干交替试验的干燥时间；
步骤4：根据步骤1获得的化学环境特征信息配置室内加速消落带岩石强度劣化进程的化学溶液；
室内加速消落带岩石强度劣化进程的化学溶液应根据步骤1得出的水库一个运行周期内不同物理环境特征、化学环境特征来确定，配置化学溶液时主要考虑库水离子类型，可以采用将库水离子浓度扩大一定倍数的方法来加速化学溶液对岩石的侵蚀，以此来达到缩短室内湿干交替湿化时间的目的，室内配置的化学溶液应根据库水中的主要离子类型、含量及pH值并在综合考虑溶液电荷平衡的情况下综合确定，应优先考虑化学溶液的阳离子类型；
步骤5：确定消落带岩石在库水长时间浸泡下和在室内配置的化学溶液短时间浸泡下的等效时间，即确定室内湿干交替试验的湿化时间；
将步骤2中获取的岩石试块放入库水中进行浸泡，试样在库水中的浸泡时间取一个水库运行周期内消落带岩石在库水中的浸泡时间，浸泡完成后待其干燥后测试其孔隙率变化值；然后取新鲜岩石试块放入配置的化学溶液中进行浸泡，每隔一段固定时间间隔后取出试样风干测试其孔隙率变化值，当在化学溶液中浸泡的孔隙率变化与库水浸泡后的孔隙率变化值相等时，取此时试样在化学溶液中的浸泡时间为室内湿干交替试验的湿化时间。
其中，所述新鲜岩石试块即为未浸泡过的岩石试块；进一步的除了测试其孔隙率变化值，也可以测试波速、强度和/或密度的变化值。
步骤6：将消落带岩石置于室内湿干交替的环境中，湿化时间和干燥时间分别根据步骤5和步骤3确定，湿化时使用的浸泡液为步骤4配置的化学溶液，在每次湿干交替作用后，对消落带岩石开展三轴抗压试验；
三轴抗压试验的围压应根据步骤1中获取的岸坡应力和水压力来综合确定。
步骤7：根据每次室内湿干交替作用后消落带岩石的力学参数变化来绘制其力学参数随着湿干交替次数增加的变化曲线并进行函数拟合，得出消落带岩石的力学参数与湿干交替作用次数之间的函数关系；
步骤8：根据消落带岩石的力学参数与湿干交替作用次数之间的函数关系来预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程。
步骤7中拟合的函数是消落带中岩石力学参数随湿干交替次数的关系曲线，输入拟预测的水库运行周期即可得出水库在运行该周期后岩石的力学参数值，为后续的水库岸坡消落带加固设计作参考。
需要说明的是，上述步骤1-8，在具体实施过程也可以采用其他步骤顺序，如可以是先确定湿化时间，后确定干燥时间；也可以是先获取岩石试块，后采集物理、化学环境特征。
本发明上述实施例根据水库消落带所处的化学环境特征配置了化学溶液加速水溶液与砂岩的腐蚀作用来模拟库水与消落带岩石的长期相互作用，大大缩减了室内模拟试验的时间。充分考虑了消落带所处的各项物理和化学环境因素，得出的结果更加具有代表性，具备极高的实用价值。对消落带岩石劣化进程的评价可为水库消落带岸坡稳定性的评价提供理论支撑，具有较高的实用意义。
下面结合具体的实施例，进行详细的说明：
S1：某水库的运行周期为1年，岸坡消落带水位在1个运行周期内的变化幅度为20m，消落带岩体每年有6个月处于库水浸泡环境中，6个月处于阳光直射环境中，水库所在地的年平均气温为26℃，年平均风速为2m/s，岩石岸坡应力为1.8MPa，最大水压力0.2MPa，测得水库一个运行周期内库水的钙离子浓度为1mmol/L，钾离子浓度为0.05mmol/L，钠离子浓度为0.4mmol/L，镁离子浓度为0.2mmol/L，氯离子浓度为0.3mmol/L，硫酸根离子为0.4mmol/L，PH值为7.3。
S2：从现场获取岩石试块并通过钻取、打磨等手段将其加工成三轴试验标准试样，如说明书附图2所示；
S3：考虑将库水中的主要离子浓度扩大50倍来配置水化学溶液，离子考虑优先级为钙离子、镁离子、钾离子、钠离子，综合考虑电荷平衡，最终确定的化学溶液成分为CaCl250mmol/L，Na2SO4 10mmol/L，MgSO4 10mmol/L，KCl 2.5mmol/L。
S4：将S2中加工的三轴试样放入库水中浸泡6个月，6个月后取出风干，测得其孔隙率变化为0.8％，重新取新鲜标准试样放入室内配置的化学溶液中进行浸泡，浸泡3天后发现其孔隙率变化也为0.8％，即取3天作为室内湿干交替试验的湿化时间。
S5：将浸泡完毕的岩石三轴试样放入干燥箱中进行干燥，温度设定为26℃，风速设置为2m/s，每隔一段时间后取出试样进行称重，发现6个小时以后岩石的质量不再发生变化，取6小时作为室内湿干交替试验的干燥时间。
S6：将三轴标准试样放入配置的化学溶液中进行湿干交替作用，湿化时间为3天，干燥时间为6h。
S7：每次湿干交替作用后取岩石试样出来进行三轴试验，围压根据岸坡应力和水压力之和最大值取2MPa，采用等差级数的方法，最终确定三轴试验的围压为0MPa、2MPa、4MPa，获得消落带岩石力学参数随着湿干交替次数增加的变化曲线，如说明书附图3所示，拟合曲线得出黏聚力、内摩擦角与水库运行时间之间的函数关系分别为Cn=7.20exp(-n/1.78)+7.44、
S8：拟预测水库运行20个周期后岩石的力学参数变化情况，将n＝20带入函数关系得水库运行20个周期后消落带岩石的黏聚力为7.44MPa，内摩擦角为44.79°。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法，其特征在于，所述方法包括：获取水库一个运行周期内的物理环境特征和化学环境特征；
获取岩石试块；
基于所述物理环境特征确定室内湿干交替试验的干燥时间；
确定消落带岩石在库水浸泡下和在化学溶液浸泡下的等效时间，即室内湿干交替试验的湿化时间；所述化学溶液基于所述化学环境特征进行配置；
将所述岩石试块置于所述化学溶液中，根据所述湿化时间和干燥时间进行室内湿干交替试验；在每次湿干交替作用后，对所述岩石试块开展三轴抗压试验，并获取所述岩石试块的力学参数；
基于所述岩石试块的力学参数的变化绘制力学参数随着湿干交替次数增加的变化曲线并进行函数拟合，得出岩石试块的力学参数与湿干交替作用次数之间的函数关系；
基于所述函数关系预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程；
基于所述物理环境特征确定室内湿干交替试验的干燥时间的具体步骤为：确定消落带岩石在自然干燥状态下和室内干燥状态下的等效时间，所述等效时间即为室内湿干交替试验的干燥时间；
所述室内干燥的条件基于所述物理环境特征确定；
所述物理环境特征包括库水位、风速、气温、水压力和消落带岸坡应力；
所述化学环境特征包括库水中含有的离子类型、库水含有的离子含量和pH值；
所述岩石试块的获取地点选择与消落带岩石处于同一岩层且未受到库水湿干交替作用的位置；
所述确定消落带岩石在库水浸泡下和在化学溶液浸泡下的等效时间的评价指标为岩石强度的变化、密度的变化、弹性模量的变化和/或孔隙率的变化程度；
所述确定消落带岩石在自然干燥状态下和室内干燥状态下的等效时间的评价指标为岩石的重量变化情况。
2.根据权利要求1所述一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法，其特征在于：所述岩石试块为圆柱形试样，且尺寸为直径50mm、高100mm。
3.根据权利要求1所述一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法，其特征在于：所述化学溶液根据库水中的离子类型、离子含量及pH值综合确定。
4.根据权利要求1所述一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法，其特征在于：所述三轴抗压试验的围压根据消落带岩石所处的岸坡应力和水压力共同确定。
5.根据权利要求1所述一种预测水库运行期消落带岩石强度劣化进程的方法，其特征在于：所述岩石试块的力学参数包括内摩擦角和黏聚力。
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| CN105181468A (zh) * | 2015-08-06 | 2015-12-23 | 三峡大学 | 一种考虑干湿循环作用的岩石膨胀压力试验仪 |
| CN109632510A (zh) * | 2019-01-15 | 2019-04-16 | 中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司 | 一种预测水化损伤页岩强度的方法 |
-
2021
- 2021-07-13 CN CN202110788828.8A patent/CN113405934B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10105546A (ja) * | 1996-09-26 | 1998-04-24 | Pub Works Res Inst Ministry Of Constr | 岩盤の風化度判定方法 |
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| 考虑消落带土体强度弱化的库区涉水边坡稳定性研究;张力;瞿竹;姬同旭;;中国农村水利水电(第06期);全文 * |
| 酸性环境干湿循环作用对泥质砂岩力学参数的劣化研究;王子娟;刘新荣;傅妟;张梁;袁文;;岩土工程学报(第06期);全文 * |
| 饱水-风干循环作用下砂岩力学性质劣化规律;郭慧敏;《长江科学学院院报》;第37卷(第1期);文献第2页第3-5段，第3页第5段，第4页第1-2段及图3、表3 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113405934A (zh) | 2021-09-17 |
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