弱酸性水环境下层理白云岩溶蚀-渗透特性试验

李佳艳; 左双英; 吴宗琴; 龙举

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502226

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (6) :2535-2543 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502226

建筑科学

弱酸性水环境下层理白云岩溶蚀-渗透特性试验

李佳艳 ¹ ,
左双英 ¹^,²^,^* ,
吴宗琴 ¹ ,
龙举 ¹^,³

作者信息 +

Experiment on Dissolution-permeability Characteristics of Stratified Dolomite under Weakly Acidic Water Environment

LI Jia-yan ¹ ,
ZUO Shuang-ying ¹^,²^,^* ,
WU Zong-qin ¹ ,
LONG Ju ¹^,³

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摘要

贵州省碳酸盐岩广泛分布,在地下水的溶蚀-渗流作用下,容易引发隧道涌水、水库渗漏、岩体失稳等工程地质问题。为了研究层状白云岩在弱酸性水溶蚀条件下的渗透特性演化规律,通过自制流动溶蚀系统开展不同工况组合的室内溶蚀和渗透试验,并辅以核磁共振、电镜扫描、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)等微观试验,探讨白云岩溶蚀-渗透特性演化规律。结果表明:随着围压增加,白云岩的渗透率有所降低,低围压条件下岩样渗透率变化更加敏感;在弱酸性条件下,层理倾角为67.5°和90°的白云岩溶蚀更明显,易形成溶孔和溶隙,增强连通性,使渗透液更倾向于沿层理倾角大的方向流动,导致这些方向的渗透率更高;建立了白云岩岩样渗透率与渗透围压、层理倾角之间的数学关系式,揭示了渗透率演化规律;白云岩的溶解过程具有明显的选择性,倾向于优先溶解晶体的表面、节理和裂隙以及颗粒的边缘,后逐渐发展至基质颗粒溶解。整个过程其实是水-岩发生化学溶蚀、生成物迁移、沉淀的过程,在层理倾角、流速的共同影响下,反应充分时,生成的反应物堆积在部分孔隙中,导致渗透率降低。可见研究结果对岩溶地区碳酸盐岩渗流特性演化规律的认识有一定意义。

Abstract

Carbonate rocks are widely distributed in Guizhou Province, and under the dissolution and seepage of groundwater, it is easy to cause engineering geological problems such as tunnel water inflow, reservoir leakage, and rock mass instability. In order to study the evolution of the permeability characteristics of layered dolomite under the condition of weak acid water dissolution, the in-house dissolution and permeability tests of different working conditions were carried out by self-made flow dissolution system, supplemented by microscopic tests such as nuclear magnetic resonance, electron microscopy scanning, XRD (X-ray diffraction), etc., to explore the evolution of the dissolution-permeability characteristics of dolomite. The results show as follows. With the increase of confining pressure, the permeability of dolomite decreases, and the permeability of rock samples is more sensitive under low confining pressure. Under weakly acidic conditions, the dissolution of dolomite with bedding dip angles of 67.5° and 90° is more obvious, which is easy to form dissolution pores and dissolution gaps, enhance connectivity, and make the permeate more inclined to flow in the direction of large bedding dip angle, resulting in higher permeability in these directions. The mathematical relationship between the permeability of dolomite rock samples, the permeability confining pressure and the bedding dip angle is established, and the evolution law of permeability is revealed. The dissolution process of dolomite has obvious selectivity, which tends to preferentially dissolve the surface, joints and fractures of the crystal and the edge of the particles, and then gradually develops to the dissolution of matrix particles. Under the combined influence of bedding inclination angle and flow rate, when the reaction is sufficient, the generated reactants accumulate in some pores, resulting in a decrease in permeability. It can be seen that the results of this study have certain significance for the understanding of the evolution law of seepage characteristics of carbonate rocks in karst areas.

Graphical abstract

关键词

层理白云岩 / 弱酸性溶蚀 / 渗透试验 / 电镜扫描 / X射线衍射

Key words

bedding dolomite / weak acidic dissolution / penetration test / electron microscope scannin / X-ray diffraction

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李佳艳, 左双英, 吴宗琴, 龙举. 弱酸性水环境下层理白云岩溶蚀-渗透特性试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(6): 2535-2543 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502226

LI Jia-yan, ZUO Shuang-ying, WU Zong-qin, LONG Ju. Experiment on Dissolution-permeability Characteristics of Stratified Dolomite under Weakly Acidic Water Environment[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(6): 2535-2543 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502226

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贵州省岩溶地貌分布广、面积大^[1]。自然环境中的碳酸盐岩多为层状结构,在强度、变形、渗透等方面具有不均匀性和各向异性^[2]。在地下水长期浸泡的环境下,岩体面临着化学侵蚀与水流渗透的双重作用^[3]。岩石中活性矿物与地下水离子反应,使矿物表面物质脱离。这些物质或沉积或随水流迁移,进而影响岩体渗透性,使其变得复杂不稳定^[4]。复杂岩溶环境条件下碳酸盐岩的渗透特性与岩体工程的稳定密切相关,常会给岩溶地基处理、边坡渗透稳定、隧道突涌水评估等带来极大挑战,因此,研究溶蚀作用下碳酸盐岩的渗透特性演化规律具有重要的理论研究价值和工程应用前景。

目前有关岩石溶蚀损伤规律的研究已经取得了较多成果。主要针对花岗岩、砂岩、页岩等岩石,通过室内浸泡溶蚀或野外自然水流侵蚀试验,借助电镜扫描、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)衍射、核磁共振、压汞实验等检测方法,探讨溶蚀作用如何对岩体的矿物颗粒结构、孔隙度以及岩石胶结物含量产生作用,以及不同溶蚀条件下岩石的宏观形貌、微观孔隙、矿物成分等演变规律。如王露^[5]通过对电镜扫描图像的观察发现碳酸盐岩中的方解石表面发生了高岭石化现象,使得溶蚀反应速率变慢。Tong等^[6]、Yin等^[7]和窦亮彬等^[8]基于扫描电镜、压汞法、核磁共振实验得出化学腐蚀后花岗岩、砂岩的微孔数量增加、孔隙体积变大。Ding等^[9]在对酸性矿山废水的溶解过程进行扫描电镜和核磁共振分析后,揭示了基质晶体的形状在溶解过程中逐渐消失,取而代之的是小孔的形成和增多。李美蓉等^[10]通过XRD、X射线荧光光谱(X-ray fluorescence, XRF)试验得出不同pH条件下矿物转化不同,并伴有新生黏土矿物生成。

近年来,中外学者基于岩石在浸泡溶蚀条件下的渗流特性方面做了一定研究。王珂等^[11]和盛金昌等^[12]通过开展不同溶液渗透溶蚀作用下碳酸盐岩渗透特性研究,分析了渗透率与矿物质溶解变化、围压、渗透压、不同渗透流体等各因素之间的内在联系。王大宁等^[13]基于渗流溶蚀模型发现侵蚀溶液的浓度对渗透率有显著影响,浓度较小时,渗透率变化缓慢,较高时,渗透速度先快速增长后趋于稳定。也有学者发现岩体的流动性与孔隙结构、矿物含量密切相关^[14]。Wang等^[15]得出持续溶解会导致毛细孔增加从而增强岩-混凝土界面的渗透性。王婷等^[16]发现渗流-溶蚀耦合作用下,溶蚀模式为虫洞溶蚀的渗透率相较于均匀溶蚀、紧凑溶蚀增长最快。卜宜顺等^[17]开展了不同损伤程度砂岩在不同温度、围压情况下的渗透特性研究,得出高损伤砂岩渗透率呈现出低围压情况下先略微下降再上升。段玲玲等^[18]和Gan等^[19]基于单裂缝灰岩的溶蚀-渗透试验,分析了水岩作用下裂隙的表面形貌特征与渗流特性的演化规律。黄彦华^[20]和杨圣奇等^[21]分析了盐水浓度、渗透压、有效围压和温度等对砂岩渗透率的影响规律。

综上可知,中外学者对岩石在溶蚀条件下、溶蚀-渗流条件下有关岩石的孔隙结构、渗流特性及其变化规律开展了一定研究,而对于层理发育且渗流方向与层理面存在不同夹角的溶蚀条件下碳酸盐岩的渗透演化特性研究还存在欠缺。因此,现配置弱酸性溶液模拟岩溶区地下水环境,借助层理白云岩溶蚀-渗透实验,重点探究不同溶蚀流速、层理倾角及围压条件下白云岩渗透特性的演变规律。通过拟合分析,建立渗透率与各因素之间的数学关系式,并根据核磁共振、电镜扫描、XRD衍射试验结果从微观角度分析溶蚀对层理白云岩渗透率的影响机理。

1 试验原理及方法

1.1 试验制样及溶液配制

试验所用的岩石样本取自寒武系中统石冷水组(C- ₂l)一段中风化浅灰色白云岩。将其制成不同层理倾角 (0°、22.5°、45°、67.5°、90°)的标准试样,直径为50 mm、高为100 mm。试验所用岩样均源自同一岩块,确保各倾角试件的层理结构一致。部分试样如图1所示。

地下水中含钙、镁、钠、钾等阳离子以及碳酸氢根、硫酸根、氯等阴离子。岩溶区地下水中钠离子含量高,可置换碳酸盐岩中的阳离子,硫酸根离子的盐效应会增加白云石与方解石的溶解度^[22]。为使室内短期模拟接近野外实际工况且简化操作,配制pH=5、浓度为0.1 mol/L的硫酸钠溶液作为试验溶液。配制方法如下:①向12 L纯净水中加入170.4 g无水硫酸钠,搅拌均匀,配成0.1 mol/L的Na₂SO₄溶液;②将浓盐酸稀释后缓慢加入;③用pHS-2F型pH计监测桶内溶液pH,调至5。

1.2 试验方案及设备

为了探究不同溶蚀作用和应力路径下含层理倾角白云岩的渗流特性,开展了2种不同工况下的溶蚀试验,根据现场流速测定,设置静态、流动状态2种工况。试验方案如表1所示。具体试验步骤如下。

(1)试验前测定试样基本物理参数。

(2)利用自主设计的酸液浸泡溶蚀水流系统装置(图2)开展不同流速下的溶蚀试验,基于课题组前期研究,本试验溶蚀时间设定为42 d。

(3)溶蚀结束后,取出岩样用清水清洗,在105 ℃的烘箱中烘干24 h,取出后测量试样重量。

(4)利用多功能岩石低渗测试仪(图3)对溶蚀后试样开展不同围压下的渗流试验,在实验中,测量渗出液体积、渗透压差等指标,计算出在各种试验条件组合下岩样的渗透率。

2 试验结果与分析

2.1 质量变化

溶蚀前试件质量为m₁,浸泡溶蚀后试件质量为m₂,其溶蚀量Δm=m₁-m₂,溶蚀率ψ=Δm/ m₁。静水和流动状态下岩样溶蚀量、溶蚀率随层理倾角的变化规律如图4所示。可以看出,白云岩的层理倾角对其溶蚀量存在影响,静态溶蚀和流动状态下的溶蚀量、溶蚀率均在67.5°倾角时达到最大值,岩样的溶蚀率在0°、22.5°、45°时波动不大,而在45°、67.5°、90°时波动明显。结果表明,在酸性条件下,溶蚀液更倾向于沿着层理倾角较大的方向流动,这使得这些方向的溶蚀量和溶蚀速率相对更高。

2.2 渗透率、渗透压、围压随时间变化过程

根据试验条件和岩样性质,采用稳态法^[23]测定白云岩的渗透率。由达西定律,计算层理白云岩岩样渗透率的表达式为

(1)Q=KA

$\frac{\Delta P}{L}$

$\frac{k}{\mu }$

$\frac{\Delta P}{L}$

(2)k=

$\frac{Q\mu \Delta L}{A\mathrm{\Delta }P}$

式中:Q为实时渗流量;K为渗透系数;A为与轴线垂直的岩样横截面面积;ΔP为岩心夹持器入口端压力与出口端压力差;L为试样高度;k为渗透率;μ为水的动力黏滞系数。

在SY1、SY2两种不同流速条件下,各层理角度白云岩渗透率、渗透压、围压随时间变化的部分曲线如图5所示。经溶蚀处理后白云岩试样,其渗透率主要集中在10^-4~10^-3 μm²,表明白云岩是一种致密且渗透性较低的介质。如图5所示,在各种工况中,白云岩的渗透率通常会随着围压和渗透压增加而减小,整体趋势呈下降态势。此外,渗透率在层理倾角、围压和溶液流速变化时,其变化规律也有差异,说明渗透率的变化是溶液流速、层理角度、围压等多重因素综合作用的结果。

2.3 溶液流速、围压、层理倾角对渗透率的影响

试验结果表明,溶蚀作用使试样渗透率表现出非均质性。在流速、围压和层理倾角的共同影响下,渗透率变化规律较为复杂,其与层理倾角、溶液流速和围压的关系如图6所示。

(1)围压因素:在同一流速、同一倾角下,随着围压的增加,岩石的渗透率普遍降低,说明围压增加导致岩石孔隙缩小,流体流动路径变窄,使得渗透率降低。另外,渗透率随围压增大变化趋势逐渐变缓,在1.5~2.0 MPa的围压范围内,渗透率的下降幅度比2.5~3.0 MPa的区间更为显著,说明在低围压下岩石渗透率变化更为敏感,且这一现象在不同倾角和流速条件下均保持一致。

(2)流速因素:当层理倾角为0°和22.5°时,渗透率在流速从0增至0.70 cm/s的过程中略有上升,变化较为平稳。在45°、67.5°和90°的层理倾角下,流动状态下的渗透率较静水状态有所降低,且变化较为显著。研究表明,流速对渗透率的影响与岩石层理倾角密切相关。具体而言,层理倾角较小时,渗透率随流速增加而提高;层理倾角较大时,渗透率则随流速增加而降低。这一规律在不同围压条件下均保持不变。

(3)层理倾角因素:在流速为0、0.70 cm/s工况下,渗透率随层理倾角变化显著,总体趋势是先上升后下降,层理倾角为67.5°和90°的岩样渗透率高于0°、22.5°和45°的岩样,这表明渗透液更易沿着层理倾角大的方向流动,导致这些方向的渗透率更高。在67.5°时达到峰值点,这与溶蚀量在倾角为67.5°时达到峰值的规律一致,在此方向上更易形成孔隙和裂隙,增加渗流通道并提升连通性,从而提高渗透率。总体而言,在不同围压条件下,较大层理倾角的试样其渗透率普遍高于较小层理倾角的试样。

2.4 渗透率演化规律

为了深入探究渗透率与层理倾角、围压这2个变量之间的相互关系,运用了多种模型对基于稳态法获得的渗透率数据进行了详尽的分析,其中渗透率与围压的关系采用幂函数模型^[24]进行拟合,渗透率与层理倾角的关系则通过波动曲线^[25]进行拟合,且假设各因素与渗透率之间存在线性相关性^[26],即渗透率与sin[π(β-B₂)/B₃]、σ^B₅存在线性相关,则

(3)k=B₀+B₁sin$\left(\mathrm{\pi }\frac{\beta -{B}_{2}}{{B}_{3}}\right)$+B₄σ^B₅

式(3)中: k为渗透率;β为层理倾角;σ为围压;B₀~B₅均为拟合参数;0°≤β≤90°;1.5 MPa≤σ≤3 MPa。

为了检验所采用函数模型的适用性,对不同层理倾角下的渗透率、不同围压条件下的渗透率进行了验证,得到渗透率与上述变量的拟合曲线如图7所示。

(1)层理倾角影响下渗透率演化规律。静水和流动工况下67.5°岩样的渗透率较高,说明白云岩的层理倾角影响着渗透率的结果。渗透率与层理倾角的波动函数拟合结果如图7(a)~图7(b)所示,相关系数R²在0.692~0.996范围内,均值为0.828,拟合效果理想,采用F分布对拟合结果进行验证,设定检验水平ɑ=0.05,临界值F_a=10.13,发现其小于拟合检验中的所有统计值F,因此检验合格,模型正确。

(2)围压影响下渗透率演化规律。随着围压的增加,岩石的渗透率普遍降低,说明围压影响渗透率的结果。图7(c)~图7(d)展示了渗透率与围压的幂函数拟合结果,相关系数R²在0.859~0.996范围内,均值为0.965。采用F分布对拟合结果进行验证,设定检验水平ɑ=0.05,F_a=10.13,发现其小于拟合检验中的所有F,因此检验合格,模型正确。

总的来说,渗透率与层理倾角、围压强相关。渗透率与这2个变量之间拟合分析的结果显示R²>0.8的函数占到了78%,这表明选取的函数模型能够较为准确地描述渗透率与层理倾角、溶液流速和围压之间的关系,从而揭示了渗透率随这些因素变化的规律。

2.5 宏微观机理分析

2.5.1 岩样溶蚀表观特征分析

层理白云岩溶蚀前后的表面形态对比如图8所示,层理白云岩经溶蚀处理后,表面色泽转黄,溶蚀区域在试样表面形成明显带状,主要分布在层理附近,且这些区域表面较为粗糙。表明与层理区相比,试样的基质部分水化学作用较弱。

2.5.2 岩样溶蚀微观特征分析

白云岩的孔隙结构对其渗透性至关重要。通过核磁共振试验分析SY2组试样溶蚀前后的孔喉变化如表2所示。根据前人的研究^[27],将白云岩孔隙大小划分为3个等级:微孔(0~0.1 μm)、中孔(0.1~1 μm)、大孔(1~25 μm)。结果显示,白云岩孔隙主要为中孔和大孔,微孔占比6%~9.7%。不同层理倾角的试样在溶蚀后表现出不同的孔隙变化:90°试样的微孔、中孔和大孔均减少;45°和67.5°试样的微孔和中孔减少,大孔略有增加;0°试样的微孔、中孔增加,大孔减少;22.5°试样的小孔和大孔增加,中孔减少。总体来看,层理倾角大的试样溶蚀后孔喉占比多下降,层理倾角小的试样孔喉占比多上升。

对45°层理倾角制样过程中的废弃岩块及流动溶蚀后岩块进行清洗、烘干并制成粉末,开展了电镜扫描和X射线衍射分析,结果如图8所示。电镜扫描显示,溶蚀主要发生在晶体表面、节理、裂隙和颗粒边缘。未溶的白云石晶体保持菱面体形态,结构完整,颗粒间接触以线状为主。溶蚀过程中,菱面体边缘变得逐渐圆滑,溶孔和溶隙增多,晶体表面形成刀砍状纹理,溶隙和裂缝扩大并延伸,同时伴有附着物生成。持续溶蚀使基质与层理的界线模糊,层理处矿物颗粒溶解、细化,表明白云岩在层理处的矿物首先溶解,然后影响至基质部分。

结合XRD衍射分析结果,溶蚀前白云岩的主要矿物成分为CaMg(CO₃)₂和SiO₂,溶蚀过程中白云岩主要发生的化学反应方程式为

(4)$ \begin{array}{c} \mathrm{CaMg}\left(\mathrm{CO}_{3}\right)_{2}(\text { 白云石 })+4 \mathrm{H}^{+} \longrightarrow \\ \mathrm{Ca}^{2+}+\mathrm{Mg}^{2+}+2 \mathrm{CO}_{2}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \end{array}$

白云岩在溶蚀过程中可能产生以下沉淀化学反应方程式为

(5)$ \mathrm{Ca}^{2+}+\mathrm{CO}_{3}^{2-} \longrightarrow \mathrm{CaCO}_{3} \downarrow$

(6)$ \mathrm{Ca}^{2+}+\mathrm{SO}_{4}^{2-} \longrightarrow \mathrm{CaSO}_{4} \downarrow$

(7)$ \mathrm{Mg}^{2+}+\mathrm{CO}_{3}^{2-} \longrightarrow \mathrm{MgCO}_{3} \downarrow$

综上可得,岩溶作用导致岩石内部孔隙变得复杂,增加了岩体渗透性的复杂度。在流动条件下,倾角较大白云岩试样的渗透率较静态溶蚀时降低,这种降低源于溶蚀过程中岩石内部结构的变化和重组。在较大倾角和流动状态下,溶蚀反应强烈,生成的CaCO₃、MgCO₃、CaSO₄等物质在孔隙和通道中沉积,孔喉整体分布占比减小,使渗流通道变窄,导致渗透率降低。

3 结论

选取贵州典型白云岩作为研究对象,借助自制的动态酸液浸泡装置,对不同层理倾角的白云岩开展溶蚀实验,并开展溶蚀后岩样在不同围压下的渗透试验。结合溶蚀前后的核磁共振、电镜扫描、XRD衍射全面地分析溶蚀过程岩石内部孔隙结构、矿物组成对渗透率影响,得出如下结论。

(1)由于围压的增加会压缩岩石的内部孔隙空间,流体通道变窄,因此随着围压的增加,白云岩的渗透率有所降低。此外,在低围压条件下围压增大时渗透率降低幅度比高围压阶段大。

(2)在弱酸性条件下,层理倾角为67.5°和90°的白云岩溶蚀更明显,易形成大量溶孔和溶隙。这些结构增加了渗流通道并提升了连通性,使渗透液更易沿层理倾角大的方向流动,从而导致这些方向的渗透率显著提高。

(3)分别采用波动函数模型、幂函数模型建立了渗透率与层理倾角、围压之间的数学关系,拟合效果较好,揭示了层理白云岩渗透率在弱酸性环境下的演化规律。

(4)白云岩的溶蚀具有选择性溶蚀,整体表现为优先沿晶体表面、节理裂隙、颗粒边缘发生溶蚀作用,且层理处较基质处溶蚀作用强烈;溶蚀反应生成的沉淀物使得孔喉整体占比减小,减小渗流通道导致渗透率降低。

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