水岩作用的研究现状及趋势

水岩作用的研究现状及趋势水岩作用(Water-RockInteraction—WRI）泛指地质作用过程当中所发生的流体与岩石的相互作用。具体来说，水溶液和岩石在岩石固相线以下的温度、压力范围内进行的各种化学反应和物理化学作用。学者们对水岩作用的研究起源于20世纪50年代末，此后得到不断的重视和发展，并于1974年在捷克召开了第一届国际WRI学术会议。20世纪中叶以来，固体地球科学和环境地球科学都越来越重视水岩作用研究，已经成为水文地质学、地球化学、岩石学、工程地质学、地热学、矿床学、环境化学等学科的研究热点和前沿领域．对于水文地质而言和工程地质而言，很多问题均得益于把地下水和固体含水介质作为整体的系统来研究。1国内外研究现状1.1研究方向目前,关于水岩作用的研究主要涉及到两个方向,一是水文地质方向;二是工程地质和岩土力学的方向。前者主要研究水与岩土介质作用对地下水溶质运移的影响,其采用的研究方法主要是水力学和同位素化学方法等,对于这方面的研究,资料很多。我国沈照理先生在1991年就提出了此问题,并得到了同行们的广泛支持与响应。到目前为止,国际上已召开了多次相关的学术会(Water-RockInteraction—WRI),集中反映了国内外学者的研究成果,为水资源的研究做出了很大的贡献。后者主要集中在水与岩土介质作用对岩土的力学状态、变形特性的影响。由于它涉及到工程的成败问题,因此必须对之进行详细而认真的研究。1.2水岩作用的分类从工程地质学和岩土工程的角度看,水岩作用主要有以下两类:即力学和物理化学作用。力学作用包括静水压力、动水压力和浮托力等;物理化学作用主要有水的软化作用、岩溶(溶解与沉淀)、冻融、基质吸力等。王思敬院士将水库地区的水岩作用总结为以下几种:岩土的软化,即在水的作用下岩石单轴抗压强度的弱化;渗压效应,岩体结构面上渗压主要是通过降低有效法向应力来降低结构面抗剪阻力的;渗透潜蚀;水力冲刷;岩土失水固结、干裂和崩解。1.2.1力学作用水对岩土体的力学作用主要集中在渗流场与应力场的耦合关系的研究上。所谓岩土体系统中渗流场与应力场的耦合关系,是指:一方面,岩土体中的应力场通过改变岩土体的体积和空隙结构,改变地下水的运移通道,影响岩土体的渗透系数,从而改变岩土体中的渗流场;另一方面,岩土体中的渗流场通过施加岩土体面力(渗透压力和切向拖拽力)和体积力,来影响岩土体应力的分布(其实,渗流场还通过物理化学作用来影响岩土体中的应力场)。1.2.2物理化学作用物理化学作用上,主要是水对岩土体的软化,岩溶等。水对岩土体强度的影响,主要与两方面的因素有关,一是岩土体本身的结构,二是其物理性质、初始状态、含水率等。对于前者,朱珍德从断裂力学的角度,定量的分析了裂隙水压力对岩体强度的影响,并给出了含裂隙水压力岩体的初始开裂强度公式。至于后者,主要是由于水对岩土体的应力腐蚀等物理化学反应造成的。Anderson、Atkinson都对这种应力的腐蚀过程做过研究。我国的陈刚林等通过对不同饱水度的砂岩、花岗闪长岩、灰岩和大理岩的研究,得出了如下结论:水对受力岩石的力学效应与岩石中的含水状态是密切相关的,它们之间并不含简单的线性关系(象自然状态的砂岩和花岗闪长岩浸水后,其峰值强度和弹性模量随饱水度的增加而迅速衰减);。当饱水度达到某一值时,对某一特定类型岩石,岩石中含水量的变化并不影响岩石的变形破坏过程。水对受力岩石的力学效应具有时间依赖性,这表明只从有效应力原理来考虑水对受力岩石的力学效应是不够的,而应考虑应力腐蚀这样复杂的过程。康红普从损伤力学的角度,分析了水对岩石强度和变形的影响,并把岩石扩容导致的体积变化引入损伤变量,建立了与应力状态密切相关的岩石遇水损伤变量的演变方程。研究表明:岩石扩容是影响其含水率的一个重要因素,岩石体积增加后,其含水率必然增大,这将会导致岩石强度的进一步弱化;周瑞光等通过对断层泥蠕变特性与含水量关系的研究得出了其力学参数与含水量成负指数关系;廖红建通过试验,研究了水对土体强度参数的影响;刘长武等通过现代化的测试手段,结合泥岩遇水后宏观物理-力学性质的变化,揭示了泥岩遇水崩解的软化机理。目前,关于岩石软化这方面的定量的研究还不是很多,但水对岩石的软化作用却不容人们忽视,为此,汤连生等提出了一门新的交叉学科—工程地球化学来研究水与岩石的这种化学作用及其对受力岩体强度、变形、破坏的作用机理的研究。1.3水岩作用对边坡稳定性的影响在边坡工程中，常由于水（包括地下水和降水）的作用，对边坡稳定性产生很大影响，经常造成崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。据国内外资料统计，90%以上的岩质边坡的破坏与地下水作用有关，而30%～40%的水坝失事是由地下水渗流破坏引起;对于土质边坡，库区水、地下水及自然降雨对其稳定性的影响将更为剧烈。目前关于这方面的研究很多，尤其是降水对边坡的影响。王思敬、周平根、钟式范、张作辰都对此做过研究。吴旭君通过调查研究，认为，自然界中由水引起的岩体失稳主要是由于水边界条件的改变，并根据岩体中裂隙的发育程度，将岩体边坡划分两种类型：非连续介质边坡和等效连续介质边坡，结合具体实例，从理论和室内模拟两方面分别讨论了这两种类型的边坡在水边界条件改变时稳定性的变化规律。陈强、王辉等从力学方面利用优势面的理论探讨了水对边坡的影响，并给出了预测方法。廖红建等通过一系列的室内模拟试验，再现了由于地下水位上升土质切坡内的土应力变化过程，探讨了切坡破坏时的临界应力状态及土的强度参数。丁多文也对水作用下土石边坡的稳定性做了研究。日本新杰罗·科玛达等人根据对伴随水库蓄水而诱发的水库库岸滑坡历史事故的分析，发现有下述趋向，即由新鲜岩石或风化岩石组成的滑坡，多发生在库岸是由松散和高透水性材料组成的地方，并且易发生于水库水位上升期间，且看不清事故发生的过程；另一方面，对于岸坡是由碎屑岩或强风化岩组成的滑坡，当库水位下降时，滑坡的位置常发生在由粘性材料和低透水性材料组成的坡段上，并且可看清楚事故发生的过程。周平根博士在国内外学者和他自己研究的基础上,总结了滑坡中地下水与岩土体相互作用机制的研究思路和研究方法:工程地质勘察、水文地质学法、分析测试技术与机制研究、实时的动态监测、复杂系统的非线性科学方法和综合评价方法等,分析了滑坡中水岩作用的基本类型和滑坡的机理,并探讨了影响水岩作用的因素。2研究趋势近年来，除基础地质及与矿产资源有关的课题继续深入外，地下水环境演化与全球变化、含水系统中微量变价元素的迁移、转化与富集、地下水环境污染治理与修复、废物地质处置与二氧化碳封存等，已经成为水岩作用领域的研究热点．随着物理、化学、生物等领域中各种新理论和新方法的不断应用，水岩作用研究面临着新的机遇和挑战，主要包括：地下水系统中生物地球化学过程研究、水－岩相互作用中微观机理与宏观地球化学过程的耦合，以及水－岩相互作用中的同位素分馏及应用等．目前，纵观国内外在水岩作用的研究情况,在水文地质与工程地质方面可以看出,研究主要还集中在对其力学或物理化学作用单方面的影响上,对两者的综合研究—即两者综合起来对岩土体力学特性及工程稳定性的影响的资料则很少,如在研究岩土体中应力场与渗流场的耦合作用时,如何同时考虑水对岩土体的物理化学作用;另外,由于水岩作用具有时间效应,如何能将这种时间因子考虑进去,它对工程的影响是如何实现的等等。这两个问题都有待于岩土界及工程地质界科学家的进一步研究。特别的,随着近年来计算机技术的发展,数值模拟技术越来越多的用于岩土程中,借助于数值模拟来研究水岩作用的问题也是一个研究方向,将会给水岩作用的研究带来很大的突破。参考文献[1]易夏玮.国内外水岩相互作用的研究概况.科技创新导报，2010.[2]周平根.滑坡的地下水作用研究[D].中国科学院地质研究所博士文,1997.[3]周平根.滑坡中地下水与岩土体相互作用研究概论[C].见:工程地质——面向21世纪(第四届全国青年工程地质大会论文集).武汉:中国地质大学出版,1997:642～649.[4]周平根.滑坡中地下水与岩土体相互作用机理的研究[J].地学前缘(中国地质大学,北京),1996,Vol.3,No.1～2:34.[5]周平根.地下水与岩土介质相互作用的工程地质力学研究[J].地学前缘(中国地质大学,北京),1996,Vol.3,No.1～2:176.[6]周平根.滑带土强度参数的估算方法[J].水文地质工程质,1998,6:30～32.[7]沈照理.应该继续重视与开展水-岩相互作用的研究[J].水文地质工程地质,1997,4:16～20.[8]王思敬,马凤山,杜永廉.水库地区的水岩作用及其地质环境影响[J].工程地质学报,1996,3[9]沈照理.水岩相互作用研究的机遇与挑战.中国地质大学学报，2012.3