三峡水库运行期消落带红砂岩强度劣化的化学干预研究

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三峡水库运行期岸坡消落带红砂岩在周期性“湿干”交替作用下强度会发生劣化,给红砂岩岸坡的稳定性带来不利的影响,甚至引起岸坡的失稳。为了保障三峡水库的正常运行,对水库运行期消落带红砂岩强度劣化的进程进行干预是十分有必要的。鉴于上述目的,本文选取三峡库区消落带侏罗系红砂岩为研究对象,通过开展水库运行期消落带红砂岩所处的岸坡应力和周期性“湿干”交替共同作用的物理化学环境条件室内模拟方法研究、岸坡应力和周期性“湿干”交替共同作用的物理化学环境条件下红砂岩宏观力学强度、物质组成成分及微细观结构等变化测试试验研究,获得红砂岩宏观力学强度、胶结物含量、孔隙裂隙的分布与几何特征参数等随水库运行时间的变化规律,揭示水库运行期消落带红砂岩宏观力学强度劣化的物理化学机制,并以此为依据提出干预水库运行期消落带红砂岩宏观力学强度劣化进程的化学材料,开展化学材料干预后红砂岩在周期性“湿干”交替作用下的宏观力学强度、物质组成成分及微细观结构等变化测试试验研究,并基于试验结果分析化学材料对消落带红砂岩劣化进程的干预机理。具体的研究内容和研究成果概述如下:(1)对水库运行期岸坡消落带红砂岩所处的岸坡应力和周期性“湿干”交替共同作用的物理化学环境特征进行分析,提出通过加大室内配置的水化学溶液中离子浓度的方式来加速水化学溶液对红砂岩的腐蚀作用,以此模拟水库消落带环境中红砂岩与库水的长期相互作用,最终确定室内配置的水化学溶液成分为:120mmol/l CaCl2、30mmol/l Na2SO4、38mmol/l MgSO4和6mmol/l KCl。通过室内模拟试验确定一个水库运行周期内中风化红砂岩的室内“湿化”时间为3天、“干燥”时间为10小时;一个水库运行周期内强风化红砂岩的室内“湿化”时间为3天、“干燥”时间为11小时。(2)随着水库运行时间的增加,红砂岩在宏观力学强度、物质组成、微细观结构等方面均会逐渐发生变化。在宏观力学强度方面,随着水库运行时间的增加,红砂岩的黏聚力和内摩擦角逐渐下降,水库运行初期,即水库运行前6年黏聚力和内摩擦角呈快速下降趋势;此后,随着水库的后续运行,黏聚力和内摩擦角的下降速度逐渐变缓,逐渐趋于稳定;在物质组成方面,随着水库运行时间的增加,红砂岩中胶结物不断流失,具体表现为伊利石的含量不断下降;在微细观结构方面,随着水库运行时间的增加,红砂岩的表面的孔隙、裂隙及片状集合体数量不断增加。(3)水库运行期消落带红砂岩强度的劣化是粘土矿物在湿化阶段的吸水膨胀和干燥阶段的失水干燥,方解石、石英和长石等硅氧矿物在湿化阶段的溶蚀以及水压力作用下微裂隙的扩展共同作用的结果,其中伊利石的周期性膨胀收缩和方解石的溶蚀在其中占主导作用,其最终导致的胶结物(粘土矿物和方解石)和颗粒(石英和长石)之间的胶结变弱是水库运行期消落带红砂岩强度劣化的根本原因。(4)采用环氧树脂材料对水库运行期消落带红砂岩强度的劣化进程进行干预能够取得良好的效果。对于中风化红砂岩来说,使用配比为E51环氧树脂:丁基缩水甘油醚:651低分子聚酰胺=100:20:40配置而成的环氧树脂材料对其在水库运行期强度劣化进程进行干预能取得良好的效果,在水库运行16年后,其黏聚力和内摩擦角仅下降了3.18%和1.22%;对于强风化红砂岩来说,当使用配比为E51环氧树脂:丁基缩水甘油醚:651低分子聚酰胺=100:40:40配置而成的环氧树脂材料对其在水库运行期强度劣化进程进行干预能取得良好的效果,在水库运行16年后,其黏聚力和内摩擦角仅下降了3.70%和1.00%(5)环氧树脂材料涂抹在红砂岩表面并待其完全固化后会在红砂岩的表面形成了一层薄的隔水膜,由于环氧树脂材料具备耐化学腐蚀性强、隔水性能良好等特点,这层薄膜阻断了大部分的库水与红砂岩之间的物理化学作用,这是环氧树脂材料能对水库运行期消落带红砂岩强度劣化进程进行干预的根本原因。
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