第14卷第5期1999年10月
地球科学进展
ADVANCE IN EART H SCIENCES
Vo l.14 No.5
Oct.,1999
学科发展与研究
水—岩化学作用对岩体变形破坏
力学效应研究进展
汤连生 ,王思敬
( 中国科学院地质研究所工程地质力学开放实验室,北京 100029)
( 中山大学地球科学系,广东 广州 510275)
摘 要:水—岩化学作用对岩体变形破坏力学效应的研究涉及力学和化学两方面,也即为地球化学与岩体力学两个研究领域的交叉。针对水化学作用对岩体力学性质的影响机理,较系统地总结了该研究领域中的现状和研究新进展,分析了其研究方法,指出了今后的研究方向和主要研究内容,并认为此方面的研究将在工程地质学中占重要地位。
关 键 词:岩体;水-岩相互作用;水-岩化学作用;渗透作用;变形破坏;力学效应
中图分类号:P64 文献标识码:A 文章编号:1001-8166(1999)05-0433-07
水—岩反应,一般是指水溶液与岩石(体)之间的相互作用,对于岩石力学,则是指水溶液与岩石(体)在岩石固相线下的温度、压力范围内进行的所有化学反应和物理化学作用〔1,2〕。在本文中,尤其是强调其中的水化学作用。水—岩化学作用不仅导致化学元素在岩石与水之间重新分配,而且导致岩石细微观结构的改变,这两者的变化都将导致岩石力学性质的改变。全面而深入地认识岩石力学问题的各个侧面:力学方面(应力、应变、强度、力学性质指标及断裂力学等)、物理方面(结构和构造、温度、物理性质指标、物理损伤等)、化学方面(介质成分、液体成分、化学反应、化学损伤等),需要岩石力学从力学、物理学和化学三个角度并综合运用力学、物理学和化学的成就来开展研究。这是一种全面的研究,对研究工程岩体问题、地质灾害机理及防治提供了新的多种思路和途径。这也标志着人们对岩石变形破坏过程的认识将更加深刻。水—岩反应强调的正是其中的化学反应和物理化学作用。
水—岩化学作用对岩石(体)的力学效应,是相当复杂的,是一个广阔的研究领域,其未知的问题很多。在国内外,此领域的研究都刚刚起步。本文对此领域研究进展的阐述及提出的一些问题,其主要目的是开拓工程地质学及环境地质灾害学的理论、方法的研究思路。
1 研究意义
水—岩化学作用在自然界广泛存在。地壳中大量存在的铝硅酸盐、碳酸盐岩石在H2O和CO2、H2S 等作用下,发生着水化学作用。受力岩体的变形破坏过程,诸如边坡、坝基、围岩等众多岩体稳定性问题,常常有水的参与。水是诱发各种地质灾害最活跃的因素,也是地质灾害演化过程中各种地质作用信息的载体。岩质边坡、坝基、围岩等破坏现象,其发生过程是短暂的,但在其历史发展中其孕育过程是漫长的,其作用机理是复杂的,水—岩化学作用在此过程中起着决定性作用〔3〕。
国家自然科学基金项目“受力岩体渗透、水化学综合作用导致破坏的机理”(编号:59779019)和广东省自然科学基金项目“渗透、水化学综合作用对岩体变形破坏的力学效应研究”(编号:970127)资助。
第一作者简介:汤连生,男,1963年7月生,副教授,现在中山大学地球科学系从事工程地质、岩土力学教学与科研工作。
收稿日期:1999-01-18;修改稿:1999-04-12。
岩石(体)具有的结构特征,可归纳为〔3～5〕
: 微观的位错、晶内缺陷、晶粒间的微孔或微裂纹等; 细观的节理、劈理、缝合线和裂隙等; 宏观的层理、裂隙、断层等; 巨观的造山带、断裂带或剪切带; 结构面的充填物,如方解石、绿泥石及粘土矿物; 结构面中的水溶液及其对流、扩散和沉淀作用等。在宏观上,水—岩化学作用的岩体力学效应,还要考虑地质环境特征——水文地质及自然灾害的分区性的制约。渗透、水化学综合作用对岩体变形破坏的作用
特点是〔3〕: 岩石(体)的结构,如节理裂隙及裂纹分
布区,尤其是裂隙尖端的塑性区,是水—岩化学作
用、渗透作用的活跃带; 岩体渗透、水化学综合作用加剧了受力岩体裂隙相互作用及裂隙聚集效应,使得岩体强度降低及其破坏条件更易满足,而裂隙的聚集、扩展又为水化学作用和渗透提供了更有利的环境。这就是自然界宏观裂隙(以渗透作用为主)与细微观裂隙(以水—岩化学作用为主)天然地配合在一起,
导致受力岩体不稳定的问题。
图1 作为力学作用对象的岩体中各种场之间的耦合
关系图(据汤连生等〔2〕
的修改)Fig .1 Coupling relation among various field in rocks as obj ect of mechanics action (af ter Tang Liansheng ,
et al 〔2〕
,1999)
现实岩体都是历史岩体的发展,岩体的变形破坏实质上是在岩体成分、结构和环境三要素控制下
其结构的变形破坏过程。其中岩体赋存的地质环境是很重要的一方面,其主要因素包括介质场、应力场、化学场和温度场。此四要素就决定了如图1的耦
合作用:应力场、温度场和由岩体矿物成分与地下水
化学成分所决定的化学场之间的相互作用要受到岩体介质场的制约;同时,后者又会受到前者的作用而变化。这种多重耦合的相互作用是动态的演化及逐渐变异和协调的过程。因此,岩体力学应当是研究此耦合作用过程的机理及其力学效应。化学场在整个系统中是一个很重要的子系统,地球化学作用对岩体的力学效应既有负(害)效应,也有正(益)效应。化学向岩体力学的渗透,将丰富岩体力学的研究内容,
使岩体力学的研究与应用更加贴近实际〔2〕
。
2 研究现状
长期以来,在工程地质学领域对水—岩动力学体系的研究主要在于: 岩体渗流场与形变场、应力场的耦合作用; 水的物理作用对受力岩体的力学效应。另一个重要的事实是:水—岩化学作用及渗透、水化学综合作用对岩体变形、破坏的力学效应具有重要的意义,而此方面的研究未受到足够重视。
早在60年代就有学者注意到水对岩石的作用不仅是从有效应力原理方面简单考虑的水对受力岩石的力学效应,而且是一种复杂的应力腐蚀过程。至今为止,众多学者在此方面进行了不同侧面的研究,其主要特点是以实验为基本手段分析了水化学作用对材料的强度腐蚀、裂隙扩展等的作用机理,或对地震、滑坡与地下水性质、化学作用之间的关系进行了宏观分析,或在方法理论上进行了一定探讨。其中强度腐蚀的化学作用过程的机理研究已涉及到的
有〔2〕: 水的pH 值的作用; 全等溶解作用; 非全等溶解作用(水解作用); 离子交换作用; 温度
的影响; 压力的影响。其机理很复杂,对其有各种解释,其中也有以能量的观点来解释水化学作用导
致岩石力学性质改变的机理〔6,7〕
。
2.1 水化学作用对材料强度腐蚀的作用机理
2.1.1 水的pH 值的作用
Wiederhorn 等〔8〕
早在1973年就研究了pH 值
对玻璃裂隙扩展的影响。Atkinson 等〔9〕
等则通过试
验研究了HCl 、NaOH 溶液对石英的裂隙扩展速率、应力强度因子和应力强度系数的影响。结果得出,环境中OH -浓度的增加会加速裂隙的扩展,流体化学成分对裂隙扩展速率和应力腐蚀速率具控制作用,应力强度因子K I 与远场应力、特征裂隙长度等之间存在着定量关系。2.1.2 水解作用
地球表层发生的主要改造作用是化学水解作用
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造成的矿物集合体的风化作用。例如,对于二氧化硅,在裂隙尖端的变形Si-O键比未变形的要更容易与环境因素发生作用,因为变形会引起原子层重叠的减少〔10〕,从而降低了裂隙扩展的障碍。变形键与环境因素之间的作用使键出现弱化现象,然后在低应力下比起未变形键更容易发生破坏。二氧化硅玻璃和石英在水环境下的一般弱化表达式为〔11,12〕: H-O-H+〔≡Si-O-Si≡〕=
≡Si-OH HO-Si≡=2〔≡Si-OH〕强Si-O键的水解作用使更弱的氢键氢氧团与硅原子相联。许多学者通过玻璃的试验,假定上式方程是二氧化硅矿物的应力腐蚀作用的关键所在〔13〕。
二氧化硅在基本环境中经受的腐蚀作用的根据〔14〕是:
≡Si-O-Si≡+OH-=Si-O-+≡Si-OH M ichalske等〔10〕把Si-O-Si键的应力腐蚀解释为由离子水和分子水两者共同造成的,玻璃的应力腐蚀作用可解释为水与Si-O键分子之间的相互作用造成的。但是,离子水还是分子水是硅酸盐玻璃临界断裂的关键因素仍存在争论。例如,Freiman〔15〕认为水分子中的氢核和电子促进了裂隙尖端Si-O-Si键的水解作用,而Atkinso n等〔9〕发现改变氢氧根离子的活度也能明显地改变水环境中的石英的裂隙扩展速率;即使在试验的整个过程中分子的活度基本上维持常数,氢氧根离子浓度的提高也可导致裂隙扩展速率的提高。由此可看出,环境的化学活性可能是控制化学作用对断裂扩展的影响的关键因素。然而,地壳岩石常是多相集合体而不是常用于实验室测试的理想单矿物材料,长石、云母、辉石、角闪石和橄榄石等矿物比起石英也复杂得多,要研究确定每种岩石或矿物的强度腐蚀中哪些是其关键因素是一项艰巨而重要的工作。
2.1.3 溶解作用
水化学溶解作用对岩石裂隙扩展作用的影响因素较多〔16～19〕,如环境湿度、温度及压力等。例如,地下水中SiO2含量的高低取决于水温及围岩中硅酸富集与矿物破碎程度。又如地震孕育发生过程中,应力积累加大,地温升高、矿物破碎或CO2受压力作用而在水中溶解度增大等原因都会促使铝硅酸加速分解。
2.1.4 离子交换作用
离子交换作用对改变裂隙尖端溶液的化学性质起着重要作用。对于水—玻璃系统,氢离子与碱离子的交换甚至在室温条件就会迅速进行,在裂隙尖端产生一基本溶液。因为裂隙尖端处溶液空间的限制,其pH值会迅速提高,一旦pH>9,二氧化硅晶络就会与溶液起化学反应〔20〕。这些离子的交换作用对于临界断裂扩展具有重要作用,其作用强度取决于裂隙尖端处溶液与外界环境扩散交换的难易程度〔13,21〕。两相物质之间的作用模式将由外界环境与裂隙尖端处溶液物质及裂隙尖端附近固体介质的化学性质之间的相互作用所控制〔8,22〕。
2.1.5 水温的影响
砂岩、灰岩等在不同温度(如20℃、40℃、60℃)的试验表明,不同水温环境下岩石的断裂韧度不一样,一般断裂韧度随温度增高而增大〔13,23～25〕。对于水温的影响机制,应与水、岩的化学成分及其化学作用和水溶液渗透过程一起考虑进行实验研究。2.1.6 压力的影响
压力对裂隙扩展的影响很难估计,认为这主要是因为很难分辨压力对临界应力腐蚀断裂扩展所具有的4个方面的作用〔26〕: 固体断裂扩展的应力张量; 裂隙中流体的力学特性; 微裂隙的扩展过程和微裂隙的影响带; 裂隙液体与裂隙尖端固体介质之间的化学作用(化学势和作用强度)。如果应力腐蚀作用或环境因素的化学势动力学和裂隙尖端处反应物受压力的影响,则可看到压力对断裂速率的影响。压力影响裂隙塑性区和裂隙尖端过程带的水化学作用,可运用细观损伤力学或考虑损伤的断裂力学〔27〕进行研究。
2.1.7 水—岩化学作用的岩石宏观力学效应
为了研究自然界中水—岩反应对岩石的宏观力学效应,采取在常温常压及不同循环流速条件下,对在不同化学性质的水化学溶液作用下花岗岩、砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度实验,取得了这些岩石的单轴抗压强度随水溶液性质及循环速率的第一阶段的定量结果〔5〕。已取得的初步结果表明,水对受力岩石的力学效应是与水—岩化学作用密切相关的,岩石强度软化与水—岩化学反应强度成正比。影响水—岩化学作用的岩石力学效应的主要因素有:水溶液循环速率、岩石的矿物成分、岩石的结构或均匀性和水溶液的化学性质。作者对水—岩化学作用的断裂力学效应方面的试验正在进行。
2.2 地震、滑坡、围岩稳定性与水化学作用的宏观
关系分析
地震、滑坡与地下水化学作用有着密切联系。化学作用参与裂纹、裂隙扩展已被引作单一和复合地震的重要前兆〔26〕。已有资料显示,地震前后地下水成分、水温和流量异常,且异常时间较长,有的震前
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第5期 汤连生等:水—岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展
半年多就出现异常,也有临震前1个多月才出现的临震异常,震后异常可持续一定时间〔28〕。例如,日本神户1995年7.2级地震,发现从地震之前的1994年8月到1995年1月17日至地震,地下水中Cl-和SO2-4离子浓度呈逐渐增长趋势,地震之后水样显示了很高的Cl-和SO2-4离子浓度〔29〕。地下水的这种变化,或者是由于区域构造应力场的变化所致,或者是由于地震前后岩石中微裂隙的形成使透水性发生变化而造成的。甚至地下水化学组分异常变化与中小地震还存在着对应关系〔30〕。利用地震水文地球化学前兆特征及水化学监测预报地震的研究已取得了一定的进展。但已有的研究仅着重于水化学成分的宏观变化与滑坡、地震宏观规律关系。要清楚化学作用对地震影响的微观机制,首先要研究水—化学作用对岩体力学的影响机理。在此方面,颜玉定〔31〕通过饱水时间对岩石的各种动态参数影响的实验,探讨了地震与地下水的关系。结果表明,岩石饱水导致了纵、横波速度和动态弹性模量降低并存在差异性。因而认为水—岩水化学作用,使某些成分溶解,破坏和削弱了岩石分子或颗粒的紧密联系,使岩石的内摩擦发生变化,导致地震波的衰减。这种机制已得到普遍承认。岩石的内摩擦不仅引起地震波的衰减,还影响波速比值和弹性模量。长期以来都认为化学环境在摩擦变形方面具有相当重要的作用〔32〕。断层的非稳定滑动(粘滑)是浅源地震的一种可能的机制,在影响断层摩擦滑动性状的诸多因素中,含水矿物组成的断层泥也是一种特殊而重要的因素。摩擦行为的变化还与脱水过程及相应的断层物质的变化密切相关〔33〕。地下水的赋存和运移是对滑坡、围岩等岩体稳定性产生影响的主要自然因素之一。据统计,90%以上的岩质边坡破坏与地下水作用有关。我国大多数滑坡都是以降雨下渗引起地下水状态变化为直接诱导因素。例如,长江中上游地区两岸斜坡的破坏及大瑶山隧道塌方的实际资料,可看出在岩体破坏中水起了相当重要的作用。
2.3 水—岩反应实验研究〔34〕
水—岩反应实验研究在70年代以后发展较快,到80年代初开始出现开放系统、流动条件下的水—岩反应实验,在此之前其实验都是在封闭体系和静态条件下完成的,例如颇有影响的研究者斯坦福大学的Dickso n和Bischoff等。已有的实验发现玻璃的溶解率随流速的提高而增高,且流速有利于平衡矿物组合的形成,甚至通过控制流速可增加反应速率,能在低温水溶液—岩石系统中达到稳定的矿物平衡。近10年,水—岩反应实验研究发展迅速,其重要进展有两个方面: 开放流动体系的水溶液—岩石反应动力学实验; 水溶液—岩石界面地球化学及表面特性的实验研究,其研究成果证实了自然界面在化学上的定向性和不均匀性及矿物表面和整体之间在化学和物理上的差异性。
在水—岩反应的岩石力学效应的研究过程中,要重视超临界水的作用,因为它具有独特的溶解性质,在室温流体中难溶的化合物在超临界环境下会变得易溶,而一些在室温下易溶的化合物在超临界环境下变得难溶〔35〕。而在工程地质地球化学条件的分析中,要重视某些岩石在形成过程中的力学—化学耦合作用及其对后期的水—岩反应的力学效应。一些研究指出,岩石、矿床和构造中许多重要的复杂现象如变质层理、缝合线构造、矿物晶体中的位错构造、板劈理、破劈理以及水力断裂是由于力学—化学耦合引起矿物局部在分配或溶解过程的局域化或化学损伤而形成的〔36〕。
2.4 理论方法的研究
2.4.1 损伤力学
岩体内部往往存在着大量弥散分布的细观缺陷〔37〕,在外部因素,如温度、水化学等作用下,损伤将逐渐演化。岩体的破坏往往就是由于损伤的集中化及扩展,最终形成宏观的缺陷(如裂纹、裂隙)。在宏观裂纹形成以后,水—岩化学作用愈加强烈,其细观的损伤仍在不断演化,并推动宏观缺陷的发展,而宏观裂纹在扩展过程中所扫过的附近区域,是水—岩化学作用强烈的区域,也是细观损伤高度集中的区域。岩石遇水后强度降低,水造成损伤是重要的原因,有时它比力学因素造成的损伤更为严重〔38〕。如何合理地考虑裂隙尖端水化学作用的力学效应,是运用损伤力学理论、思想方法进行水—岩化学作用对岩体的力学效应定量研究的关键。损伤力学在此方面研究的拓展值得重视。
2.4.2 工程地质地球化学
以上研究主要侧重于材料(矿物)或地球化学本身等方面的研究,而水化学对地质工程方面的岩体变形破坏影响方面的研究不足、目的性不强,主要反映在以下几方面的不足: 宏观与微观的结合; 室内试验与工程实践的结合; 实际环境的水化学作用类型、特征及野外典型地段的研究。因此,对于上述问题必须要系统地加以研究,并建立新的研究领域或学科,以期大家共同重视,使工程岩土体不稳定性的研究更加贴近实际。
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地球科学进展 第14卷
工程地质地球化学作为工程地质学的一个分支〔2,39〕,是工程地质学、岩土力学与水文地球化学及地球化学的结合,主要研究岩土体化学结构和水—岩土化学作用的过程、类型、规律性对(受力)岩土体强度、变形、破坏的作用机理的一门新兴交叉学科。其研究的对象和中心点是工程地质问题,主要研究岩土体物质成分、水—岩土化学作用的过程、类型、规律与岩土体强度、变形、破坏的作用机理。例如,研究地球化学作用(尤其是水化学作用)对斜坡、围岩稳定性的影响机理。它属于岩土力学、工程地质学与环境灾害地质学研究领域。
工程地质地球化学的主要研究任务是:通过对岩土体的地球化学作用及其与渗透的综合作用的定量分析,研究此作用对岩体(石)的裂隙扩展、变形、破坏的作用规律(如水化学应力腐蚀问题),或研究此作用对土体的结构、变形、强度的作用规律,并研究上述问题的定量描述方法,建立工程地球化学条件及其对岩土的作用过程与工程岩土体稳定性的关系及相关模型。其主要的研究内容: 地球化学环境与水—岩土化学作用及岩土稳定性; 各种温压条件下,水—岩土化学作用过程、类型及其与岩土力学性质的关系; 岩土流变问题的化学解释; 相关的环境地质、地质灾害研究; 理论、方法的研究。
3 研究方法及其特色
水—岩化学作用是一种基本的地球化学作用,它的发生是以溶液(包括热液)或地下水和岩石之间的化学或同位素的不平衡为前提的。因此,它是开放体系中的一种非平衡的地球化学过程。水—岩相互作用系统作为开放的系统,具有一定的演化条件,并处于一定的演化阶段,是一个动态的系统,它对岩体的力学效应也是动态的。例如,在地球化学风化作用中,所有的原生矿物风化的最终产物是三水铝石,但是,当渗透、化学条件不同时,它们的中间产物是不同的。
人类工程活动对地质环境的扰动,引起地质环境各要素及总体环境发生变化〔40〕,从而引起地下水流动系统(包括介质场、水势场、化学场、温度场)的变化,于是,水—岩相互作用系统的改变,最终导致岩体的力学性质的变化。
由此,与其研究内容相适应的研究方法主要是实验方法、历史演化分析法、数学模拟分析法和工程地质地球化学方法及类比法。在水—岩化学作用对岩体力学效应实验研究的基础上,定量模拟水—岩相互作用中的一些化学过程,恢复或回溯水—岩化学作用的演化历程以及人类工程活动影响后的演化趋势,是研究水—岩化学作用岩体变形破坏力学效应的主要方法。水—岩化学作用研究方法重要的理论基础是:地球化学热力学与地球化学动力学。对于水—岩化学作用的开放体系,要重视其非平衡态的非线性动力学理论的研究。
从研究过程来讲,其研究方法主要包括: 水—岩化学作用形迹的观测方法及其地球化学条件的野外调查、推断; 室内外试验和模型模拟,定量分析水—岩化学作用过程与岩石(体)强度、变形和破坏或裂隙扩展的关系; 分析失稳岩体的工程地质地球化学环境及其与岩体破坏之间的关系。其中要重视定性定量相结合的分析方法。
4 展 望
重视化学作用无疑对岩体变形破坏力学效应的研究有重要的理论与实践意义,它将以往的工程地质学放在一个更加微观、更加细致的角度去考虑。这也是现代工程地质学走向更精细的一个标志〔2〕。它为工程岩体稳定性的评价、地质灾害的防治及相应参数的选择与分析都提供了一个新观点。
节理裂隙端点塑性区和微裂隙带是水—岩化学反应的敏感区,据已有实验数据,这种化学反应的特性及其在裂隙扩展、岩体变形破坏中可能起很大的作用。可以说,渗透、水化学综合作用对岩体裂隙扩展、变形和破坏的影响机理的研究和解决,关系到岩体断裂力学的研究及其解决问题能否贴近实际及其应用的效果。
水—岩相互作用研究的一个关键理论问题就是阐明整个过程的化学动力学效应。目前,在水—岩化学作用的研究中所建立的地球化学动力学理论主要和表面作用有关,重点解释水—硅酸盐体系中由于化学不平衡造成水—岩相互作用的机理。但是,深入探讨水化学作用对岩体的力学效应必须对岩石矿物的微观反应有相当的了解,这也是要更深入进行研究的主要内容和前提条件。其中,水—岩化学作用与岩体力学之间的量化关系是其研究的目标。在此方面,可加强考虑水化学损伤的断裂力学的机制、理论的探索性研究。类似于金属的氢脆现象,确定地壳中哪些是影响水—岩化学作用对岩体的力学效应的重要元素或物质成分,以及岩土流变问题的化学解释,都是本领域的重要研究内容和研究方向。
化学向岩石力学、岩体断裂力学及岩体水力学
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第5期 汤连生等:水—岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展
的渗透,必将丰富岩体力学的研究内容。此方面的研究可指导工程岩体稳定性和区域稳定性的研究及其监测工作,并为工程地质地球化学奠定理论基础,将之应用于水利工程和岩体稳定性等实际问题具有重大意义。因此,应重视水—岩化学作用的微观试验与地质灾害的宏观环境分析的相结合及其定量关系方面的研究。
总的来说,水—岩土的化学作用对岩土体力学性质的影响,是岩土力学中亟待开拓的研究领域。此方面的研究及其应用将直接导致地质灾害研究领域中新认识的出现,并在地质灾害机理、防治研究和环境地质研究等方面具有广泛的应用前景〔5〕。其中人类工程活动对环境地质中水—岩土化学作用及岩土稳定性的影响很值得重视。
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PROGRESS IN THE STUDY ON MECHANICAL EFFECT
OF THE CHEMICAL ACTION OF WATER -ROCK ON DEFORMATION AND FAILURE OF ROCKS
T AN G Liansheng ,WA N G Sijing
( I nstitute of Geology ,The Chinese Academg o f S ciences ,Beij ing 100029,China )( Dep artment of E arth Sciences ,Zhongshan Univ ersity ,Guangz hou 510275,China )
Abstract :The resear ch on m echanical effect of the chem ical action of water -rock o n deform ation and failure o f rocks inv olves tw o aspects of mechanics and chemistry.It is the cro ss betw een geochemistr y and mechanics.In connection w ith the mechanism of effects of the chem ical action of w ater -rock on deformation and failure of rocks ,the research sig nificance ,the present state ,r esearch metho ds and the developments in this research dom ain are sum marized sy stem atically ,and the content and metho ds o f the research are analyzed.T he resear ch contents of the pr esent state ex pounded in this paper include (1)the mechanism on the m echanical effects of the chemical actio n o f w ater -rock on fracture mechanics and failure of ro cks ,(2)the macroscopic relations o f the chemical actio n of w ater -ro ck and earthquakes and landslide stability ,(3)exper im ental studies of w ater-ro ck interaction,(4)chem ical damage m echanics and eng ineer ing g eo logy geochemistry.Authors pro spect the future of r esearching m echanical effect of the chemical action of w ater -rock on deformation and failur e of rocks ,and the r esearch w ould be possessed of important position in studying engineering geolog y .
Key words :Rocks;Water-ro ck interaction;Chemical action o f w ater -rock;Permeability;Deform ation and failure;M echanical effect.
439第5期 汤连生等:水—岩化学作用对岩体变形破坏力学效应研究进展
水力学练习题及参考答案 一、是非题(正确的划“√”，错误的划“×) 1、理想液体就是不考虑粘滞性的实际不存在的理想化的液体。（√） 2、图中矩形面板所受静水总压力的作用点与受压面的形心点O重合。(×) 3、园管中层流的雷诺数必然大于3000。(×) 4、明槽水流的急流和缓流是用Fr判别的，当Fr＞1为急流。(√) 5、水流总是从压强大的地方向压强小的地方流动。（×） 6、水流总是从流速大的地方向流速小的地方流动。（×） 6、达西定律适用于所有的渗流。（×） 7、闸孔出流的流量与闸前水头的1/2次方成正比。（√） 8、渐变流过水断面上各点的测压管水头都相同。(√) 9、粘滞性是引起液流运动能量损失的根本原因。(√) 10、直立平板静水总压力的作用点就是平板的形心。（×） 11、层流的沿程水头损失系数仅与雷诺数有关。(√) 12、陡坡上出现均匀流必为急流，缓坡上出现均匀流必为缓流。(√) 13、在作用水头相同的条件下，孔口的流量系数比等直径的管嘴流量系数大。(×) 14、两条明渠的断面形状、尺寸、糙率和通过的流量完全相等，但底坡不同，因此它们 的正常水深不等。(√) 15、直立平板静水总压力的作用点与平板的形心不重合。（√） 16、水力粗糙管道是表示管道的边壁比较粗糙。(×) 17、水头损失可以区分为沿程水头损失和局部水头损失。(√) 18、牛顿内摩擦定律适用于所有的液体。(×) 19、静止液体中同一点各方向的静水压强数值相等。（√） 20、明渠过流断面上各点的流速都是相等的。(×) 22、静止水体中,某点的真空压强为50kPa，则该点相对压强为-50 kPa。(√) 24、满宁公式只能适用于紊流阻力平方区。(√) 25、水深相同的静止水面一定是等压面。(√) 26、恒定流一定是均匀流，层流也一定是均匀流。（×） 27、紊流光滑区的沿程水头损失系数仅与雷诺数有关。(√) 28、陡坡上可以出现均匀的缓流。(×) 29、满宁公式只能适用于紊流阻力平方区。(√) 30、当明渠均匀流水深大于临界水深，该水流一定是急流。(×)
习题六 地下水的化学成分及其形成作用 一、名词解释 1．总溶解固体：地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量。 2．变温带：受太阳辐射影响的地表极薄的带。 3．常温带：变温带以下，一个厚度极小的温度不变的带。 4．增温带：常温带以下，随深度增大而温度有规律地升高的带。 5．地温梯度：指每增加单位深度时地温的增值。 6．溶滤作用：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这就是溶滤作用。 7．浓缩作用：由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大的作用。 8．脱碳酸作用：地下水中CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。 9．脱硫酸作用：在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使硫酸根离子还原为硫化氢的作用。 10．阳离子交换吸附作用：一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。 11．混合作用：成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水，这便是混合作用。 12．溶滤水：富含CO2与O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。 13．沉积水：指与沉积物大体同时生成的古地下水。 14．内生水：来自地球深部层圈物质分异和岩石变质作用过程中化学反应生成的水。 15．总硬度：水中所含钙离子和镁离子的总量。 16．暂时硬度：指水中钙离子和镁离子与碳酸根离子和重碳酸根
离子结合的硬度。 17．永久硬度：指水中钙离子和镁离子与氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子结合的硬度。 二、填空 1．地下水中含有各种 气体、离子、胶体物质、有机质 以及微生物等。 2．地下水中常见的气体成分有 氧气、氮气、二氧化碳、甲烷 及硫化氢 等。 3．地下水中分布最广、含量较高的阴离子有 氯离子、硫酸根离子及重碳酸根离子 等。 4．地下水中分布最广、含量较高的阳离子有 钠离子、钾离子、钙离子 及 镁离子 等。 5．一般情况下，低矿化水中常以 重碳酸离子、钙离子 及 镁离子 为主；高矿化水则以 氯离子及 钠离子 为主。 6．一般情况下，中等矿化的地下水中，阴离子常以 硫酸根离子为主，主要阳离子则可以是 钠离子 ，也可以是 钙离子 。 7．地下水化学成分的形成作用有 溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用和混合作用。 8．据地下水化学成分的成因类型，可将地下水分为 溶滤水、沉积水 和 内生水 。 9．在低矿化水中，阴离子以重碳酸盐为主，阳离子以钙离子、镁离子为主。随着蒸发浓缩，溶解度小的钙、镁的碳酸盐部分析出， 硫酸根 及 钠离子 逐渐成为主要成分，继续浓缩，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，便将形成以 氯离子 、钠离子 为主的高矿化水。 10．当含钙为主的地下水，进入主要吸附有钠离子的岩土时，水中的钙离子便置换岩土所吸附的一部分 钠离子 ，使地下水中 钠离子增多而 钙离子 减少。
第一章 绪论 1-1．20℃的水2.5m 3 ，当温度升至80℃时，其体积增加多少 [解] 温度变化前后质量守恒，即2211V V ρρ= 又20℃时，水的密度3 1/23.998m kg =ρ 80℃时，水的密度32/83.971m kg =ρ 32 1 125679.2m V V == ∴ρρ 则增加的体积为3 120679.0m V V V =-=? 1-2．当空气温度从0℃增加至20℃时，运动粘度ν增加15%，重度γ减少10%，问此时动力粘度μ增加多少（百分数） [解] 原原ρννρμ)1.01()15.01(-+==Θ 原原原μρν035.1035.1== 035.0035.1=-=-原 原 原原原μμμμμμΘ 此时动力粘度μ增加了% 1-3．有一矩形断面的宽渠道，其水流速度分布为μρ/)5.0(002.02 y hy g u -=，式中ρ、μ分别为水的密度和动力粘度，h 为水深。试求m h 5.0=时渠底（y =0）处的切应力。 [解] μρ/)(002.0y h g dy du -=Θ )(002.0y h g dy du -==∴ρμ τ 当h =，y =0时 )05.0(807.91000002.0-??=τ Pa 807.9= 1-4．一底面积为45×50cm 2 ，高为1cm 的木块，质量为5kg ，沿涂有润滑油的斜面向下作等速运动，木块运动速度u=1m/s ，油层厚1cm ，斜坡角 （见图示），求油的粘度。
[解] 木块重量沿斜坡分力F 与切力T 平衡时，等速下滑 y u A T mg d d sin μθ== 001 .0145.04.062 .22sin 8.95sin ????= = δθμu A mg s Pa 1047.0?=μ 1-5．已知液体中流速沿y 方向分布如图示三种情况，试根据牛顿内摩擦定律y u d d μτ=，定性绘出切应力沿y 方向的分布图。 [解] 1-6．为导线表面红绝缘，将导线从充满绝缘涂料的模具中拉过。已知导线直径0.9mm ，长度20mm ，涂料的粘度μ=．s 。若导线以速率50m/s 拉过模具，试求所需牵拉力。（） y u u u u y u u y ττ= 0y τ τ y 0 τττ =0 y
水岩作用的研究现状及趋势 水岩作用(Water-Rock Interaction—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-Rock Interaction—WR I ) ,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
第27卷 第12期 岩石力学与工程学报 V ol.27 No.12 2008年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec .，2008 收稿日期：2008–08–07；修回日期：2008–09–16 作者简介：蒋宇静(1962–)，男，博士，1982 年毕业于山东矿业学院，现任教授，主要从事岩石力学和土木工程方面的教学与研究工作。E-mail ：jiang@civil.nagasaki-u.ac.jp 岩石裂隙渗流特性试验研究的新进展 蒋宇静1， 2，李 博1，王 刚2，李术才3 (1. 长崎大学 工学部，日本 长崎 852–8521；2. 山东科技大学，山东 青岛 266510； 3. 山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061) 摘要：综述国内外关于岩体裂隙渗流特性的研究成果，并进行相应的分析和讨论。分析表明：试验研究在岩体裂隙渗流特性方面具有不可替代的作用；许多研究者根据试验结果提出相应的经验公式，但关于岩石裂隙渗流应力耦合特性研究的计算公式还没有统一的认识。分析结论也为今后的岩体裂隙渗流特性的试验研究提供了有益的方向。 关键词：岩石力学；岩石裂隙；试验研究；力学开度；水力等效开度；应力渗流耦合；综述 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)12–2377–10 NEW ADV ANCES IN EXPERIMENTAL STUDY ON SEEPAGE CHARACTERISTICS OF ROCK FRACTURES JIANG Yujing 1， 2，LI Bo 1，WANG Gang 2，LI Shucai 3 (1. Faculty of Engineering ，Nagasaki University ，Nagasaki 852–8521，Japan ； 2. Shandong University of Science and Technology ，Qingdao ，Shandong 266510，China ； 3. Research Center of Geotechnical and Structural Engineering ，Shandong University ，Jinan ，Shandong 250061，China ) Abstract ：The researches on seepage characteristic of rock joints are reviewed and analyzed. The results show that the experimental study plays a very important role in researching on hydro-mechanical characteristic of rock joints. Many researchers bring forward the experiential computation formulations according to the experimental researches ，but there are not consistent understandings about them. The available research directions are put forward for the future research on hydro-mechanical characteristics of fractured rock masses. Key words ：rock mechanics ；rock fractures ；experimental study ；mechanical aperture ；hydraulic equivalent aperture ；stress-fluid coupling ；review 1 引 言 裂隙岩体中空隙的尺寸和连通程度一般都远小于岩体中节理裂隙，而且裂隙的水力传导系数远大于完整岩石中孔隙的渗透系数，因此节理裂隙是岩体中水运动的主要通道[1 ，2] 。裂隙岩体中存在的节 理裂隙等缺陷严重影响着岩体的渗透特性。岩体渗流特性的研究在各种地质工程应用中占有重要的地位，比如水利水电工程、采矿和石油工程、核废料储存工程。法国Malpasset 拱坝(1959)在初次蓄水时 发生溃坝，意大利的瓦依昂边坡失稳(1963)等事故引起了人们对裂隙岩体渗流问题的高度重视。在当前日益增长的环境控制条件下，流入开挖区域水量的估计和污染矿水的排泄程序都是地下工程的发展和运营时期的重要影响因素；在核废料储存工程中，地下水的辐射污染也需要特别注意和预防。 裂隙岩体的渗流场受应力环境的影响，而渗流场的变化反过来又对应力场产生影响，这种相互影响称之为应力渗流耦合。渗流场与应力场相互耦合是岩体力学中的一个重要特性。在岩体工程实践中，节理变形影响节理开度及其渗流性质，从而使
水力学模拟试题及答案 1、选择题：（每小题2分） （1）在水力学中，单位质量力是指（） a、单位面积液体受到的质量力； b、单位体积液体受到的质量力； c、单位质量液体受到的质量力； d、单位重量液体受到的质量力。 答案：c （2）在平衡液体中，质量力与等压面（） a、重合； b、平行 c、相交； d、正交。 答案：d （3）液体中某点的绝对压强为100kN/m2，则该点的相对压强为 a、1 kN/m2 b、2 kN/m2 c、5 kN/m2 d、10 kN/m2 答案：b （4）水力学中的一维流动是指（） a、恒定流动； b、均匀流动； c、层流运动； d、运动要素只与一个坐标有关的流动。 答案：d （5）有压管道的管径d与管流水力半径的比值d /R=（） a、8； b、4； c、2； d、1。 答案：b （6）已知液体流动的沿程水力摩擦系数 与边壁相对粗糙度和雷诺数Re都有关，即可以判断该液体流动属于 a、层流区； b、紊流光滑区； c、紊流过渡粗糙区； d、紊流粗糙区 答案：c （7）突然完全关闭管道末端的阀门，产生直接水击。已知水击波速c=1000m/s，水击压强水头H=250m，则管道中原来的流速v0为 a、1.54m b 、2.0m c 、2.45m d、3.22m 答案：c （8）在明渠中不可以发生的流动是（） a、恒定均匀流； b、恒定非均匀流； c、非恒定均匀流； d、非恒定非均匀流。 答案：c （9）在缓坡明渠中不可以发生的流动是（）。 a、均匀缓流； b、均匀急流； c、非均匀缓流； d、非均匀急流。 答案：b （10）底宽b=1.5m的矩形明渠，通过的流量Q =1.5m3/s，已知渠中某处水深h = 0.4m，则该处水流的流态为 a、缓流； b、急流； c、临界流；
高等岩石力学 读书报告 学院：国土资源工程学院 专业：地质工程 姓名：曾敏 学号：2006201071 高等岩石力学读书报告 岩石力学是研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。又称岩体力学，它是力学的一个分支。研究的目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。它是近代发展起来的一门新兴学科，是一门应用性的基础学科。对于岩石力学的定义有很多种说法，这里推荐一种较广义、较严格的定义：“岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论科学，同时也是应用科学；它是力学的一个分支，研究岩石对于各种物理环境的力场所产生的效应。”这个定义既概括了岩石力学所研究的破碎与稳定两个主要方面的内容，也概括了岩石受到一切力场作用所引起的各种力学效应。岩石力学的理论基础相当广泛，涉及固体力学、流体力学、计算数学、弹塑性理论、工程地质和地球物理学等学科，并与这些学科相互渗透。 岩石力学主要理论基础及与其他学科的结合 岩石力学是一门应用性的基础学科。它的理论基础相当广泛，涉及到很多基础及应用学科。岩石力学的力学分支基础 1、固体力学 固体力学是力学中形成较早、理论性较强、应用较广的一个分支，它主要研究可变形固体在外界因素(如载荷、温度、湿度等)作用下，其内部各个质点所产生的位移、运动、应力、应变以及破坏等的规律。在采矿工程中用到的固体力学主要有：材料力学，结构力学，弹、塑性力学，复合材料力学，断裂力学和损伤力学。如把采场上覆岩层看作是梁或板结构用的就是结构力学理论；采用弹性力学研究巷道周围的应力分布。 2、流体力学 流体力学主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律。流体力学中研究得最多的流体是水和空气。对于地下采矿工程来说，其研究对象就是地下水与瓦斯等矿井气体。 3、爆炸力学 爆炸力学主要研究爆炸的发生和发展规律，以及爆炸的力学效应的利用和防护。它从力学角度研究爆炸能量突然释放或急剧转化的过程，以及由此产生的强冲击波(又称激波)、高速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。同时爆炸力学是流体力学、固体力学和物理学、化学之间的一门交叉学科。地下开采中的巷道掘进，露天开采中的采剥都要进行爆破。 4、计算力学 计算力学是综合力学、计算数学和计算机科学的知识，以计算机为工具研究解决力学问题的理论、方法，以及编制软件的学科。从20世纪50年代以来，它在力学的各分支学科和边缘学科中得到了很大的发展，无论是在科学研究还是工程技术中均得到了广泛应用，现在它已成为力学除理论研究和实验研究之外的第3种手段。常见的计算力学方法并已广泛用到数值模拟计算中的有：材料非线性有限元法、几何非线性有限元法、热传导和热应力有限元法、弹性动力学有限元法、边界元法、离散元法、无网格法、有限差分法、非连续变形分析等。以计算力学为基础的数值模拟方法在采矿工程中的研究应用也正广泛地开展起来。
消防水力学基础知识 一、判断题 1、水有三种状态：固体、液体和气体。液体与固体的主要区别是液体容易流动，液体与气体的主要区别是液体体积不易压缩。（） 2、水温升高 10℃，单位体积的水需要的热量，称为比热容。（） 3、水的比热容比其他液体的比热容都要小。（） 4、单位体积的水由液体变成气体需要吸收的热量称为水的汽化热。（） 5、纯净的水当温度下降到 4℃时，开始凝结成冰。（） 6、液体单位体积内所具有的重量称为密度。（） 7、液体单位体积内所具有的质量称为容重。（） 8、水结成冰，由液体状态变成固体状态，水分子间的距离减小，因而体积随之减小。（） 9、处于流动状态的水不易结冰。因此，为不使水带内的水冻结成冰，在冬季火场上，当消防队员需要转移阵地时不要关闭水枪。（） 10、粘滞性在液体流动时是不显示作用的。（） 11、水在管道或水带内流动要客服内摩擦力，因此，会产生水头损失。（） 12、水的体积随压力增加而增加的性质称为水的压缩性。（） 13、水的体积随水温升高而增大的性质称为水的膨胀性。（） 14、水中含有杂质越多，电阻率越大，导电性能越大。（） 15、水取用方便，分布广泛，同时由于水在化学上呈中性，无毒，且冷却效果非常好，因此，它是最常用、最主要的灭火剂。（） 16、水与锌粉、镁铝粉等金属粉末接触，在火场高温情况下不会助长火势扩大和火灾蔓延。（） 17、锂、钾、钠、锶、钾钠合金等活泼金属与水化合时，夺取水中的氧原子，放出氢气和大量的热量，使释放出的来的氢气与空气中氧气相混合形成的爆炸性混合物，发生自燃或爆炸。（） 18、水与硅化镁、硅化铁等接触，会释放出自燃物四氢化硅，四氢化硅易与空气中的氧反应，发生闪燃。（）
一、单项选择题 （每小题3分，共计12分） 1．在水力学中，单位质量力是指 （c ） a 、单位面积液体受到的质量力； b 、单位体积液体受到的质量力； c 、单位质量液体受到的质量力； d 、单位重量液体受到的质量力。 2．在平衡液体中，质量力与等压面 （d ） a 、重合； b 、平行 c 、相交； d 、正交。 3．液体只受重力作用，则静止液体中的等压面是 （b ） a 、任意曲面； b 、水平面 c 、斜平面； d 、旋转抛物面。 4．液体中某点的绝对压强为88kN/m 2 ，则该点的相对压强为 （ b ） a 、10 kN/m 2 b 、-10kN/m 2 c 、12 kN/m 2 d 、-12 kN/m 2 二、填空题 （每小题3分，共计12分） 1．牛顿内摩擦定律适用的条件是 层流运动 和 牛顿液体 。 2．理想液体的概念是指 。没有粘滞性的液体 3．液体中某点的相对压强值为20kN/m 2 ，则该点的绝对压强值为 kN/m 2 ，真空度为 。118、0 4．当压力体与受压面在同一侧，铅垂方向的作用力的方向是向 。下 三、判断题 （每小题3分，共计6分） 1．作用任意平面上静水总压力的作用点与平面的形心点重合。 （×） 2．均质连续静止液体内任何一点的测压管水头等于常数。 （√） 四、问答题 （每小题4分，共计8分） 1．液体的基本特征是什么？ 答案：易流动的、不意被压缩的、均匀等向的连续介质。 2．什么是液体的粘滞性？它对液体运动有什么影响？ 答案：对于流动的液体，如果液体内部的质点之间存在相对运动，那么液体质点之间也要产生摩擦力来反抗这种相对运动的发生，我们把液体这种相对运动的发生，我们把液体的这种特性称为粘滞性；黏滞性是液体在流动中产生能量损失的根源 五、作图题（每小题4分，共计12分） 1．试绘制图中AB 面上的静水压强分布图 2．试绘制图中曲面ABC 上的水平方向静水压强分布图及压力体图 3．容器内充满了液体，测压管液面如图所示，试绘制图中曲面ABC 上的压力体图 六、计算题 （共4题，计50分） 1. 如图所示，平板在水面上作水平运动，速度为v=10cm/s ，平板与下部固定底板的距离为δ=1mm ，平板带动水流运动速度呈直线分布，水温为20C ，试求：作用平板单位面积上的摩擦力。 （10分） 解:
水岩作用研究现状及趋势 水岩作用是指：水、热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。它是一种基本的地球化学作用，导致了化学元素、同位素在岩石与水之问重新分配，是元素活化、迁移及整个地球化学质量平衡过程的一种潜在因素。因此，它并不局限于某一种地质过程，而是广泛地存在于地壳乃至上地幔中。在水岩作用中，基本的地球化学、物理化学方式有：①流体对固相的溶解淋滤和交代，②固液两相间的同位索交换，③氧化一还原，④流体、地下水中的元素在固相表面的吸附，⑤流体、地下水流经细孔隙岩石时发生的渗滤分异。以上①、②两项在热液活动中有着广泛的意义。 水岩作用的主要地球化学特点如下：①水岩作用以流体、地下水和岩石之间存在的化学或同位素的不平衡为前提，并且是一个非平衡的地球化学过程②水岩作用的地球化学效应，与同一体系中诸矿物或元素问的差异行为有关，这种差异是元素选择性迁移、栝化及矿物间同位素非平衡现象的原因，⑤水岩作用是一个与时间有很大关系的过程，尤其是一些受局部性、暂时性热源控制的水岩作用，表现得更为明显。 由于上述原因，水岩作用研究的一个关键问题，就是阐明整个过程的动力学效应。地球化学动力学理论是水岩作用地球化学研究的主要理论工具，在今后的一段时间内将是地球化学理论的一个重要发展方向。
水岩作用对各种地质构造、工程施工都有很重要的影响，目前，主要研究以下几个方面： 1、低温地热系统水岩作用的实验研究。用水——岩反应实验模拟了开采条件下天然地热水的化学组分，研究开采引起的水化学性质改变的主要控制因素和过程，认为其机理通常是储层中水岩反应的重新整。实验结果揭示出储层中水岩比发生了局部变化，从理论上找到了地热水资源开发中的水动力学过程和水化学过程的结合点，在实践找到到了调节、控制和改良水质的技术途径和方法。 2、红层泥岩水岩作用特征研究。红层中的泥岩具有透水性弱、亲水性强，遇水易软化、塑变，抗风化能力弱，易崩解等特性。特别是遇水后岩体及结构面抗剪强度大幅度降低，并且具有遇水膨胀、失水收缩的工程特性。水岩作用对边坡的影响主要有，结构面遇水泥化导致楔形体失稳，泥岩塑性变形引起边坡蠕变，同时红层还具有很强的崩解性，边坡开挖后发生崩解等现象。 3、滑坡体水岩作用机制与变形机理研究。水岩作用对滑坡形成与发展具有非常重要的影响。从水岩作用的材料力学效应、水力学效应、化学效应及地震效应4个方面对某滑坡体的水岩作用机制进行了分析，其中前3种作用机制对滑坡体的变形演化与复活关系最为密切。在此基础上，对滑坡体变形机理进行了综合分析。分析认为，滑坡发育的基本条件有软硬相间的有利地层结构、地质构造条件等；滑坡发育的诱发因素有降雨、水库蓄水及人类活动等。 4、人工回灌条件下的水岩作用研究。人工回灌过程中所发生的
2012年岩石力学与岩石工程留学申请选校总结（原创） 离天天翻腾全球各大高校的网站，选择导师的那个苦逼时候已经有段时间了，趁等签证的空隙，总结一下自己以前物色学校的经历和经验，分享出来供以后的欲出国读博的学弟学妹们借鉴。由于自己喜欢的方向主要偏向岩石边坡工程和岩石地下工程，因此在申请的时候主要关注了全球在此方向有研究的高校。岩石力学与岩石工程方向相关的申请参考资料较少，希望本文能对欲从事和已经在从事这方面研究的，并有意向出国深造的童鞋们在找外导的时候有所帮助。不足或者不对的地方欢迎大家拍砖，但请手下留情。 1. 英国 提到对岩石力学的贡献就不得不提到英国。而提到英国就不得不提到帝国理工学院（Imperial College London），当今全球岩石力学领域的大牛可以说一大部分都曾在帝国理工学院工作或者学习过，像E.T. Hoek和E. Brown，Hoek曾经担任过帝国理工学院的教授，Brown在帝国理工学院学习后并任教。也正是那时，两个人合作提出了著名的Hoek-Brown强度准则。此外像提出Q分类系统的N. Barton，和E. Hoek合作编写过Rock Slope Engineering 的John Bray，前任过国际岩石力学协会主席、英国皇家工程院院士的J.A. Hudson，现任国际岩石力学协会副主席的Jian Zhao （赵坚），岩石结构面研究的S.D. Priest，澳大利亚皇家科学院院士Brady B.H.G（和Brown合作编写过Rock mechanics for underground mining一书）等都曾博士毕业于帝国理工学院的Rock Mechanics Group。可以说上世纪70、80甚至90年代，帝国理工学院都是岩石力学的天下，创造了国际岩石力学领域近半数的研究成果。然而现在这些国际大牛中的一大部分要么转投他校，要么退休在家养老，帝国理工学院在岩石力学领域的研究势头和研究的密集程度已远不如当年。仅留的部分教授现在都在搞数值方面的研究，唯一剩下从事工程岩石力学研究的J. Harrison教授也于2010年去了多伦多大学（Harrison曾与Hudson 合编过著名的Engineering Rock Mechanics一书，这位也将是我未来的老板）。瘦死的骆驼终归比马大，现在International Journal of Rock Mechanics and Mining Engineering的主编依然是帝国理工学院的Robert Zimmerman教授。 利兹大学的Prof. Steve Hencher，Rock Mechanics and Rock Engineering的副主编，不过他大部分时间都呆在香港，即使申请到他的博士，估计也不会有什么时间带。 此外诺丁汉大学和曼彻斯特大学等都有相关领域的学者，但是由于规模和人数比较少，不再列举，感兴趣的可以搜索其网站。 英国有一个很大的好处就是读博的话只需要三年，而且雅思成绩要求也不高，像帝国理工学院这样的牛校，雅思也只要求6.5，其他大部分学校6分就够了。对于雅思暂时考的不是很理想，而且想赶紧博士毕业了去工作的，英国绝对是你的不二选择。 2. 北欧 本人对北欧国家没有太多的关注，一个最大的原因就是北欧大部分高校的英文网站信息不全，这里只简单的介绍几个。德国的话可以关注下慕尼黑工业大学。想去荷兰的同学可以关注下代尔夫特理工大学，世界上顶尖的理工大学之一，并被誉为欧洲的麻省理工学院。瑞典的话可以看下瑞典皇家工学院School of Architecture and the Built Environment的Lanru Jing（井兰如）教授，研究方向偏向岩石水力学，曾经跟中国地质大学的潘别桐教授合作过，也算是此领域的大牛。此外挪威的挪威科技大学、挪威岩土工程研究所（NGI）等都是地质工程领域的顶尖研究机构。 3. 瑞士 瑞士最有名的应该算是苏黎世联邦理工（ETH）和洛桑联邦理工（EPFL），瑞士以其极高的可研水平和优美的环境吸引了大量中国留学生的青睐。苏黎世联邦理工的在全球排名应该可以进前十，Simon L?w教授有一帮非常庞大的科研团队，主要集中在岩石边坡和隧道工程的研究。还有一位忘了名字的教授，主要偏向隧道工程方面的研究。想去瑞士留学的同学都可以
《水力学》试卷 班级：姓名：学号：成绩： 一、单项选择题（填写唯一正确答案的编号） （本大题共10小题，每小题2分，共20分） 1.下列物理量中，有量纲的数为（） a)A．佛汝德数Fr B. 沿程阻力系数λ b)C．渗流系数k D. 堰流流量系数m 2.缓坡明渠中的均匀流是（） a)A．缓流 B. 急流 C. 临界流 D. 可以是急流或缓流 3.管流的负压区是指测压管水头线（） A在基准面以下的部分 B. 在下游自由水面以下的部分 C．在管轴线以下的部分 D. 在基准面以上的部分 4.有两条梯形断面渠道1和2，已知其流量、边坡系数、糙率和底坡相同，但底坡i1>i2， 则其均匀流水深h1和h2的关系为（） A．h1>h2 B. h1
第四章消防水力学基础知识 一、判断题 1.水有三种状态：固体、液体和气体。液体与固体的主要区别是液体容易流动，液体与气体的主要区别是液体体积不易压缩。（√） 2.水温升高10℃，单体体积的水需要的热量，称为水的比热容。（×） 3.水的比热容比替他液体的比热容小。（×） 4.单位体积的水由液体变成气体需要吸收的热量称为水的汽化热。（√） 5.纯净的水当温度下降到4℃时，开始凝结成冰。（×） 6.液体单位体积内所具有的重量称为密度。（×） 7.液体单位体积内所具有的质量称为容重。（×） 8.水结成冰，由液体状态变成固体状态，水分子间的距离减小，因而体积随之减小。（×） 9.处于流动状态的水不易结冰。因此为了不使水带内的水结成冰，在冬季火场上，当消防队员需要转移阵地时不要关闭水枪。（√） 10.粘滞性的液体流动时是不显示作用的。（×） 11.水在管道或水带内流动要客服内摩擦力，因此，会长生水头流失。（√） 12.水的体积随压力增大而增加的性质成为水的压缩性（×）
13.谁的体积随水温升高而增大的性质称为水的膨胀性。（√） 14.水中含有杂志越多，电阻率越大，导电性能越大。（×） 15.水取用方便，分布广泛，同时由于水在化学上呈中性，无毒，且冷却效果非常好，因此，它是最常用，最主要的灭火剂。（√） 16.水与锌粉、美铝粉等金属粉末接触，在火场高温情况下不会助长火势扩大和火灾蔓延。（×） 17.锂、钾、钠、锶、钾钠合金等活泼金属与水化合时，多去水中的氧原子，放出氢气和大量的热量，使释放出来的氢气与空气中的氧气相混合形成的爆炸性混合物，发生自然或爆炸。（√） 18.水与硅化镁、硅化铁等接触，会释放出自燃物四氢化硅，四氢化硅易与空气中的氧反应，发生闪燃。（×） 19.不纯净的电石与水接触，能释放出乙炔气。在火场上，乙炔有助长火势扩大和火灾蔓延的可能。（√） 20.凡与水接触能引起化学反应的物质严禁用水扑救。（√） 21.消防射流是指灭火时消防射水器具喷射出来的高速水流。（√） 22.消防射水器具包括消防水枪和消防水炮等灭火器具。（√） 二.选择题（四选一） 1.
?第一章 绪论 １-２．２0℃的水2．5m 3 ，当温度升至80℃时,其体积增加多少? ［解］ 温度变化前后质量守恒，即2211V V ρρ= 又20℃时，水的密度3 1/23.998m kg =ρ 80℃时，水的密度32/83.971m kg =ρ 32 1 125679.2m V V == ∴ρρ 则增加的体积为3 120679.0m V V V =-=? 1－4．一封闭容器盛有水或油，在地球上静止时，其单位质量力为若干？当封闭容器从空中自由下落时，其单位质量力又为若干? [解］ 在地球上静止时： g f f f z y x -===；0 自由下落时: 00=+-===g g f f f z y x ； 第二章 流体静力学 ２—1．一密闭盛水容器如图所示,U 形测压计液面高于容器内液面h ＝1.5m,求容器液面的相对压强。 ［解］ gh p p a ρ+=0 kPa gh p p p a e 7.145.1807.910000=??==-=∴ρ ２—３．密闭水箱,压力表测得压强为4900P ａ.压力表中心比Ａ点高０．5ｍ，A 点在液面下1.5ｍ.求液面的绝对压强和相对压强.
［解] g p p A ρ5.0+=表 Pa g p g p p A 49008.9100049005.10-=?-=-=-=ρρ表 Pa p p p a 9310098000490000 =+-=+=' 2．８绘制题图中AB 面上的压强分布图。 h 1 h 2 A B h 2 h 1 h A B 解: B ρgh 1 ρgh 1 ρgh 1 ρgh 2
A B ρg(h2-h1) ρg(h2-h1) B ρgh
水力学模拟试题及答案（一） 1、选择题：（每小题2分） （1）在水力学中，单位质量力是指（ C ） a、单位面积液体受到的质量力； b、单位体积液体受到的质量力； c、单位质量液体受到的质量力； d、单位重量液体受到的质量力 （2）在平衡液体中，质量力与等压面（） a、重合； b、平行 c、相交； d、正交。 答案：d （3）液体中某点的绝对压强为100kN/m2，则该点的相对压强为 a、1 kN/m2 b、2 kN/m2 c、5 kN/m2 d、10 kN/m2 答案：b （4）水力学中的一维流动是指（） a、恒定流动； b、均匀流动； c、层流运动； d、运动要素只与一个坐标有关的流动。 答案：d （5）有压管道的管径d与管流水力半径的比值d /R=（） a、8； b、4； c、2； d、1。 答案：b （6）已知液体流动的沿程水力摩擦系数 与边壁相对粗糙度和雷诺数Re都有关，即可以判断该液体流动属于 a、层流区； b、紊流光滑区； c、紊流过渡粗糙区； d、紊流粗糙区 答案：c （7）突然完全关闭管道末端的阀门，产生直接水击。已知水击波速c=1000m/s，水击压强水头H = 250m，则管道中原来的流速v0为 a、1.54m b 、2.0m c 、2.45m d、3.22m 答案：c （8）在明渠中不可以发生的流动是（） a、恒定均匀流； b、恒定非均匀流； c、非恒定均匀流； d、非恒定非均匀流。 答案：c （9）在缓坡明渠中不可以发生的流动是（）。 a、均匀缓流； b、均匀急流； c、非均匀缓流； d、非均匀急流。 答案：b （10）底宽b=1.5m的矩形明渠，通过的流量Q =1.5m3/s，已知渠中某处水深h = 0.4m，则该处水流的流态为 a、缓流； b、急流； c、临界流； 答案：b
习题六地下水的化学成分及其形成作用 一、名词解释 1．总溶解固体：地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量。 2．变温带：受太阳辐射影响的地表极薄的带。 3．常温带：变温带以下，一个厚度极小的温度不变的带。 4．增温带：常温带以下，随深度增大而温度有规律地升高的带。 5．地温梯度：指每增加单位深度时地温的增值。 6．溶滤作用：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下水中，这就是溶滤作用。 7．浓缩作用：由于蒸发作用只排走水分，盐分仍保留在余下的地下水中，随着时间延续，地下水溶液逐渐浓缩，矿化度不断增大的作用。 8．脱碳酸作用：地下水中CO2的溶解度随温度升高或压力降低而减小，一部分CO2便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。 9．脱硫酸作用：在还原环境中，当有有机质存在时，脱硫酸细菌能使硫酸根离子还原为硫化氢的作用。 10．阳离子交换吸附作用：一定条件下，颗粒将吸附地下水中某些阳离子，而将其原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。 11．混合作用：成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水，这便是混合作用。 12．溶滤水：富含CO2与O2的渗入成因的地下水，溶滤它所流经的岩土而获得其主要化学成分，这种水称之为溶滤水。 13．沉积水：指与沉积物大体同时生成的古地下水。 14．内生水：来自地球深部层圈物质分异和岩石变质作用过程中化学反应生成的水。 15．总硬度：水中所含钙离子和镁离子的总量。 16．暂时硬度：指水中钙离子和镁离子与碳酸根离子和重碳酸根离子结合的硬度。
17．永久硬度：指水中钙离子和镁离子与氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子结合的硬度。 二、填空 1．地下水中含有各种气体、离子、胶体物质、有机质以及微生物等。 2．地下水中常见的气体成分有氧气、氮气、二氧化碳、甲烷及硫化氢等。 3．地下水中分布最广、含量较高的阴离子有氯离子、硫酸根离子及重碳酸根离子等。 4．地下水中分布最广、含量较高的阳离子有钠离子、钾离子、钙离子及镁离子等。 5．一般情况下，低矿化水中常以重碳酸离子、钙离子及镁离子为主；高矿化水则以氯离子及钠离子为主。 6．一般情况下，中等矿化的地下水中，阴离子常以硫酸根离子为主，主要阳离子则可以是钠离子，也可以是钙离子。 7．地下水化学成分的形成作用有溶滤作用、浓缩作用、脱碳酸作用、脱硫酸作用、阳离子交替吸附作用和混合作用。 8．据地下水化学成分的成因类型，可将地下水分为溶滤水、沉积水和内生水。 9．在低矿化水中，阴离子以重碳酸盐为主，阳离子以钙离子、镁离子为主。随着蒸发浓缩，溶解度小的钙、镁的碳酸盐部分析出，硫酸根及钠离子逐渐成为主要成分，继续浓缩，水中硫酸盐达到饱和并开始析出，便将形成以氯离子、钠离子为主的高矿化水。 10．当含钙为主的地下水，进入主要吸附有钠离子的岩土时，水中的钙离子便置换岩土所吸附的一部分钠离子，使地下水中钠离子增多而钙离子减少。 11．地下水的物理性质主要包括：温度、颜色、透明度、嗅味和味道。 12．地壳表层有两个主要热能来源：一个是太阳的辐射，另一个是来自地球内部的热流。 13．根据受热源影响的情况，地壳表层可分为变温带、常温带、和增温带三个带。
弯曲变形 基本概念题 一、选择题 1.梁的受力情况如图所示，该梁变形后的 挠曲线如图（）所示(图中挠曲线的虚线部 分表示直线，实线部分表示曲线)。 2. 如图所示悬臂梁，若分别采用两种坐标 系，则由积分法求得的挠度和转角的正负号为 （）。 题2图题1图 A．两组结果的正负号完全一致 B．两组结果的正负号完全相反 C．挠度的正负号相反，转角正负号一致 D．挠度正负号一致，转角的正负号相反 3.已知挠曲线方程y = q0x(l3 - 3lx2 +2 x3)∕(48EI)，如图所示，则两端点的约束可能为下列约束中的（）。 题3图 4. 等截面梁如图所示，若用积分法求解梁的转角、挠度，则以下结论中（ ）是错误的。 A．该梁应分为AB、BC两段进行积分 B．挠度积分表达式中，会出现4个积分常数 -26-
题4图 题5图 C ．积分常数由边界条件和连续条件来确定 D ．边界条件和连续条件表达式为x = 0，y = 0；x = l ，0==右左y y ，0='y 5. 用积分法计算图所示梁的位移，边界条件和连续条件为( ) A ．x = 0，y = 0；x = a + l ，y = 0；x = a ，右左y y =，右左 y y '=' B ．x = 0，y = 0；x = a + l ，0='y ；x = a ，右左y y =，右左 y y '=' C ．x = 0，y = 0；x = a + l ，y = 0，0='y ；x = a ，右左y y = D ．x = 0，y = 0；x = a + l ，y = 0，0='y ；x = a ，右左 y y '=' 6. 材料相同的悬臂梁I 、Ⅱ，所受荷载及截面尺寸如图所示。关于它们的最大挠度有如 下结论，正确的是（ ）。 A ． I 梁最大挠度是Ⅱ梁的 41倍 B ．I 梁最大挠度是Ⅱ梁的2 1 倍 C ． I 梁最大挠度与Ⅱ梁的相等 D ．I 梁最大挠度是Ⅱ梁的2倍 题6图 题7图 7. 如图所示等截面梁，用叠加法求得外伸端C 截面的挠度为（ ）。 A ． EI Pa 323 B ． EI Pa 33 C ．EI Pa 3 D ．EI Pa 233 8. 已知简支梁，跨度为l ，EI 为常数，挠曲线方程为)24)2(323EI x lx l qx y +-=， -27-