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1、岩石高压溶蚀试验设备设计与实验分析刘琦1,3，卢耀如1,2,3，张凤娥2*（1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；5102. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄 050061；3. 教育部城市环境与可持续发展联合研究中心，上海 200092）摘要：为研究岩溶水库蓄水不同时期碳酸盐岩的溶蚀作用机理，自行研制了一套开放体系下岩石高压溶蚀试验设备，在 02MPa 动水压力和 1585条件下，对碳酸盐岩的溶蚀作用进行实验模拟。其结果显示，动水压力和温度增大都会引起碳酸盐岩的溶蚀作用加剧。溶蚀速率随压力的增大先降低再增大，随着温度的升高先增大再降低，75时溶蚀速率达到最大值。该实
2、验方法和结果为岩溶地区水利水电工程中碳酸盐岩水岩作用分析及水库的可持续发展提供了理论依据。关键词：水库；动水压力；碳酸盐岩的溶蚀作用；实验模拟中图分类号：p641；p64215Design and Experimental Analysis of pressure dissolutiontest equipment of rocksLIU Qi1,3, LU Yaoru1,2,3, ZHANG Fenge2(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, ShangHai 200092;20253035402. Ins
3、titute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of GeologicalSciences, Shijiazhuang 050061;3. Joint Research Center of Urban Environment and Sustainable Development, Ministry ofEducation, ShangHai 200092)Abstract: For studying dissolution mechanism of limestone in different periods
4、 of reservoirstorage in the karst region, a simulation experiment using self developed pressure dissolution testequipment of rocks in open system. Experiments were performed in carbonic acid solutions, underhydrodynamic pressure from 0 to 2 MPa and temperature from 15 to 85 degrees C. The resultssho
5、wed that the degree of limestone dissolution increased with hydrodynamic pressure andtemperature rising. Dissolution rates decreased first and then increased with the water pressureincreasing, but they increased first and then decreased with temperature increasing, and themaximum value occurred at 7
6、5 degrees C. This experimental method and its results provided atheoretical basis for the carbonate water-rock interaction analysis and the sustainable developmentof hydropower engineering in the karst region.Keywords: Reservoir; hydrodynamic pressure; dissolution of carbonate rocks; simulationexper
7、iment0 引言随着各种大型水利水电工程建设项目的开展，水库周期性的蓄、排水引起水动力和水环境特征发生变化，使得水岩作用程度及方向发生改变，从而导致水库渗漏、滑坡及塌陷等一6水岩化学与力学作用对于分析和评价水库的稳定性、耐久性均有重要的意义。有关水动力条件下岩石溶蚀作用的实验研究在国内外已取得了较多成果，高压流动条件下的溶蚀实验模拟，较多的集中于深部岩溶发育的研究，并多服务于油藏开采、材料等工基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20120072120032），中央高校基本科研业务费专项资金资助（supported by“the Fundamental Research Funds fo
8、r the Central Universities2012KJ011），同济大学精品实验项目（0200104264）作者简介：刘琦，（1980-），女，讲师，主要从事水文地质工程地质方面的教学和研究。liuqi472-1-系列工程地质问题，水岩化学作用和力学作用正是这些现象的根本原因所在1，深入研究程中7,8，而针对水库表生及浅埋地区岩石溶蚀作用的实验研究还比较少，大多是以常压条45505514的溶蚀作用机制揭示尚不够充分。为了更真实的模拟岩溶地区水库蓄水引起的水动力和水环境条件，本文自主研发了一套开放体系岩石高压溶蚀试验设备，模拟水库蓄水不同时期碳酸盐岩的溶蚀作用过程，为岩溶地区水利水电工
9、程的可持续发展提供理论依据。1 高压溶蚀作用模拟的条件岩溶地区的水利水电工程中，碳酸盐岩的分布按其裸露状态有：（1）表生型：厚层块状碳酸盐岩直接裸露于地表，或者有少量第四系松散地层，或局部有薄层碳酸盐岩风化物及非碳酸盐岩地层覆盖，受库水活动影响较大地带；（2）浅埋型：碳酸盐岩以上有 5m 以上松散第四系或非碳酸盐岩地层覆盖，或埋深深度内地下水循环交替积极；（3）深埋型：指碳酸盐岩岩层埋藏深度内地下水循环交替弱地带2。为了探讨水动力、水环境特征变化引起的碳酸盐岩水岩作用加剧的机理，主要针对岩溶峡谷区表生和浅埋地带，补给型水动力条件下水库蓄水前，蓄水过程和长期蓄水后三个阶段对碳酸盐岩的溶蚀作用进行
10、实验模拟和分析。1.1水压力考虑到国内修建大坝一般坝高不超过 200m，所研究范围为表生和浅埋地带的水岩系统，60另外考虑到实验过程的控制条件及实验操作的安全性等限制，因此将实验最高水压力确定为2.0MPa。并根据水库蓄水引起水动力特征的变化过程，分别模拟水库蓄水前、蓄水时、长期蓄水后三个阶段的压力条件（02MPa）。1.2温度对水库坝基和库区的表生的浅埋地带，考虑平均库水水温（15）和局部地带的热液水65混合水温情况（1585）进行模拟，分别设定恒温和变温情况进行压力溶蚀实验；1.3水流速度和流量反应液的流动速率设为 0.75mL/min 和 1.5mL/min（在岩溶含水层中水的流动速度范
11、围内，即 10-3cm/s1cm/s 之间15），同时反应后溶液以相同流量将水岩反应后的溶蚀液排出溶蚀管，这样，水溶液和悬挂于溶蚀管内的岩样表面有一定的接触时间进行溶蚀反应。701.4水质变化选择库水中普遍存在的 CO2 溶液作为溶解介质，为了加快实验过程中的反应速度适当加大 CO2 含量。通过调节不同的初始浓度进行实验对比。2 实验设备的设计为模拟这种岩溶坝区高动水压力作用下的表生或浅埋藏地带的开放体系，考虑如下技术7580要求进行设计：（1）实验设备的安全应是第一位的，在此基础上，充分考虑实验设备的易操作性，使得布局合理。需要方便的收集和测试任意时刻通过试样的反应后溶蚀液；溶蚀管部分需要方
12、便拆卸、安装，以便更换其中的岩石样品；实验后要更换水罐中的水溶液，要方便清洗；（2）由于 CO2 溶解度随压力增大而增大，随温度升高而降低，反应进行过程中的溶液和 CO2 溶解量关系较难控制，存在的误差较大。为了更真实的模拟实际的坝区地下水开放-2-件或机械应力加载的方式进行近似模拟和理论分析9，其研究结果对动水压力条件下岩石体系情况，本实验设备采用气囊向一定 CO2 含量的水溶液中传递压力。气在囊里，水在囊外，水气不接触保证了反应溶液水质不受污染；通过高压氮气挤压气囊并传递到罐体中的反应溶液，形成压力水；将定量的 CO2 充入一定体积的去离子水中，在保证 CO2 水溶液初始浓度相同的前提下控
13、制压力，使得指定压力条件下的 CO2 在水溶液中的溶解量相同，这样859095100105就保证了对比实验中的 CO2 水溶液浓度保持一致；两个并联的溶蚀管能够以相同的条件进行对比实验；（3）为了保证整个实验系统不受侵蚀水的影响，要求实验设备耐酸耐碱耐高温，系统全部采用不锈钢 304 材质并特殊定制了耐酸耐碱的气囊。（4）要求能够方便而准确地调整水压力，并具有自动补偿功能，以保证整个实验过程中压力的稳定；（5）岩样挂置于溶蚀管内，与溶蚀管有相同的水岩比，溶液在设定压力条件下定流速、流量的进入溶蚀管后与岩石表面充分反应；同时，反应后溶液要泄压到常压状态后以定流速、流量的收集，为此定做了高精度水用
14、减压器，与针阀串连来联合控制，达到泄压快、精度高的要求。（6）采用温控仪将温度控制在室温 15100之间，精度要求达到 0.1。管径要求足够细，够长，以保证高压水流以恒定的小流量充分预热后恒温进入溶蚀管。3 岩石高压溶蚀试验设备为模拟这种岩溶坝区高水压作用下的表生或浅埋藏地带的开放体系，并考虑到上述技术要求，由中国地质科学院水文地质环境地质研究所、同济大学和石家庄金石化肥股份有限公司共同开发研制了一套岩石高压溶蚀试验设备（结构示意图见图 1 和实物图 2）。图 1 岩石高压溶蚀试验设备结构示意图Fig.1 Structural sketch of pressure dissolution te
15、st equipment of rocks图 2 岩石高压溶蚀试验设备实物图Fig.2 Photo of pressure dissolution test equipment of rocks-3-实验设备可以模拟开放系统和密闭系统，能保证反应溶液以不变的初始浓度持续不断的补充到溶蚀管内部，并能方便而准确的调节水压力、流速、流量和温度，使水溶液对岩样表110115120面进行化学溶蚀和侵蚀。该仪器包括压力系统、反应液配制系统、加压和稳压系统、试样密封系统、温控系统、反应溶液收集系统和计时系统：（1）压力系统：压力源（高压 N2 气罐）和高压水罐，保证提供一定压力的水源。高压水罐由防腐蚀耐酸耐
16、碱气囊和不锈钢罐体组成，罐体密封性好，一次灌水充气可维持一个实验周期恒定条件的反应溶液供给；（2）反应液配制系统：高压 CO2 气罐，水桶和密封高压水罐，保证提供一定体积一定初始浓度的反应溶液；（3）加压和稳压系统：密封高压水罐、气囊和具自动补偿功能的减压器，压力值的调整和稳压均通过该减压器控制，系统的压力显示由气罐、高压水罐和出口处的三个压力表来联合观测，最大压力可达 4MPa，稳压精度 0.1MPa；（4）试样密封系统：溶蚀管（如图 3）和密封系统，让反应溶液通过试样表面进行溶蚀反应。图 3 溶蚀管结构示意图Fig.3 Structural sketch of dissolution pi
17、pe of samples125（5）温控系统：保温箱、不锈钢盘管、加热棒、温度传感器和温控仪组成，使反应溶液能够在盘管中传输并充分预热后流入溶蚀管，温度控制精度在 0.1。（6）反应溶液收集系统：由减压器、针阀和接收水桶组成，减压器和针阀串联，可以更加精确的将反应后的高压溶液卸压后按一定流速和流量完整地收集并计量。130（7）计时系统：电子表，可以进行溶蚀过程中时间的计量。4 碳酸盐岩高压溶蚀实验及结果分析4.1碳酸盐岩溶蚀实验方法实验首先将定量的 CO2 充入高压罐一定体积的去离子水中，使初始 CO2 水溶液浓度保持在 0.00464 mol/L，常温下测试其 pH = 4.35；将氮气充
18、入气囊内，通过高压氮气挤压气囊135并传递到高压罐中的 CO2H2O 系统形成压力水。试验最高水压力为 2.0 MPa，采用动态压力平衡法，即让 CO2 水溶液不断流过岩样，试验中流速控制在 1.5 ml/min，试验历时均为 168h。采用定时间、定流量、定总量的办法来实现流程控制，通过检测出口溶液的总量及各离子的浓度，以研究不同样品的溶蚀作用过程。温度由温控仪自动控制。试验过程中采集的溶蚀液定期做化学分析。-4-1404.2实验结果分析（1）动水压力变化对岩样的影响考虑到水库蓄水过程中，坝前地下水位不断增高，实验对 21、51、32 和 43 四种岩样每2 h 进行一次压力加载，加压顺序依
19、次为 0.10.61.01.62.0 MPa，实验历时 10 h，实验结果见图 4。考虑到水库不同蓄水时期动水压力的作用，分别对岩样 14 施加恒定的 1.0 MPa145压力，对 31、42 施加恒定的 1.5 MPa，对 21、32、43 岩样继续施加恒定的 2.0 MPa，实验历时均为 168 h，实验结果见图 5。两种实验条件下的结果均显示：动水压力增大会引起碳酸盐岩的溶蚀作用加剧，溶解速率曲线随动水压力的变化而发生显著改变。150图 4 动水压力增大对岩样溶解速率的影响Fig.4 Hydrodynamic pressure effect on therate of dissoluti
20、on（2）温度对溶蚀特性的影响图 5 不同动水压力条件下岩样的溶解过程曲线对比Fig.5 Comparison of dissolution process curves underdifferent hydrodynamic pressure155160165在本实验中将已配制好的 CO2 水溶液通入溶蚀管，分别在室温 16和 40下进行溶蚀，动水压力控制在 2.0MPa 恒定不变，以此模拟坝区地下水常温地带与浅埋中温地带，如温泉出露部位等地区地下水对碳酸盐岩的溶蚀差异性，其实验结果如图 6 所示。结果显示，碳酸盐岩的溶蚀受温度影响显著，这是水中 CO2 的活性随温度、压力变化迅速所致。温度
21、由 16升至 40，岩样的平均溶解速率由 11.26mg/L.d 变到 44.72mg/L.d，后者是前者的 3.97 倍，说明在高渗透压力下温度升高对碳酸盐岩的溶蚀速率影响较大。图 6 温度对钙溶解速率的影响Fig.6 Temperature effect on the rate of dissolution of Ca2+将动水压力控制在 1.6MPa 恒定不变，温度从 152035557585逐级定时升高，以此模拟浅埋中温地带热液与库水地下水混合情况下碳酸盐岩的溶蚀特性，其实验结果如图 7 所示。同条件下随着温度升高，一方面水溶液中 CO2 溶解度降低，另一方-5-面温度升高提高了溶液中
22、各离子组分的化学活动性，增强了溶液的溶解能力，同时岩石表面矿物晶格能降低加速了扩散作用，使岩样的化学溶解过程加剧。因此，总体趋势是随着温度170175180185190195200205升高（1575）压力水对岩样的溶蚀程度加剧，这是由于在 1575之间，岩样的单位温度溶蚀扩散量梯度值高于 CO2 向 H+的溶解转换梯度值1。当温度达到 75后 Ca 的溶解速率迅速下降，说明溶液中有碳酸盐岩发生沉淀。与卢耀如等人1的常压实验对比可以看出，实验结果具有相似性。图 7 恒定动水压力下温度升高对钙溶解速率的影响Fig.7 Temperature effect on the rate of disso
23、lution of Ca2+ under constant hydrodynamic pressure5 结论为研究岩溶地区水库蓄水不同时期碳酸盐岩的溶蚀作用机制，自主设计和研制了一套的开放体系下岩石高压溶蚀试验设备，可以对不同动水压力条件（02.0 MPa）和不同温度条件下（1585）水溶液溶蚀-侵蚀岩石的过程进行实验模拟。其实验结果将对水库坝基和库区常压和高水压下，碳酸盐岩的水岩作用动力学的分析提供有力的依据，如溶蚀速率与压力的相互关系，溶蚀速率受温压共同作用的趋势，化学溶解与机械破坏之间的关系，以及水质变化的影响等等，为岩溶地区水利水电工程的可持续发展提供理论依据。致谢研究工作及设备设计
24、制作中得到了中国地质科学院水文地质环境地质研究所齐继祥、张胜、李淑珍等多位研究员的指导与帮助，在此一并表示感谢！参考文献 (References)1 邹成杰.水利水电岩溶工程地质.北京：水利电力出版社,1994.2 卢耀如. 地质生态环境与可持续发展M. 南京: 河海大学出版社, 2003.3 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,1996，4(3)：19.4 李承先，刘晓峰，陈立秋等.水库对岩溶水文地质环境的影响J.东北水利水电,1999，11：3638.5 宋汉周，施希京. 大坝坝址析出物及其对岩体渗透稳定性的影响J. 岩土工程学报, 1997,19(
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