干湿循环下水库砂岩的多尺度特征与破裂行为：来自核磁、声发射与扫描电镜的洞见

为何水位变化会裂解坚硬岩石

许多大坝与水库使邻近坡面的水位日复一日涨落。这样的反复浸润与干燥看似无害，但多年累积会慢慢削弱支撑河岸的岩体。在中国三峡水库区，这一缓慢过程可能为滑坡和崩塌埋下隐患。本研究从颗粒尺度到整体样品层层剖析水库砂岩，解释反复干湿循环如何将坚固岩石转变为易碎、多裂的材料。

悄然危险化的岩坡

研究者关注的是水位涨落带，也称水位涨落带或水文波动带——随水位变化而交替淹没与暴露的区域。该处砂岩由石英、长石与黏土等矿物构成，并由自然胶结物结合。当水反复淹没与撤退时，它不仅会通过可见裂缝冲刷岩体，还会渗入细小孔隙与颗粒接触处。随着时间推移，这种循环侵蚀岩体内部结构，降低岩石在重力及其他外力作用下维持整体性的能力。

在岩石失稳时倾听它们

为实时观察损伤演化，团队使用声发射技术，监听加载岩样内部在新裂缝形成与扩展时发出的高频“脉冲”。在压缩砂岩岩心时，这些微弱声发射的次数与能量在最终断裂前显著上升。通过跟踪这些信号统计分布的变化，作者发现当外加应力达到岩石峰值强度的大约92%至99%时，会稳定出现明显的早期预警信号，最终临界点略高于99%。这种称为临界减速的模式表明，在实地监测类似信号时，或可提前发现水库边坡接近失稳的迹象。

从微小孔隙到大型裂缝

科学家还研究了在样品在湿干循环（最多30次）过程中内部孔隙空间的演变。利用对孔隙内水敏感的核磁共振（NMR），结果显示总体孔隙率随循环次数呈指数上升。孔径分布由以往以极小孔隙为主，转变为以中等与大孔为主的混合分布，信号形态也从单峰演变为双峰，表明结构不均匀性在增加。基于分形理论的计算显示，大孔隙的连通性增强，形成了有利于水流动与裂缝连通的通道网络。

破碎颗粒的放大观察

扫描电子显微镜（SEM）图像为上述过程提供了直观证据。在新鲜砂岩中，颗粒紧密贴合，仅有少量孤立的微裂纹。经过少量干湿循环后，研究团队观察到矿物溶蚀产生的小坑与沿颗粒边缘的短裂缝。随着循环增多，这些小坑逐渐加深，颗粒脱落碎屑，裂缝扩展并互相连通。到30次循环后，颗粒界面变得模糊，颗粒间胶结物严重受损，宽大的断裂贯穿岩体。与此同时，声发射数据表明裂缝模式也发生了变化：张性裂缝的比例从约三分之一增加到近一半，但剪切破坏仍总体占主导。

对水库安全的含义

综合这些测量结果可以看出，反复的浸润与干燥从内部重塑砂岩。水的化学作用扩大孔隙并蚕食矿物胶结，物理的膨胀、收缩与应力有助于将微小缺陷连成大裂缝。随着内部空隙网络连通性增强，岩石强度下降且裂缝特征改变，但在最终失稳前仍提供清晰的声学预警。这些发现有助于解释为何波动水位的岩坡会随时间退化，并为识别临近崩塌的迹象提供可用工具。

引用: He, P., Lei, R., Zhao, P. et al. Multiscale characteristics and cracking behavior in reservoir sandstone under dry-wet cycles: Insights from NMR, AE and SEM. Sci Rep 16, 15279 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46226-1

关键词: 砂岩, 干湿循环, 水库边坡, 孔隙结构, 声发射