随着矿产资源的不断开发，我国浅部矿产资源逐年减少并趋于枯竭，矿产资源开采正向深部推进。在深部，高应力、高渗透压的地下水对采矿安全性有着极大的影响。裂隙是地下水流动的主要通道（Ju et al.，2020），岩体应力特性受渗流场的影响，并在应力场与渗流场之间相互叠加、相互影响，从而改变了岩石的稳定性。一方面，地下水的不断流动，即渗流场的改变，使得岩石受到的浮力与渗透力发生改变，岩石的受力状态处于动态变化过程中。另一方面，岩石的开挖对地下应力场造成扰动，岩石孔隙及裂隙的改变影响着岩石的渗透性能，从而使渗流场发生改变（Zhao et al.，2018；王伟等，2015）。

根据岩石渗透率的大小和岩石应力—渗流耦合渗流特性，岩石大体上可划分为2种：（1）渗透率大（如砂岩）的破裂岩石（胡大伟等，2010；李文亮等，2017）；（2）孔隙率低的低渗透率致密岩石（如花岗岩、页岩）（黄远智等，2007）。对于高渗透率岩石，以往研究多以砂岩为研究对象，重点分析了不同排水条件下岩石的强度特性及损伤演化规律（王伟等，2016；张俊文等，2019）。张培森等（2020）通过定义损伤指标，推导出岩石损伤指标与渗透率的关系式，揭示了渗透率随岩石损伤指标变化的演化规律；杨秀容等（2019）以破裂石灰岩为研究对象，分析了不同围压作用下破裂石灰岩渗透率随净围压和渗透压的变化特性。对于低渗透率致密岩石，以往研究多以花岗岩和页岩为研究对象，开展了三轴应力—渗流耦合试验（尹立明等，2014；胡少华等，2014；王伟等，2015；左宇军等，2018），分析了岩石在应力和应变过程中渗透率的变化规律。在理论研究方面，王旭升等（2006）建立了压力脉冲瞬态法的物理模型和数学模型，提出了不同控制方式下岩石渗透率的计算理论公式；郑志等（2017）通过达西定律推导了岩石渗透率的计算公式，提出了渗透率的演化过程与岩石破坏中裂纹和裂隙的数学关系。以上针对岩石的应力—渗流耦合作用下的理论和试验研究，在探索岩石应力—渗流耦合机制和试验特性方面均取得了积极进展，但有关损伤岩石，特别是花岗岩在不同围压和渗透压作用下的渗流特性研究还比较欠缺。

因此，本文针对完整花岗岩试样进行预损加工，结合CT扫描试验，通过Avizo软件提取了岩样内部的孔隙及裂隙信息，通过GCTS RTR-1500岩石三轴试验机对损伤花岗岩岩样开展了应力—渗流耦合渗流特性试验。通过分析孔隙及裂隙与损伤程度之间的定量关系，探讨不同渗透压作用对花岗岩强度和变形的影响，以及不同损伤状态下花岗岩渗透率的变化规律，为地下工程中岩体的开挖与围岩支护提供稳定性和渗透性分析，对保证地下工程施工安全和长期稳定有着重要的意义。

花岗岩作为大陆的标志性岩石，是构成大陆上部地壳的基础，属于酸性岩浆岩（SiO₂含量大于66%）中的侵入岩，主要矿物为石英、钾长石和酸性斜长石，次要矿物为黑云母和角闪石。本次试验所用试样取自某矿山花岗岩，按照国际标准进行加工，制成高径比为2∶1（高度为100 mm、直径为50 mm）且断面平整度为±0.02 mm的圆柱形岩样，如图1所示。表1为该花岗岩基本物理力学参数。

损伤程度是表征材料或结构劣化的量度，直观上可以理解为微裂隙或孔洞在整个材料中所占体积的百分比。通过声波筛选出一批致密度接近的岩样，最大程度地减小岩样强度差异带来的影响。岩样预损，即使完整岩样内部产生裂隙，裂隙的存在改变了岩石的稳定性，降低了其强度参数（Luo et al.，2019）。岩石损伤程度的定义主要有2种：弹性模量法和超声波波速法（Hassan et al.，2020）。Eberhardt et al.（1999）在岩石单轴压缩试验中发现，Pink Lac du Bonnet花岗岩在压缩强度为峰值强度的39%时开始萌生微裂隙，在压缩强度为峰值强度的75%时开始破坏。为定量研究岩样预损指标，采用轴向应力σ与抗压强度σ_c的比值作为损伤程度D的度量指标。即：

为了模拟地下矿山开采强卸荷对围岩造成不同程度的损伤，以及岩石内部裂隙在单轴压缩过程中不同阶段的发展状态，通过单轴压缩试验，制备了不同损伤程度（0%、25%、40%、50%、65%、75%、100%）的预损岩样。为了提高试验效果，本次应力—渗流试验选取损伤程度为75%（单轴抗压强度为180 MPa）的预损岩样，即单轴抗压试验中加压至135 MPa时，岩样内部产生宏观损伤。

AX-3000CMMT扫描仪是一款高精度计量型CT系统，可对岩样进行X射线数字成像及计算机断层扫描，扫描精度高。使用该仪器对不同损伤程度的预损岩样进行CT扫描，得到CT扫描切片图，其像素数量为2 585 pixel×2 505 pixel，75%预损岩样CT扫描切片图和Avizo软件对切片中裂纹进行渲染所得效果图如图2所示。

本次试验在GCTS RTR-1500岩石三轴试验机上完成，该仪器可进行单轴压缩试验、三轴压缩试验和渗透压—应力耦合试验等。仪器由压力室、围压控制系统、渗透压控制系统和系统控制界面4个部分组成，系统中轴压、围压和渗透压可独立控制加载，如图3所示。仪器主要技术参数：最大轴向压力为4 600 kN，最大围压为210 MPa，最大渗透压为210 MPa。

Avizo是一款强大的可视化软件，通过表面渲染，可以得到丰富的三维显示效果。其图像分割技术根据物体边缘灰度值呈现不连续性，从而做出不同的标记以区分不同的结构来生成三维模型。首先，将预损岩样进行CT扫描，获得CT扫描图片；然后，将CT图片导入Avizo软件，对其进行孔隙和裂隙分割；最后，对分割出的孔隙和裂隙进行立体渲染，得到孔隙和裂隙模型。其流程如图4所示。

在进行试验前，先清理预损岩样表面，并将其放入水中浸泡12 h以上，使其充分饱和。饱和后将损伤岩样进行热塑密封，调试好试验机后将损伤岩样装入压力室，压头与损伤岩样之间放置透水垫片，使水在渗透过程中可以均匀地通过损伤岩样。将损伤岩样安装好之后开始试验，试验原理如图5所示。共设计4组试验方案，其中初始轴压为0 MPa，围压为15 MPa和25 MPa，渗透压分别为0 MPa（A组）、4 MPa（B组）、8 MPa（C组）和12 MPa（D组）共4组，每组6个岩样，如表2所示。

第一，调节轴压和围压，达到初始设定值。

第二，轴压、围压稳定后，开启进出流体阀门，计算稳定渗透压∆P=P₁-P₂。

第三，保持围压不变，采用力加载轴压方式，加载速率为1 MPa/s，直至损伤岩样破坏停止。

渗流试验采取瞬态法（左宇军等，2018；Ku et al.，2018；Calamak et al.，2016）测量渗透率，主要通过测量岩样两端渗透压的变化来获得渗透率。根据计算机采集的试验数据，采用以下渗透率计算公式：

式中：K为渗透率（cm²）；μ为流体黏度（Pa·s）；β为流体压缩系数（Pa^-1）；V为容水体积，V=332 cm³；Δpi/Δpf为初始压差与最终压差之比；∆t为试验持续的时间（s）；A为岩样截面积（cm²）；L为岩样的长度（cm）。

试验步骤如下：

第一，调节围压达到初始设定值并且保持围压不变。

第二，轴压采用力加载，加载速率为1 MPa/s，加载至花岗岩三轴抗压强度的25%。

第三，施加初始渗透压2 MPa，保持轴压稳定，测得渗透率。

第四，轴压逐级增加，分别加载至三轴抗压强度的40%、50%、65%和75%，测得岩样在不同围压下渗透率的值。

其中围压为15 MPa和25 MPa时，花岗岩的三轴抗压强度分别为380 MPa和470 MPa。渗流试验控制参数见表3。

为了减小各向异性带来的强度差异，试验选用致密度相近的岩样。不同损伤程度岩样的孔隙及裂隙可视化如图6所示，其中0%表示岩样未加载，100%表示岩样加压超过了峰值强度，处于失稳状态。通过CT扫描，每个试样获得2 500张切片，将切片在Avizo中进行三维重构，生成试样三维模型，试样内部的孔隙、裂隙和周围介质存在明显的色差，采用分水岭算法能够准确提取试样内部的孔隙和裂隙，通过Avizo中自带的程序能够对孔隙、裂隙数量及尺寸进行统计。由图6可知，随着损伤程度的增加，孔隙及裂隙的数量和尺寸显著增加，且分布较为均匀。损伤程度为75%时已有明显的连通裂隙，损伤程度为100%时形成了贯通岩样的劈裂面，岩样呈剪切破坏。

针对第1.1小节不同预损程度的试样，采用CT扫描，对CT图像进行处理统计得到不同预损岩样的孔隙和裂隙体积曲线，如图7所示。由图7可知，不同损伤程度下，岩样的孔隙及裂隙体积具有不同的演化规律，可以划分为3个阶段：（1）损伤程度在0~25%之间为微裂隙压密阶段，孔隙体积有所增加，但总体变化不大。（2）损伤程度在25%~75%之间为裂隙发育阶段，其中损伤程度为25%~40%时，有大量新的孔隙产生，孔隙体积增加；损伤程度为40%~65%时，孔隙尺寸不断增大，孔隙体积稳步上升；损伤程度为65%~75%时，孔隙体积显著增加，且孔隙开始合并，出现了连通裂隙。（3）损伤程度在75%~100%之间为岩样破坏阶段，孔隙及裂隙体积急剧增加，直至岩样破坏，形成了贯通岩样的劈裂面。

在围压为15 MPa和25 MPa的条件下，损伤花岗岩在不同渗透压下的偏应力—应变曲线如图8所示。由图8可知，偏应力—应变曲线先后呈现出如下趋势：（1）曲线上凹；（2）曲线保持线性关系；（3）曲线仍保持近于直线，直至峰值；（4）峰值过后，立即下降。花岗岩具有明显的脆性特征。由图8还可以看出，围压相同时，渗透压对预损花岗岩的强度和变形特性有显著的弱化现象。

根据图9可以得到围压为15 MPa和25 MPa的条件下峰值强度σ_3c与渗透压∆P之间的拟合关系式，分别为

其中，式（3）和式（4）的拟合优度分别为0.9985和0.9788，能够很好地表达峰值强度与渗透压之间的函数关系。由图9可知，在围压相同的情况下，岩样的峰值强度随着渗透压的增加呈现出线性减小的变化特征。渗透压的增加使得岩样内部裂隙受到水的挤压，导致孔隙和裂隙发展，从而使峰值强度减小，岩样在较低应力下破坏。由图9还可以看出，2条拟合直线平行，说明渗透压对预损花岗岩的强度弱化效应程度与围压无关。

为了提高渗流试验的对比度，依然采用损伤程度为75%的花岗岩试样进行分析。在预损试样的基础上，对损伤度进行重新定义。针对三轴应力—渗流试验，定义在相同围压和渗透压下，不同轴压对三轴强度的比值为损伤百分比。不同围压下渗透率与损伤百分比曲线如图10所示。

由图10可知，渗透率随损伤百分比的变化呈现出先减小后增加的趋势，较好地反映了典型应力—应变过程中孔隙及裂隙的变化特性。

在微裂隙压密阶段，渗透率先缓慢减小后逐渐增加，渗透率变化相对平稳。从孔隙及裂隙体积上进行分析，岩样由于本身受环向束缚基本不会发生变化，随着轴向压力的增加，岩石内部已存在的孔隙及裂隙受压闭合，岩石被逐渐压密，渗透率下降。同时，由图6和图7可知，随着损伤程度的增加，孔隙体积也有所增加，渗透率会有上升的趋势。

在裂隙发育阶段，当损伤百分比为25%~40%时，渗透率随损伤百分比的增加而缓慢增加。因为岩样内部逐渐产生了大量新的孔隙，新产生的孔隙的体积大于岩样受压孔隙闭合的体积。当损伤百分比为40%~75%时，孔隙尺寸不断增大且相邻孔隙开始合并，孔隙体积稳步上升，此时曲线接近于直线，渗透率稳步增大。

在岩样破坏阶段，孔隙体积急剧增大，微裂隙扩展连通，当损伤百分比达到100%时，岩样完全破坏，形成了贯通岩样的劈裂面，其渗透率分别为5.94×10^-13（围压为15 MPa）和6.90×10^-14（围压为25 MPa），渗透率急剧增大。

渗透率随损伤百分比的变化趋势与孔隙、裂隙体积随损伤程度的变化趋势（图7）大体一致，预损岩样的渗透率与孔隙及裂隙的体积有紧密的联系。同时，该变化趋势也印证了孔隙在不同发展阶段的演化规律。孔隙和裂隙的发育程度可用于表征渗透率的大小。损伤程度越高，裂隙发育程度越高，渗透率越大。当裂隙发育程度相同时，围压越大，则渗透率越小。

（1）采用轴向应力σ与抗压强度σc的比值来定义损伤程度D。随着损伤程度的增加，岩样孔隙及裂隙的数量显著增加，尺寸显著增大，孔隙及裂隙体积呈现出从平缓增加、稳步增加到急剧增加的变化趋势。

（2）在围压相同的情况下，岩样的峰值强度随着渗透压的增加呈现出线性减小的变化特征。渗透压对损伤花岗岩的强度具有明显的弱化效应，且弱化程度与围压无关。

（3）损伤程度越大，裂隙发育程度越高，渗透率也越大，孔隙及裂隙的发育程度可用于表征渗透率的大小。当裂隙发育程度相同时，围压越大，则渗透率越小。