水利樞紐工程基巖體TM耦合下滲流特性研究

馬 力，羅 坤，顧 冬

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

水利工程中巖體由于受到高地應(yīng)力[1]、高地溫[2]等工程環(huán)境影響，其力學(xué)穩(wěn)定性、滲透特性的影響變化是工程設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素[3]，探討復(fù)雜工程下巖體力學(xué)特征變化、滲透變化，對(duì)推動(dòng)工程設(shè)計(jì)水平提升具有重要指導(dǎo)意義。耿佳弟等[4]、李江騰等[5]、劉海峰[6]根據(jù)離散元仿真計(jì)算理論，利用PFC等顆粒流軟件計(jì)算了三軸荷載等條件下巖體力學(xué)特征變化以及試驗(yàn)參數(shù)對(duì)力學(xué)特征影響，豐富了巖體計(jì)算力學(xué)成果。張培森等[7-8]、王興宏[9]利用室內(nèi)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，采用瞬態(tài)法或穩(wěn)態(tài)法研究加載破壞過(guò)程中巖體滲透變化特征，為工程巖體裂隙演化中滲透特性研究提供了基礎(chǔ)參考。當(dāng)然，靜水壓力下滲透測(cè)試在一些研究成果中亦有體現(xiàn)，獲得了滲透率與靜水圍壓關(guān)系以及孔隙度等細(xì)觀特征，提高了巖體滲透特性研究水平[10-11]。熱力耦合作用下滲透特性研究是工程環(huán)境的最實(shí)際模擬，但熱力耦合研究目前主要針對(duì)力學(xué)狀態(tài)分析[12-13]，對(duì)熱力耦合下滲透演變涉及較少。本文根據(jù)樞紐工程場(chǎng)地基巖熱力耦合工況，設(shè)計(jì)開(kāi)展熱力耦合下加載破壞試驗(yàn)與滲透測(cè)試，分析基巖滲透力學(xué)特征，進(jìn)而為工程建設(shè)和施工設(shè)計(jì)等提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程背景

為提升淮河地區(qū)下游防洪能力，考慮建設(shè)一水利樞紐工程，作為地區(qū)內(nèi)防洪、排澇、蓄水等重要水利設(shè)施，據(jù)估算該樞紐工程投入運(yùn)營(yíng)后，可確保下游農(nóng)田灌溉效率提升15%，建設(shè)的輸水灌渠全長(zhǎng)為55 km，渠首流量標(biāo)準(zhǔn)值為0.65 m3/s，可滿(mǎn)足超過(guò)5.33萬(wàn)hm2農(nóng)田生產(chǎn)用水。該水利樞紐工程建設(shè)水庫(kù)最大庫(kù)容量為4000萬(wàn)m3，堤壩全長(zhǎng)為225.0 m，壩頂高度為85.5 m，壩身采用止水面板與防滲墻作為防滲系統(tǒng)，墻厚為60 cm，最大抗?jié)B等級(jí)可達(dá)P12，設(shè)計(jì)壩體最大滲透坡降不超過(guò)0.28，壩體另設(shè)置有高度為12.0 m的防浪墻，確保壩體整體安全穩(wěn)定，模擬計(jì)算獲得壩體在靜力荷載下抗滑移系數(shù)不低于2.8，抗傾覆系數(shù)不低于2.5，動(dòng)力響應(yīng)下驗(yàn)算獲得加速度最大響應(yīng)值為3.8 m/s2，壩體振型在高階組合下為組合振動(dòng)，最大自振頻率不超過(guò)6.8 Hz。不論是靜力工況抑或是動(dòng)力荷載工況，其安全穩(wěn)定性很大程度上取決于基巖力學(xué)狀態(tài)，分析及預(yù)判基巖力學(xué)特征變化，乃是靜、動(dòng)力工況下安全設(shè)計(jì)的重要前提。另一方面，該水利樞紐工程為確保上游防洪安全，設(shè)計(jì)有一大型泄洪閘，設(shè)計(jì)最大泄流量可達(dá)1650 m3/s，閘室底板厚度為2.2 m，閘室頂部高程為76.5 m，采用預(yù)應(yīng)力閘墩位為支撐結(jié)構(gòu)，墩厚為0.8 m，間距為1.0 m，其閘室與閘墩插入基巖層深度達(dá)1.5 m，為削弱泄洪閘泄流沖擊荷載的水力作用，下游設(shè)計(jì)有消能池，池深度為1.2 m，消能坎高度為0.6 m。泄洪閘與下游消能池的安全穩(wěn)定運(yùn)行與場(chǎng)地地基密切相關(guān)，且基巖抗?jié)B性亦會(huì)影響消能池內(nèi)滲流場(chǎng)特征，故研究基巖滲透特性亦有必要。根據(jù)擬建場(chǎng)地地質(zhì)鉆孔結(jié)果，基巖為灰?guī)r，弱風(fēng)化狀態(tài)，基巖完整性較佳，表面無(wú)顯著孔隙分布，承載力較適宜作為大型樞紐工程承載巖層。由于基巖層所在區(qū)域地溫較高，基礎(chǔ)埋深與溫度又有聯(lián)系[14]，考慮高地溫對(duì)基巖(灰?guī)r)力學(xué)穩(wěn)定性影響具有重要意義。因而，筆者根據(jù)樞紐工程現(xiàn)場(chǎng)取樣基巖，開(kāi)展熱力(TM)耦合下滲透力學(xué)特征分析。

1.2 試驗(yàn)方法

為確保本試驗(yàn)結(jié)果可靠性，采用高溫高壓三軸巖石試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展?jié)B透加載試驗(yàn)，如圖1所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)包括力學(xué)加載設(shè)備、溫度加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)模塊以及中控系統(tǒng)。加載設(shè)備采用液壓程控式，荷載量程最大可達(dá)1000 kN，圍壓最大可達(dá)100 MPa，荷載傳感器波動(dòng)幅度不超過(guò)0.5%，均在試驗(yàn)前校核完成。溫度加載系統(tǒng)采用電熱式，以液壓油傳熱，確保試樣處于熱荷載環(huán)境，最高加溫可達(dá)500 ℃。數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括變形傳感器、體變傳感器以及機(jī)器位移傳感器等，軸向和環(huán)向變形傳感器量程分別為-10～10 mm和-15～15 mm，試驗(yàn)最大誤差滿(mǎn)足0.5%RO，本試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集間隔為0.5s。中控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全過(guò)程試驗(yàn)樣品力學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，可采用包括流量、荷載、變形等多種方式完成加載，本試驗(yàn)中加載變形控制速率為0.01 mm/min。滲透測(cè)試裝置是該試驗(yàn)系統(tǒng)耦合設(shè)備，可變換采用瞬態(tài)法或穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行滲透率測(cè)試，該實(shí)驗(yàn)裝置最大可完成滲透壓力在10 MPa的試驗(yàn)，滲透率最低量程可達(dá)10-21m2，試驗(yàn)樣品尺寸可為徑高比1/2、1/3等類(lèi)型，利用上述試驗(yàn)設(shè)備完成樞紐工程基巖TM耦合滲透力學(xué)試驗(yàn)。

圖1 高溫高壓三軸巖石試驗(yàn)系統(tǒng)

本文中所有樣品均取自樞紐工程擬建場(chǎng)地，在室內(nèi)經(jīng)精加工、打磨后，制作成直徑50 mm、高度為100 mm的試樣后，在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)48 h以上，方可進(jìn)行高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)。根據(jù)蘇北淮河地區(qū)基巖埋深，設(shè)定試驗(yàn)溫度分別為常溫、50 ℃、150 ℃、250 ℃、350 ℃和450 ℃。在加熱至目標(biāo)溫度后，試驗(yàn)樣品維持溫度荷載8 h；待完成目標(biāo)溫度熱處理后，經(jīng)低溫水冷卻至常溫狀態(tài)下，再進(jìn)行靜水圍壓下滲透測(cè)試；完成滲透試驗(yàn)后開(kāi)展單軸壓縮加載破壞試驗(yàn)。本文根據(jù)低溫冷卻水狀態(tài)，分別采用0 ℃、20 ℃和40 ℃冷卻液態(tài)水。另一方面，滲透試驗(yàn)中靜水壓力分別設(shè)定有2 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa和30 MPa，滲透壓力統(tǒng)一設(shè)定為1 MPa。本文TM滲透力學(xué)試驗(yàn)中具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 各組試樣試驗(yàn)參數(shù)

2 TM耦合試驗(yàn)力學(xué)特征

2.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

根據(jù)不同熱荷載處理后試樣的單軸壓縮加載試驗(yàn)，對(duì)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得溫度熱荷載影響下的基巖應(yīng)力應(yīng)變特征，如圖2所示。從圖中可看出，在相同冷卻溫度下，熱處理溫度愈高，則基巖加載應(yīng)力水平愈低，在冷卻水溫0 ℃下，應(yīng)變0.05%對(duì)應(yīng)常溫下試樣加載應(yīng)力為88.9 MPa，而溫度為150 ℃、350 ℃、450 ℃試樣的加載應(yīng)力水平較前者分別減少了24.0%、87.4%、94.8%，而冷卻溫度為40℃下，雖整體上加載應(yīng)力水平較冷卻水溫0 ℃下有所提高，但在同樣應(yīng)變0.05%下，溫度150 ℃、350 ℃、450 ℃試樣與常溫下加載應(yīng)力差距幅度分別為16.8%、62.8%、80.5%，表明溫度熱荷載對(duì)基巖體為熱損傷效應(yīng)，降低基巖承載能力，且冷卻水溫升高，基巖受溫度熱荷載影響效應(yīng)差有所減弱。筆者認(rèn)為，當(dāng)溫度較高時(shí)，基巖內(nèi)部礦物晶體會(huì)受熱發(fā)生膨脹變形，造成顆粒結(jié)構(gòu)出現(xiàn)擠壓碰撞，造成顆粒結(jié)構(gòu)軟化，最終出現(xiàn)礦物晶體的熱破裂，從整體顆粒骨架考慮，此對(duì)基巖承載穩(wěn)定性有較大負(fù)面影響[15-16]。當(dāng)冷卻水溫升高后，溫度熱荷載與冷卻水溫間溫差減小，試樣在短時(shí)間內(nèi)受熱膨脹變形程度弱于低冷卻水溫下，此時(shí)承載應(yīng)力水平較之有所提高，且不同溫度熱荷載間的差距受冷卻水溫升高影響，差幅減小。

圖2 基巖應(yīng)力應(yīng)變特征

從變形特征來(lái)看，基巖在單軸壓縮變形破壞全過(guò)程中歷經(jīng)“初始?jí)好茈A段-屈服塑性二次裂隙發(fā)育階段-失穩(wěn)破壞階段”三個(gè)階段，當(dāng)溫度熱荷載愈高時(shí)，則試樣線彈性變形階段最大壓密點(diǎn)應(yīng)變值愈低，但試樣峰值應(yīng)變亦愈高，在冷卻溫度0 ℃下，熱荷載150 ℃、350 ℃、450 ℃試樣的峰值軸向應(yīng)變分別為0.075%、0.110%、0.190%。從變形模量參數(shù)計(jì)算可知，熱處理溫度與線彈性模量為負(fù)相關(guān)關(guān)系，在冷卻溫度40 ℃下，常溫?zé)岘h(huán)境下試樣的線彈性模量為2.4 GPa，而熱荷載150 ℃、450 ℃試樣的線彈性模量與之相比減少了11.1%、75.6%；從冷卻溫度影響效應(yīng)可知，在冷卻溫度0 ℃下的常溫試樣線彈性模量為1.89 GPa，冷卻水溫增高，基巖線彈性變形能力亦可增大[17]。綜合基巖變形特征受溫度熱效應(yīng)、冷卻水溫耦合影響可知，溫度熱荷載對(duì)試樣變形特征參數(shù)具有抑制效應(yīng)，而冷卻水溫對(duì)試樣變形能力具有一定促進(jìn)效應(yīng)。

2.2 力學(xué)特征參數(shù)

由不同冷卻水溫、溫度熱荷載下基巖試樣應(yīng)力應(yīng)變特征，得到熱效應(yīng)與溫度冷卻效應(yīng)影響下的基巖單軸抗壓強(qiáng)度變化特征曲線，如圖3所示。從圖中可知，熱處理階段溫度愈高，則試樣強(qiáng)度愈低，在冷卻水溫0 ℃時(shí)，溫度150～450 ℃區(qū)間內(nèi)，熱處理溫度每增大100 ℃，試樣強(qiáng)度損失25%，而冷卻水溫為20 ℃和40 ℃時(shí)，熱效應(yīng)造成的強(qiáng)度損失分別為16.5%和12.8%，即冷卻水溫愈大，熱效應(yīng)對(duì)基巖承載強(qiáng)度影響減弱。對(duì)比相同熱處理溫度下冷卻水溫影響可知，在熱處理150 ℃下冷卻水溫0 ℃與冷卻水溫20 ℃和40 ℃間試樣強(qiáng)度差幅分別為17.5%和35.2%，表明冷卻水溫與熱處理間溫差關(guān)系，對(duì)試樣強(qiáng)度亦有負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 基巖單軸抗壓強(qiáng)度變化特征

圖4為不同冷卻溫度、熱處理溫度下的基巖泊松比變化關(guān)系。從圖中可知，溫度愈高，泊松比增高，且泊松比與熱處理溫度間具有冪函數(shù)關(guān)系；在冷卻溫度0 ℃時(shí)，常溫下試樣泊松比為0.24，而溫度荷載為150 ℃和450 ℃下試樣泊松比較前者增高了41.7%和87.5%，溫度熱效應(yīng)對(duì)泊松比參數(shù)具有促進(jìn)作用。

圖4 基巖泊松比變化關(guān)系

3 滲透試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)不同靜水圍壓下滲透測(cè)試結(jié)果，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得不同熱處理溫度后基巖滲透率變化特征曲線，如圖5所示。從圖中可看出，靜水圍壓與滲透率負(fù)相關(guān)，且兩者具有冪函數(shù)關(guān)系，冷卻溫度0 ℃時(shí)，常溫和450 ℃下基巖滲透率分別分布在2.65×10-17～1.47×10-16m2和1.44×10-16～1.22×10-15m2，在靜水壓力5 MPa時(shí)，基巖滲透率為1.02×10-16m2，而壓力為10 MPa、20 MPa和30 MPa下試樣滲透率較前者分別降低了37.9%、68.5%和73.9%。圍壓對(duì)滲透率抑制作用較為顯著，當(dāng)升高靜水圍壓，試樣內(nèi)部裂隙形成的滲透通道在側(cè)向約束作用力下較難貫通，試樣滲透率降低。當(dāng)處于同一靜水圍壓下，熱處理溫度愈高，則試樣滲透率愈高，在圍壓10 MPa下，溫度250 ℃和450 ℃試樣滲透率較常溫下分別增高了84.8%和4.6倍，熱處理溫度愈高，試樣內(nèi)部造成的熱損傷對(duì)滲透通道的形成具有促進(jìn)作用，故而滲透水平較大。冷卻水溫為40 ℃時(shí)，試樣滲透率水平整體低于圖5(a)，在靜水圍壓5 MPa、熱處理溫度250 ℃下滲透率為6.5×10-17m2，相比水溫0 ℃時(shí)降低了58.5%，但抑制作用沒(méi)有熱損傷效應(yīng)和圍壓約束效應(yīng)顯著。

圖5 基巖滲透率與靜水圍壓關(guān)系

4 結(jié) 論

本文主要獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)熱處理溫度愈高，則基巖應(yīng)力水平愈低，冷卻水溫0 ℃時(shí)，溫度150～450 ℃區(qū)間內(nèi)，溫度每增大100 ℃，強(qiáng)度損失25%，冷卻溫度增大，則熱損傷效應(yīng)減弱。

(2)基巖變形破壞過(guò)程為“線彈性壓密階段-屈服塑性損傷階段-失穩(wěn)破壞階段”三階段，溫度熱荷載對(duì)試樣壓密點(diǎn)應(yīng)變值、線彈性模量均具有抑制效應(yīng)，而冷卻溫度可提升基巖變形能力；泊松比與熱處理溫度具有正相關(guān)冪函數(shù)關(guān)系。

(3)靜水圍壓與滲透率具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，但熱處理溫度愈高，則滲透率愈大，冷卻溫度0 ℃時(shí)，常溫和450 ℃下基巖滲透率分別為2.65×10-17～1.47×10-16m2和1.44×10-16～1.22×10-15m2；冷卻水溫愈大，滲透率愈低，但冷卻水溫抑制作用不及溫度熱損傷效應(yīng)和圍壓約束效應(yīng)。