引水隧洞圍巖不同粒徑下拉伸力學(xué)及滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

吳燕華

（福建省水利水電工程局有限公司,福建 泉州 362000）

引水隧洞乃是水利工程中重要引水、供水及發(fā)電附屬水工設(shè)施[1-2],其施工及運(yùn)營穩(wěn)定性與其內(nèi)部圍巖體安全密切相關(guān),研究引水隧洞圍巖力學(xué)特征[3-4],對(duì)推動(dòng)隧洞設(shè)計(jì)及施工技術(shù)具有重要意義。針對(duì)圍巖體穩(wěn)定性,李勇[5]、賈雪慧等[6]、劉凱等[7]基于隧洞工程特征,采用FLAC 3D 等數(shù)值仿真平臺(tái)建立開挖模型,探討了隧洞開挖過程中圍巖應(yīng)力、位移演變特征,為工程設(shè)計(jì)及施工提供了計(jì)算參考。楊圣奇等[8]、張寶玉等[9]、孫鈺雯[10]從巖石的顆粒流特征入手,借助PFC 等離散元仿真手段建立巖石試樣的計(jì)算模型,基于單軸及拉伸試驗(yàn)荷載施加方式,探討顆粒流模型的變形破壞特征,極大豐富了對(duì)巖石力學(xué)水平的研究成果。室內(nèi)試驗(yàn)精度較高,任建喜等[11]、杜坤等[12]一方面借助試驗(yàn)設(shè)備開展了巖石的單、三軸及拉伸力學(xué)試驗(yàn),分析了其強(qiáng)度、變形特征；而張麗華等[13]、武治盛等[14]借助滲透裝置完成了覆壓滲透測(cè)試及瞬態(tài)法加載過程中滲透力學(xué)試驗(yàn),對(duì)探討巖石滲透特性具有推動(dòng)作用。本文基于福鼎市引水隧洞圍巖熱力耦合下拉伸力學(xué)試驗(yàn),分析粒徑對(duì)力學(xué)水平影響,探討力學(xué)損傷后圍巖試樣靜壓滲透特性。

1 工程試驗(yàn)介紹

1.1 工程背景

為確保福鼎市東南沿海河庫水系貫通,提升地區(qū)用水安全性,增強(qiáng)供水點(diǎn)面結(jié)合、全維度管控、全周期運(yùn)營的設(shè)計(jì)水平,預(yù)計(jì)該工程建設(shè)完成后,福鼎市地區(qū)供水保障率可達(dá)99%,枯水季農(nóng)業(yè)缺水率將低于2%。根據(jù)對(duì)該工程調(diào)查得知,其中海河水系貫通工程中樞設(shè)施所在A2 標(biāo)段,設(shè)計(jì)投入運(yùn)營后,最大供水規(guī)模達(dá)25 萬t/d,該標(biāo)段起點(diǎn)樁號(hào)位于ZK2+155～ZK6+282,始終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的引水隧洞工程分別為逍遙谷-馬冠隧洞、車坪-太陽頭隧洞；該標(biāo)段內(nèi)圍巖巖性包括有花崗巖及弱風(fēng)化的砂質(zhì)黏土巖,上覆土層以黏土、砂土、礫石土為主,且局部與圍巖體產(chǎn)生夾層,夾雜有泥質(zhì)軟巖土體,從A2 標(biāo)段隧洞圍巖覆蓋面占比來看,其中花崗巖占比最大,粒徑在不同樁號(hào)斷面上也有差異,且強(qiáng)度變形均是相比之下最弱,故本文重點(diǎn)研究該類巖體。此兩隧洞均采用大斷面設(shè)計(jì)形式,其施工斷面見圖1,全斷面為3.2 m×3.4 m,采用鋼拱架結(jié)構(gòu)作為隧洞拱頂初襯形式,而在拱腳及邊壁采用混凝土注漿硬化,固化厚度控制在25 cm～35 cm,二次襯砌采用錨桿支護(hù),其間距為80 cm,錨筋為φ18,長度1.5 m,拱底鋪設(shè)有防滲混凝土,降低地下水徑流活動(dòng)對(duì)襯砌斷面的影響。根據(jù)引水隧洞設(shè)計(jì)要求,該工程采用多段式設(shè)計(jì)形態(tài),其中逍遙谷-馬冠隧洞共有5 段引水隧洞,軸線長度為7833.1 m,采用DN1600 鋼管作為渠道,且建設(shè)有調(diào)壓塔,雙進(jìn)水口設(shè)計(jì)形式,最大流量為85 m3/s。從襯砌結(jié)構(gòu)施工過程中得知,其襯砌面上不同高程處最大主應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖2,當(dāng)洞口高程愈大,施工期愈往后,愈易引起洞頂處聚集較大主應(yīng)力,洞頂襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力甚至可達(dá)1.8 MPa,而在洞底處最大主應(yīng)力相比前者降低了66.7%,洞頂?shù)状笾鲬?yīng)力差對(duì)圍巖抗拉特性乃是較大挑戰(zhàn),特別是在靜力施工擾動(dòng)后,應(yīng)力重分布下襯砌結(jié)構(gòu)使之進(jìn)入“應(yīng)力穩(wěn)定”期,而襯砌結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的洞頂主應(yīng)力變化對(duì)圍巖抗拉特性影響必須重視。另一方面,針對(duì)該引水工程地質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn),局部過隧斷面出現(xiàn)有富水?dāng)鄬訋?從控水、排水角度考慮,其地下水位線高于隧洞實(shí)際工作斷面,概化圖見圖3,在此類地層現(xiàn)狀下,隧洞圍巖極易受到水力滲透活動(dòng)威脅,很大程度上考量圍巖抗?jié)B特性。綜合福鼎市引水隧洞A2 標(biāo)段實(shí)際工程現(xiàn)狀,考慮針對(duì)隧洞花崗巖圍巖體開展抗拉力學(xué)試驗(yàn)研究,并針對(duì)花崗巖粒徑影響因素開展TM（熱力）耦合試驗(yàn)研究。

圖1 隧洞施工斷面圖

圖2 襯砌面不同高程處最大主應(yīng)力

圖3 富水?dāng)鄬痈呕瘓D

1.2 試驗(yàn)概況

為研究該引水隧洞圍巖體粒徑影響因素在熱力耦合下力學(xué)與滲透特性,采用TMC1050 材料力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備開展拉伸力學(xué)試驗(yàn),見圖4。該試驗(yàn)設(shè)備可完成高溫加載與力學(xué)加載同步試驗(yàn),溫度最高可加載至600℃,而最大力學(xué)荷載可達(dá)1000 kN,但由于本文主要研究拉伸力學(xué)特性,因而更換力學(xué)傳感器量程最大為100 kN,不論是溫度荷載亦或是力學(xué)荷載,均采用電腦程序控制,分別采用電熱傳導(dǎo)加載與位移方式加載,溫度荷載與力學(xué)加載速率分別為0.4℃/s、0.02 mm/min,每個(gè)試樣在加載至目標(biāo)高溫后,恒溫4h 再開始拉伸試驗(yàn),確保試樣內(nèi)部受熱均勻。由于加載試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)溫度較高,因而本文試樣拉伸變形在室內(nèi)僅采集軸向變形特征,并用耐高溫LVDT 傳感器傳輸數(shù)據(jù),最大量程可達(dá)15 mm。

圖4 TMC1050 試驗(yàn)設(shè)備

由于直接拉伸裝置在實(shí)時(shí)高溫作用下穩(wěn)定性較差,特別是兩端壓頭受高溫極易發(fā)生變形,因而本文采用間接拉伸試驗(yàn)方法完成拉伸熱力耦合試驗(yàn),其加載裝置見圖5,試樣頂、底均設(shè)置有剛性墊條。從福鼎市引水工程A2 標(biāo)段隧洞埋深考慮,設(shè)定試驗(yàn)溫度分別為20℃（常溫）、100℃、180℃、260℃、340℃、420℃、500℃。而根據(jù)A2 標(biāo)段中花崗巖粒徑分布,劃分為＜1 mm（細(xì)粒）、1 mm～4 mm（中細(xì)粒）、4 mm～8 mm（中粗粒）、＞8 mm（粗粒）四種粒徑研究方案,基于上述不同粒徑下拉伸熱力耦合試驗(yàn),探討隧洞圍巖拉伸力學(xué)特征。

圖5 拉伸試驗(yàn)加載裝置示意

由于地層富水帶的存在,因而必須考慮圍巖滲透特性,特別是圍巖在張拉破壞后滲透特性,因而本文在完成熱力耦合下的拉伸力學(xué)試驗(yàn)后,將含裂隙面的試樣放置在靜壓力滲透測(cè)試裝置中,研究其損傷效應(yīng)下滲透特性。由于該靜壓滲透測(cè)試裝置最低滲透率可達(dá)10-21m2級(jí)別,聯(lián)系A(chǔ)2 標(biāo)段中圍巖實(shí)際埋深,設(shè)定滲透靜水圍壓分別為10 MPa～60 MPa,梯次為10 MPa。本試驗(yàn)中所有樣品均來自福鼎市引水隧洞A2 標(biāo)段鉆孔取樣,在室內(nèi)經(jīng)精加工打磨后,制備成徑高比為2/1 的試樣,并且試驗(yàn)前均進(jìn)行損傷恢復(fù),減弱人工鉆、制樣對(duì)試樣內(nèi)部裂隙的擾動(dòng)影響,制備好試樣見圖6,進(jìn)而按照既定試驗(yàn)方案完成熱力耦合下拉伸力學(xué)試驗(yàn)及損傷面試樣滲透試驗(yàn)。

圖6 試驗(yàn)試樣樣品

2 熱力耦合下力學(xué)特性

2.1 溫度損傷效應(yīng)

根據(jù)對(duì)不同溫度下試樣拉伸力學(xué)試驗(yàn),獲得溫度損傷效應(yīng)下圍巖體試樣拉伸應(yīng)力應(yīng)變特征,見圖7。從圖7 可看出,當(dāng)溫度遞增,各溫度荷載下試樣拉伸應(yīng)力水平隨之并無一致性趨勢(shì)變化,而是在溫度低于340℃時(shí),拉伸應(yīng)力水平為遞減態(tài)勢(shì),當(dāng)施加溫度荷載超過340℃后,其拉伸應(yīng)力水平有所增長；當(dāng)所有試樣應(yīng)變均在0.1%時(shí),常溫下試樣拉伸應(yīng)力為10.1 MPa,而溫度荷載在低于340℃范圍內(nèi),如高溫180℃、340℃下試樣拉伸應(yīng)力較前者分別減少了47.6%、64%,而溫度在超過該范圍后,如420℃、500℃下試樣拉伸應(yīng)力較溫度340℃下試樣分別增長了10.6%、35.2%。由此可知,圍巖受溫度熱荷載效應(yīng)影響具有變化節(jié)點(diǎn),當(dāng)超過該節(jié)點(diǎn)門檻后,其影響特征發(fā)生逆轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì),本試驗(yàn)中該節(jié)點(diǎn)溫度為340℃；同樣,以各試樣峰值拉伸應(yīng)力為例,在熱荷載溫度20℃～340℃區(qū)間內(nèi),溫度每增長80℃,試樣峰值拉伸應(yīng)力平均損失16.8%,而熱荷載溫度超過該區(qū)間后,其峰值拉伸應(yīng)力隨溫度階梯增長具有平均增幅22.2%。筆者認(rèn)為,溫度損傷效應(yīng)實(shí)質(zhì)上乃是對(duì)顆粒晶體的物理膨脹變形施加影響[15-16],進(jìn)而導(dǎo)致試樣抗拉穩(wěn)定性產(chǎn)生降低現(xiàn)象,但該圍巖體在溫度熱荷載下所具有的損傷效應(yīng)乃是具有一定界限,當(dāng)超過該界限溫度后,增大溫度熱荷載,其所有的顆粒晶體膨脹變形均臨近“飽和”,反而會(huì)在一定程度上導(dǎo)致了內(nèi)部顆粒晶體骨架的重構(gòu),對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生的張拉裂隙會(huì)形成重塑,導(dǎo)致試樣拉伸應(yīng)力水平產(chǎn)生上升特征。

圖7 圍巖試樣拉伸應(yīng)力應(yīng)變與溫度效應(yīng)關(guān)系

從變形特征來看,各試樣的線彈性拉伸模量參數(shù)受溫度熱荷載影響與力學(xué)特征基本一致,節(jié)點(diǎn)溫度340℃下拉伸模量為35.45MPa,而常溫下、420℃、500℃下試樣拉伸模量較前者分別增長了1.95 倍、11%、26.8%。溫度不僅改變了試樣抗拉特性,且從試樣的初始拉伸階段開始就形成了差異,以高溫度下試樣峰值應(yīng)變?yōu)樽畲?溫度500℃下試樣峰值應(yīng)變達(dá)0.21%,而常溫下試樣峰值應(yīng)變僅為0.12%,表明溫度荷載可促使圍巖體試樣由突變型脆性破壞延伸擴(kuò)展至延性變形特征。

2.2 粒徑約束效應(yīng)

經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,獲得了不同粒徑下試樣拉伸應(yīng)力應(yīng)變特征,見圖8。分析圖中應(yīng)力應(yīng)變可知,粒徑愈大,試樣拉伸應(yīng)力水平愈低,即粒徑對(duì)圍巖體抗拉水平具有約束效應(yīng),當(dāng)拉伸應(yīng)變加載至0.1%時(shí),細(xì)粒試樣的拉伸應(yīng)力為8.19 MPa,而中細(xì)粒、粗粒試樣的拉伸應(yīng)力較之分別減少了19%、37.9%。分析認(rèn)為,當(dāng)圍巖體中顆粒粒徑越大,其越容易在拉伸荷載下率先發(fā)生屈服,此主要與其內(nèi)部晶體顆粒的分布不均有關(guān),極易導(dǎo)致試樣內(nèi)部顆粒骨架發(fā)生應(yīng)力集中效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致試樣顆粒出現(xiàn)裂紋較早,故整體拉伸應(yīng)力水平低于細(xì)顆粒試樣。從變形特征來看,不同粒徑試樣的變形模量也有所差異,雖在峰值拉伸應(yīng)力后均仍存有一定承載能力,但以細(xì)粒試樣殘余承載能力更強(qiáng),而粗粒試樣的峰值應(yīng)變及最終應(yīng)變均低于細(xì)粒試樣,前、后兩者試樣峰值應(yīng)變分別為0.1%、0.14%。

圖8 圍巖試樣拉伸應(yīng)力應(yīng)變與粒徑效應(yīng)關(guān)系

圖9為各粒徑下試樣在不同溫度荷載下抗拉強(qiáng)度影響特征。分析可知,圍巖試樣抗拉強(qiáng)度與溫度荷載參數(shù)具有二次函數(shù)關(guān)系,均以溫度340℃下為強(qiáng)度最低,細(xì)?！至Ｋ姆N粒徑下試樣在該溫度下抗拉強(qiáng)度分別為6.38 MPa、5.06 MPa、4.22 MPa、3.57 MPa。不同粒徑試樣中強(qiáng)度最大為細(xì)粒,在常溫下中細(xì)粒～粗粒試樣強(qiáng)度與細(xì)粒試樣強(qiáng)度差幅分布為12.9%～29.8%,而溫度增大至100℃后,差幅分布為10.6%～27.5%、,同樣溫度420℃、500℃下與細(xì)粒試樣差幅分布為22.4%～56.3%、26%～61.4%,即只要溫度未超過節(jié)點(diǎn)門檻值,不同粒徑下試樣抗拉強(qiáng)度差異隨溫度遞增而逐漸減小,但超過節(jié)點(diǎn)門檻值后,態(tài)勢(shì)與之相反。

圖9 圍巖試樣抗拉強(qiáng)度影響變化特征

3 損傷效應(yīng)下滲透特征

根據(jù)對(duì)拉伸破壞后試樣開展靜壓滲透測(cè)試,獲得各靜水圍壓下滲透率特征,見圖10。從圖中可知,靜水壓力愈大,滲透率均遞減[17-18],在中粗粒試樣組中,靜水壓力10 MPa 下滲透率為8.21×10-15m2,而靜壓每增大10 MPa,試樣滲透率隨之平均遞減71.6%；同樣在細(xì)粒、中細(xì)粒及粗粒試樣組中,該遞減幅度分別為41.8%、60.5%、78.6%,表明顆粒粒徑愈大,試樣滲透率受靜壓影響敏感度更高,也說明了粒徑愈大的試樣內(nèi)部顆粒分布差異性愈大。在四種粒徑試樣組下,細(xì)粒試樣滲透率最低,分布為4.2×10-18m2～6.7×10-17m2,在靜壓10 MPa下其他三組與前者滲透率的差幅分布達(dá)11.5～564.8 倍,而靜壓增大至40 MPa、60 MPa 后,與之滲透率差幅分布分別僅1.35～20.4 倍、42.8%～2.5 倍,表明靜水壓力增大,可縮小不同粗粒圍巖試樣的滲透率水平差異性,并在一定的大靜水壓力下甚至各粒徑試樣滲透率接近一致。

圖10 滲透率特征

4 結(jié)論

（1）溫度對(duì)圍巖試樣影響具有節(jié)點(diǎn)門檻值,本試驗(yàn)中該節(jié)點(diǎn)溫度為340℃,低于該節(jié)點(diǎn)時(shí),溫度每增長80℃,試樣峰值拉伸應(yīng)力平均損失16.8%,而超過該節(jié)點(diǎn)時(shí),隨階梯溫度增長具有平均增幅22.2%；高溫度下試樣峰值應(yīng)變?yōu)樽畲蟆?/p>

（2）粒徑對(duì)圍巖試樣拉伸應(yīng)力水平具有約束效應(yīng),常溫下中細(xì)?！至Ｔ嚇訌?qiáng)度與細(xì)粒試樣強(qiáng)度差幅分布為12.9%～29.8%,粗粒試樣變形特征低于細(xì)粒試樣；溫度不超過節(jié)點(diǎn)門檻值,不同粒徑間試樣抗拉強(qiáng)度差異減小,但超過節(jié)點(diǎn)溫度后,差異增大。

（3）靜水壓力與滲透率具有負(fù)相關(guān)關(guān)系,且顆粒粒徑愈大,試樣滲透率受靜壓影響敏感度更高；細(xì)粒試樣滲透率最低,而靜水壓力增大,不同粗粒試樣的滲透率水平差異性減小,甚至在更高的靜水壓力中可趨于一致性。水利水電工程作為我國重要的基礎(chǔ)設(shè)施,能夠有效利用水資源,為人們提供生活生產(chǎn)所需的能源,進(jìn)而達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的建設(shè)發(fā)展目標(biāo)。

（4）水利水電工程的施工規(guī)模較大、所需投資資金較多、施工難度較高、危險(xiǎn)因素較多,一旦水利水電工程施工出現(xiàn)質(zhì)量問題就容易導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故,造成極大的經(jīng)濟(jì)損失,甚至惡劣的社會(huì)影響。對(duì)此,應(yīng)當(dāng)對(duì)工程施工階段與施工現(xiàn)場的質(zhì)量進(jìn)行管理和研究總結(jié),不斷完善質(zhì)量管理體系,解決施工階段的各種問題,提升項(xiàng)目施工質(zhì)量。本文介紹水利水電工程施工階段過程中質(zhì)量管控研究數(shù)據(jù),可為施工階段出現(xiàn)的相關(guān)問題提供重要數(shù)據(jù)支撐,保障工程的質(zhì)量與施工安全,發(fā)揮水利水電工程的功能與效用。