干濕循環(huán)下水電站地下硐室圍巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究

李長(zhǎng)城

(山東省淄博市水利事業(yè)服務(wù)中心，山東 淄博 255000)

水力能源是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的重要組成成分，水電站是我國(guó)水力能源發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1- 3]。受地下水影響，水電站地下硐室圍巖存在失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)[4- 6]。因此，研究地下水滲流影響下水電站地下硐室圍巖的力學(xué)性質(zhì)對(duì)保證水電站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

現(xiàn)有關(guān)于水- 巖耦合作用下巖石力學(xué)性質(zhì)和失穩(wěn)破壞特征的研究較多。王浩宇等[7]深入探究了水化學(xué)影響下紅砂巖動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和破壞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)受孔隙水影響，巖石中的膠結(jié)物質(zhì)被溶蝕而使膠結(jié)作用弱化，巖石力學(xué)性質(zhì)變差。孫治國(guó)等[8]深入分析了水- 巖化學(xué)耦合作用下紅砂巖的蠕變力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)水力侵蝕下紅砂巖的峰值應(yīng)力產(chǎn)生了不同程度降低。竇子豪等[9]深入分析了水力侵蝕下花崗巖的裂隙剪切力學(xué)特性，對(duì)不同浸水時(shí)間下的花崗巖試樣展開了直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間浸水后花崗巖試樣的彈性模量明顯降低，巖體力學(xué)性質(zhì)明顯劣化。

上述研究主要針對(duì)滲流條件下巖石力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，而未深入研究干濕循環(huán)條件對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。文章以我國(guó)南方某水電站地下硐室的含泥灰?guī)r為研究對(duì)象，在室內(nèi)展開了不同干濕循環(huán)次數(shù)下含泥灰?guī)r的物理參數(shù)和單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)，深入研究了干濕循環(huán)對(duì)巖石物理性質(zhì)的影響。本研究旨在為干濕循環(huán)影響下水電站地下硐室突涌災(zāi)害的防治工作提供一定的理論依據(jù)。

1 工程背景與試驗(yàn)

1.1 工程背景

本研究依托于我國(guó)南方某水電站地下硐室建設(shè)工程，該水電站是一座以水力發(fā)電服務(wù)功能為主，同時(shí)兼具地方防洪和灌溉等功能的水電樞紐項(xiàng)目。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，水電站主要由擋水壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞、水電站以及地下廠房等建筑物組成。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。大壩為面板堆石壩，壩高46.8m，死水位為840.00m、正常蓄水位為852.00m，設(shè)計(jì)洪水位848.59m，校核洪水位855.22m，總庫(kù)容為7717萬(wàn)m3。受工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件限制，地下硐室開挖與支護(hù)挑戰(zhàn)較大。且區(qū)域內(nèi)四級(jí)地下水位波動(dòng)明顯，干濕循環(huán)對(duì)地下硐室圍巖的力學(xué)性質(zhì)影響較大。

1.2 試樣制備

本次試驗(yàn)研究對(duì)象取自我國(guó)西南某地區(qū)水電站地下硐室工程含泥灰?guī)r試樣，受季節(jié)性地下水水位變化影響，地下硐室圍巖受到顯著的干濕交替作用，圍巖的力學(xué)性質(zhì)劣化，存在地層突涌的風(fēng)險(xiǎn)。按照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]，首先從工程現(xiàn)場(chǎng)的巖塊中鉆孔取樣得到直徑為50mm的圓柱巖芯，之后再采用車床干切、高壓水磨將泥質(zhì)灰?guī)r加工為高度為100mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，試驗(yàn)組試樣的基本物理參數(shù)見表1。

表1 泥質(zhì)灰?guī)r試樣基本物理參數(shù)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究干濕循環(huán)影響下水電站地下硐室灰?guī)r物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，利用RMTS- 150型巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下的含泥灰?guī)r展開了單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)。其中，干濕循環(huán)次數(shù)分別為0、10、20和30次。RMTS- 150型巖石力學(xué)測(cè)試設(shè)備的最大軸向荷載2600kN，并利用LVDT對(duì)巖石的軸向變形進(jìn)行檢測(cè)。上述試驗(yàn)設(shè)備的控制精度均在0.5%以內(nèi)。此外，為了全面了解干濕循環(huán)對(duì)巖石物理性質(zhì)的影響，同時(shí)對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下含泥灰?guī)r的基本物理參數(shù)(密度、彈性波速和滲透性)展開了測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 密度變化

大量試驗(yàn)研究表明，材料的質(zhì)量、彈性波速是反映材料完整性及內(nèi)部損傷程度的重要參數(shù)，而滲透率則能夠表征巖石材料內(nèi)部空隙的生長(zhǎng)、發(fā)展?fàn)顟B(tài)。為研究干濕循環(huán)條件下巖石基本物理參數(shù)的變化規(guī)律，探討巖石基本物理特性在干濕循環(huán)作用下的劣化效應(yīng)，對(duì)巖石展開了質(zhì)量和滲透性試驗(yàn)。對(duì)每個(gè)干濕循環(huán)后的巖石進(jìn)行質(zhì)量測(cè)試并計(jì)算，得到巖石的質(zhì)量損失率隨干濕循環(huán)變化關(guān)系，隨著干濕循環(huán)處理次數(shù)的不斷增加，泥質(zhì)灰?guī)r的質(zhì)量不斷降低，質(zhì)量損失率呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)10次干濕循環(huán)后最大質(zhì)量損失率達(dá)到2.02%，而經(jīng)過(guò)30次干濕循環(huán)后巖石的質(zhì)量損失率達(dá)到7.03%。進(jìn)一步分析巖石質(zhì)量損失率與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系并進(jìn)行擬合，得到擬合曲線如圖1所示。由圖可知，泥質(zhì)灰?guī)r的質(zhì)量損失率與干濕循環(huán)次數(shù)之間呈線性正相關(guān)，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.9948。分析認(rèn)為，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)，水分的存在使巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，且水流沖刷帶走了內(nèi)部細(xì)小顆粒，因此巖石的質(zhì)量不斷降低。

圖1 含泥灰?guī)r質(zhì)量損失率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

2.2 滲透性變化

圖2為含泥灰?guī)r滲透率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系。由圖可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖石的滲透性也逐漸增大。初始狀態(tài)下，含泥灰?guī)r的滲透率為8.81×10-16m2。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，巖石的滲透率分別為2.15×10-15、8.32×10-15、2.02×10-14m2。此外，巖石滲透率與干濕循環(huán)次數(shù)之間成正指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，巖石滲透率也逐漸增大，且增長(zhǎng)速率越來(lái)越快。

圖2 含泥灰?guī)r滲透率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

2.3 應(yīng)力應(yīng)變曲線特征

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下含泥灰?guī)r單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。由圖可知，由于天然狀態(tài)下含泥灰?guī)r呈應(yīng)脆性，因此其在峰后應(yīng)力迅速跌落；此外，含泥灰?guī)r的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線無(wú)明顯的壓密特征[11- 12]。相較于未經(jīng)受干濕循環(huán)處理的試樣，干濕循環(huán)下的含泥灰?guī)r試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線則表現(xiàn)出明顯的孔隙壓縮特征，因此在低應(yīng)力條件下，巖石試樣應(yīng)力增長(zhǎng)較慢而變形增長(zhǎng)較快，曲線呈下凹狀。結(jié)合上述物理參數(shù)分析結(jié)果可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)，巖石試樣的質(zhì)量不斷降低，滲透率不斷增大，這是由于干濕循環(huán)使得巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，且水流沖刷帶走了內(nèi)部細(xì)小顆粒。由于巖石內(nèi)部孔隙的持續(xù)發(fā)育，含泥灰?guī)r的的初始?jí)好茈A段也變得更加顯著。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下泥質(zhì)灰?guī)r單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.4 力學(xué)參數(shù)分析

基于含泥灰?guī)r單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下泥質(zhì)灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度、峰值點(diǎn)應(yīng)變及彈性模量見表2。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為0時(shí)，含泥灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度(σc)與彈性模量(Es)分別為78.05MPa、8.77GPa，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，σc相比下降6.44%、18.84%及33.34%，Es則相比降低7.07%、35.46%及44.47%。由此可見，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加，泥質(zhì)灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度與彈性模量均逐漸降低，巖石的力學(xué)參數(shù)不斷劣化。分析認(rèn)為，在干濕循環(huán)過(guò)程中，水分的存在導(dǎo)致巖石內(nèi)部泥質(zhì)膠結(jié)成分被軟化，且在水流沖刷過(guò)程中被沖走，因此巖石的力學(xué)性質(zhì)變差。

表2 單軸壓縮下不同干濕循環(huán)次數(shù)泥質(zhì)灰?guī)r力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)論

對(duì)某水電站地下硐室的含泥灰?guī)r進(jìn)行了干濕循環(huán)力學(xué)試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

(1)干濕循環(huán)導(dǎo)致巖石內(nèi)部膠結(jié)物變得松散，內(nèi)部顆粒被沖走，巖石內(nèi)部孔隙增多。30次干濕循環(huán)后巖石的質(zhì)量損失率為7.03%，而試樣的滲透性則增長(zhǎng)了2個(gè)量級(jí)。

(2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸減小。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為0時(shí)，含泥灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量分別為78.05MPa、8.77GPa，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，灰?guī)r的σc相比下降6.44%、18.84%及33.34%，Es則相比降低7.07%、35.46%及44.47%。

(3)本次研究受限于試驗(yàn)條件，未能對(duì)干濕循環(huán)條件下巖石力學(xué)性質(zhì)損傷的內(nèi)部機(jī)理展開研究，后續(xù)可以利用微觀電鏡掃描深入探討巖石損傷的內(nèi)部機(jī)理。