核電廠取排水工程軟巖水理特性試驗研究

陳海軍，柯 松，韓孝峰

(南京水利科學研究院， 江蘇 南京 210029)

軟巖廣泛存在于工程建設中，是一類強度低、孔隙率大、膠結程度差，受構造面切割及風化影響大的巖石[1]。軟巖受水的影響很大，甚至會遇水短時間崩解、軟化，從而導致力學性能大幅降低，影響工程建設。國內外學者對于軟巖進行了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。Bekar等[2]通過室內試驗，分析了紅層軟巖的形態特征和微觀結構；黃生文等[3]通過現場勘察和微觀研究，分析了泥質粉砂巖的宏觀和微觀特性；邱恩喜等[4]對紅層軟巖的路用工程性質進行了研究。這些研究在一定程度上揭示了軟巖的工程特性，但對于軟巖的水理特性研究還有待加強，需進一步深入。

巴基斯坦某核電廠位于印度洋之濱。K-2/K-3項目是中巴兩國“經濟走廊”的重要組成部分。整個取排水工程經前期勘察得知巖層分為強風化泥巖、中風化泥巖、微風化泥巖、強風化泥質砂巖、中等風化泥質砂巖。核電廠取排水工程主要由明渠與輸水隧洞組成，常年與水接觸，因此對取排水工程軟巖水理性質的研究是很有必要的。從膨脹性、耐崩解性及軟化性三個方面對取排水工程軟巖水理性質進行研究，有助于工程設計和建設的順利進行。

1 試驗方法

試驗所用的試樣均來自巴基斯坦某核電廠取排水工程，在現場取樣后，立即用塑料布、錫箔包裹，再以石蠟封存，讓其處在天然含水率狀態。為防止試樣長途運輸損壞，將封存好的試樣裝在木箱里，在木箱兩端及底部墊木屑。

在實驗室內，根據《工程巖體試驗方法標準》[5]中各試驗試件尺寸要求，加工試樣，尺寸誤差控制在±5 mm以內。采用機械及手工臺加工的方法進行加工，加工時避免著水。

1.1 膨脹性試驗

膨脹性試驗由自由膨脹率試驗、側向約束膨脹率試驗和膨脹壓力試驗組成。

自由膨脹率試驗：取泥巖和泥質砂巖各5個試樣，將試樣放入自由膨脹率試驗儀內，記下千分表的讀數，加入水讓其自由膨脹，直至達到穩定后，再次記下千分表的讀數。

側向約束膨脹率試驗：取泥巖和泥質砂巖各5個試樣，將試樣放入金屬環中，并在其上加5 kPa的持續壓力，記下千分表的讀數，直至達到穩定，再次記下千分表的讀數。

膨脹壓力試驗：取泥巖和泥質砂巖各5個試樣，將試樣放在金屬環中，對試件進行逐級加壓，讀出試件變形測表的讀數，緩慢向容器里加水，在調節所施加的荷載時要保證試件厚度始終不變，直到測表讀數基本不變。

1.2 耐崩解性試驗

取泥巖和泥質砂巖各5件，制成渾圓狀試樣，將其裝入篩筒內，在105～110 ℃下烘干24 h，冷卻至室溫稱量，然后浸水，重復烘干、浸水操作，一般以兩次循環耐崩解指數表征巖石耐崩解性。

1.3 單軸抗壓強度試驗

取6組試件，每組2個，將每組中的1個試件浸水48 h，另1個在105～110 ℃條件下烘干。分別通過材料試驗機進行加載，直至試件破壞。

2 軟巖膨脹性研究

2.1 膨脹性參數

巖石的膨脹性通常可以用以下參數表示和計算。

1)自由膨脹率。自由膨脹率試驗所測的膨脹包括軸向和徑向兩個方向，因為徑向膨脹率很小，故只研究了軸向膨脹率，計算公式如下:

(1)

式中：VH為軸向自有膨脹率；ΔH為試件軸向變形值(mm)；H為試件高度(mm)。

2)側向約束膨脹率。計算公式如下：

(2)

式中：VHP為側向膨脹率；ΔH1為試件的軸向變形(mm)；H為試件高度(mm)。

3)膨脹壓力。計算公式如下:

(3)

式中：PS為膨脹壓力(MPa)；F為軸向荷載(N)；A為試件截面面積(mm2)。

2.2 膨脹性試驗結果及分析

軟巖遇水膨脹，會造成滑坡、隧洞坍塌等一系列工程問題。為探明該取排水工程兩種軟巖膨脹特性，分別采集了5組具有代表性的試樣進行膨脹性試驗和含水率測定，結果如表1所示。

表1 軟巖膨脹性指標與含水率

由表1可知泥質砂巖的軸向膨脹率小于1%，側向約束膨脹率也較小；泥巖的軸向膨脹率和側向約束膨脹率比砂巖大，且軸向膨脹率、膨脹壓力與含水率關系密切，分別見圖1和圖2。

圖1 泥巖軸向膨脹率和含水率曲線

圖2 泥巖膨脹壓力和含水率曲線

由圖1、圖2可以看出：

1)泥巖的軸向膨脹率與含水率可以用線性關系表示，即

VH=7.325 2-0.348 7ω

(4)

表明泥巖的軸向膨脹率隨含水率的增大而減小，當含水率接近21%時，軸向膨脹率接近0，故泥巖的飽和含水率不會超過21%。

2)泥巖膨脹壓力與含水率線性相關，即

PS=2.093 8-0.092 9ω

(5)

式(5)表示泥巖膨脹壓力隨含水率的增大而減小，當含水率接近0時，膨脹壓力最大可以接近2 MPa。

軟巖之所以會產生膨脹可以歸納為：1)水進入巖體的顆粒內部，產生膨脹力，由于顆粒晶體間膨脹力的作用產生裂隙，使得水分進入，進而使得巖體膨脹[6]；2)巖體內部顆粒逐漸脫離聯結，使得孔隙變大，吸收水分。

3 軟巖耐崩解性研究

3.1 崩解機制

巖石崩解具有雙重機制：1)膨脹機制。巖石內含有膨脹性的黏土礦物，遇水后親水礦物吸水膨脹引起巖石膨脹變形，最后崩解；2)鹽類溶解機制。巖石內部空隙中含有可溶性鹽，遇水后可溶性鹽溶解造成水與黏土礦物充分接觸，從而引起巖石崩解。通常這兩種破壞機制共同發揮作用[7-8]。

由于泥巖與泥質砂巖中含有較多的石膏和可溶性鹽，當有外水浸入時可溶性鹽就會溶于水，導致顆粒之間的聯結減弱，從而導致巖石解體。水進入孔隙中同時會引起泥巖及砂巖發生膨脹變形，加劇內部顆粒的破碎崩解，容易使巖體變形過大甚至造成破壞[9]。

3.2 耐崩解性結果及分析

耐崩解性試驗可以通過兩次烘干、濕潤循環后，評估出巖石抵抗軟化和崩解的能力，用耐崩解性指數來表征巖石的耐崩解性。依據試驗方案進行試驗，根據試驗記錄數據，并且按照公式(6)計算。

(6)

式中：Id2為巖石兩次循環耐崩解指數；mr為殘余試件烘干質量(g)；md為原試件烘干質量(g)。試驗結果見表2，甘布爾巖石耐久性分類見表3。

表2 軟巖耐崩解性指數試驗結果

表3 甘布爾耐崩解性分類

由表2看出泥巖的兩次循環耐崩解性指數主要分布在40%～50%范圍內，砂巖兩次循環耐崩解性指數主要分布在40%～50%范圍內，也有小部分大于60%。按表3甘布爾崩解性分類，泥巖屬于低耐久性軟巖，砂巖主要是低耐久性軟巖，小部分為中等耐久性軟巖，這也說明取排水工程的軟巖耐久性差。取排水工程軟巖受環境影響很大，在干濕循環過程中極易崩解破碎，此時的抵抗力就變得很小，很難再滿足工程要求。

4 軟巖的軟化性研究

軟巖遇水后會出現軟化現象，對于軟巖的軟化機制通常有兩種觀點，一種認為是由于軟巖內部的不均勻應力造成的，另一種認為是由于巖溶導致的。含水率對巖石有削弱作用，使得其抗壓強度明顯降低，從而影響工程的穩定性[10-11]。

巖石的軟化性通常用軟化系數來衡量，軟化系數通過式(7)計算[12]。

KF=RW/RC

(7)

式中：KF為軟化系數；RW為巖石浸水后的抗壓強度；RC為巖石干燥時的抗壓強度。巖石的軟化系數越小則軟化性越大，強度相差越明顯，受水的影響也越大。對兩組軟巖分別做飽和及干燥單軸抗壓強度試驗，每組6個試件，試驗結果如表4所示。

表4 軟巖單軸抗壓強度試驗結果

由表4可知水對軟巖的單軸抗壓強度有著顯著的影響，飽和后的軟巖強度下降非常明顯，兩組軟巖的軟化系數均小于0.2，水穩定性差，屬于極軟巖的范疇。當水浸入軟巖后順著裂隙浸潤自由面上的礦物顆粒，削弱了顆粒間的聯結，使得宏觀裂隙滋生擴張，造成了軟巖飽和抗壓強度與干燥抗壓強度有明顯區別[12]。

5 結束語

通過對巴基斯坦某核電廠取排水工程的軟巖進行膨脹性、耐崩解性及軟化性試驗研究，主要得到以下3點結論。

1)隨著含水率的增大，泥巖的軸向膨脹率、膨脹壓力呈線性減小；隨含水率的變化，砂巖自由膨脹率變化不明顯。

2)經崩解性試驗表明兩次循環耐崩解指數主要處于30%～60%之間，軟巖具有較強的崩解性。

3)軟巖的單軸抗壓強度受含水率的影響很大，軟化系數很小，水穩定性差，具有明顯的軟化現象。一般來說含水率越大，巖石的單軸抗壓強度就越低，反之亦然。

核電廠取排水工程軟巖受水的影響極大，如果解決不好軟巖遇水的問題，極有可能造成工程的損失。因此在設計時要充分考慮取排水工程渠道及隧洞滲水、隔水問題，施工時要做好襯砌及隔水等措施。