惠民莊水庫壩基裂隙灰巖水-力耦合作用下滲漏特性分析

胡芳江

(臨沂市水利水電工程建設監理中心，山東 臨沂 276300)

1 工程背景

惠民莊水庫位于山東省蘭陵縣北部礦坑鎮惠民莊村北，控制流域面積47km2，工程由主壩、副壩、大壩防滲、溢洪道(閘)、放水洞及管理設施等工程組成，屬小(1)型工程規模。工程設計洪水標準50年一遇，相應洪峰流量707m3/m，校核標準為1000年一遇，相應洪峰流量1130m3/m。

庫區第四系覆蓋層下伏古生界寒武系奧陶系灰巖地層，庫區廣泛分布的沉積巖多裸露地表，丘陵渾圓，沖溝切割深度不大，有寬闊的天然分水嶺。巖體內巖溶裂隙較發育，延伸性較好，導水性較強。河流間天然分水嶺雖高大寬厚，但分水嶺巖體大部分都為灰巖，灰巖溶蝕較發育，導水性較好，且灰巖部分地段具中等透水性，不能有效阻隔庫區水的滲流，不能形成良好的阻水帶，故庫區存在一定的滲漏問題。

2 試驗概況

2.1 試驗試件

現場鉆探：灰巖為黃褐色-青灰色，主要以白云質灰巖為主，中厚層狀結構，巖芯呈塊狀-柱狀，錘擊聲脆，密度大小為2.41 ～2.70g/cm3，含水率為1.52%～1.89%，主要化學成分為石英和方解石。挑選其中性狀(外觀、密度、含水率接近)較為相似的巖芯打磨制成高為100mm，直徑為50mm的標準圓柱形試件[1- 3]，并將其分為兩組：一組試件進行烘干，一組試件進行浸泡24h(飽水)。

2.2 試驗設備

試驗設備為水-力耦合微機控制電液伺服巖石剛性試驗機，系統最大加載應力為600kN，應力分辨率為100N，位移控制為0.005～25mm/min，位移精度為±0.5%。

2.3 滲透率測試方法

試驗采用穩態率測試法來測試灰巖的滲透系數，其主要目的是通過對試件兩端施加滲透壓，測量試件兩端的流體流量[4- 6]，再根據達西定律計算得到試件的滲透率k：

(1)

式中，k—滲透系數，cm/s；Q—流體流量，cm3；L—灰巖試件的高度，cm；u—流體的動力黏度，Pa·s；A—灰巖試件的橫截面面積，cm2；Δpw—灰巖試件兩端的滲透壓差，MPa。

在試驗過程中為了盡量避免試件離散性對試驗結果帶來的影響，保證試驗結果的可靠性，每組試驗均進行了3次試驗，然后取3組試件的算術平均值作為最終結果。

2.4 試驗方案

試驗共分為干燥試驗組和飽水試驗組，每個試驗組的滲透壓差分別為0、2、4、6MPa四種，每種滲透壓差下均進行3次試驗，試驗過程中滲透壓加載速率為1MPa/min，應力加載速率為30MPa/min，每個試件在應力加載前先測試初始滲透系數k，均取3次試驗同一滲透壓下的平均值作為最終試驗結果。

3 試驗結果分析

3.1 應力-應變曲線特征

試驗得到的不同試驗組在不同滲透壓下的應力-應變曲線特征如圖1所示。從圖中可以看到：在滲流-應力耦合作用下，裂隙灰巖應力-應變曲線呈不同的變化特征，但都可以劃分為初始壓密、彈性變形、塑性變形以及峰后變形4個階段[7]；干燥試驗組下，當沒有滲透壓時(即一般單軸壓縮試驗)，灰巖的初始壓密階段較短，這主要是灰巖原生裂隙、孔隙閉合所引起，但灰巖的彈性變形階段較為明顯，表明原生裂隙對灰巖沒有產生實質性損傷，隨著滲透壓的逐漸增大，灰巖的初始壓密階段越來越長，這主要是因為在滲透壓作用下，會對試件內部產生沖蝕效應，導致原生孔隙裂隙而進一步擴展，滲透壓越大，沖蝕效應越顯著，同時由于灰巖為多孔介質，當存在滲透壓時，實際上在試件內部也會形成水巖的相互作用，導致內部溶質遷移，因而孔隙率也會產生變化。飽水試驗組，在相同滲透壓下的應力-應變曲線更傾向于彈-塑性變形，這是因為灰巖在浸泡過程中，內部礦物顆粒會溶解于水中，導致灰巖試件內部的礦物顆粒膠結力、結構性大大降低，在應力和滲透壓作用下，內部孔隙裂隙更容易發生擴展，從而表現出比較明顯的軟化現象，因而變形特征也有所不同。

圖1 應力-應變曲線

3.2 彈性模量與滲透壓關系

試驗得到的不同滲透壓下灰巖的彈性模量變化趨勢見圖2。從圖2中可以看到：隨著滲透壓的增加，干燥試驗組和飽水試驗組的彈性模量均呈逐漸降低的變化特征，這是因為在注水壓力作用下，礦物晶體解理位置首先產生溶蝕作用，試件內部易溶解物質會迅速溶于水中，造成顆粒與顆粒之間的聯結作用力減弱，隨著滲透壓的增大，灰巖內部逐漸由溶蝕作用為主轉變為沖蝕作用為主，很多細小顆粒以及可溶解物質會被帶出試件，使得內部孔隙率增大，結構完整性進一步遭到破壞，試件內部逐漸孔隙半徑逐漸擴展貫通，因而，彈性模量隨滲透壓增大而降低。干燥試驗組的彈性模量從13.35GPa降至11.05GPa，降幅為17.2%，滲透壓每升高1MPa，彈性模量降低0.383GPa；飽水試驗組的彈性模量從8.8GPa降至7.7GPa，降幅為12.5%，滲透壓每升高1MPa，彈性模量降低0.183GPa。

圖2 彈性模量隨滲透壓變化關系

3.3 強度與滲透壓關系

試驗得到的不同滲透壓下灰巖的強度變化趨勢如圖3所示。從圖3中可以看到：灰巖的強度隨著滲透壓的增大也呈逐漸降低趨勢，這是因為滲透壓越大，對灰巖內部結構的沖蝕作用越強，試件內部結構完整性越差，顆粒與顆粒之間的膠結聯結力越低，因而強度越低。特別的，飽水試件在滲透壓6MPa下的平均強度略大于4MPa時的平均強度，這主要是因為在4MPa滲透壓試驗過程中，有一個試件強度偏低，這是試件離散性帶來的問題，但不影響強度隨滲透壓變化的整個趨勢。干燥試驗組強度從103.3MPa降至62.5MPa，降幅為39.5%，飽水試驗組強度從69.2MPa降至40.5MPa，降幅為41.5%。同等滲透壓下，干燥試驗組的強度較飽水試驗組大30%～45%。

圖3 強度隨滲透壓變化關系

3.4 起裂值與滲透壓關系

起裂值是巖石內部損傷發展的一個重要標志，在低應力水平下時，灰巖內部是原生孔隙裂隙閉合與新裂隙產生平衡階段，這段時間巖石內部未產生實質性損傷，當應力超過一定值后，巖石內部結構開始產生實質性損傷，新的裂紋不斷擴展貫通，直至試件發生失穩破壞。一般認為彈性階段之前，試件內部沒有產生損傷，彈性階段之后，試件逐漸產生損傷，但是采用應力-應變曲線很難區分彈性階段與塑性變形階段的轉折點，因此，本文利用體變曲線來預測每組試驗對應的起裂值，其基本思想是：體變曲線拐點對應的應力值即為灰巖的起裂值。

試驗分析得到的不同滲透壓下灰巖的起裂值隨滲透壓變化特征見圖4。從圖4中可以看到：隨著滲透壓的增大，灰巖的起裂值呈逐漸減小的變化特征，滲透壓相等時，干燥試件的起裂值大于飽水試件的起裂值。干燥試驗組起裂值從92.5MPa降至27MPa，降幅為70.8%，飽水試驗組起裂值從56.2MPa降至15MPa，降幅為73.3%。同等滲透壓下，干燥試驗組的起裂值較飽水試驗組大30%～45%。

圖4 起裂值隨滲透壓變化關系

3.5 滲透系數與滲透壓關系

試驗分析得到的不同滲透壓下灰巖的滲透系數隨滲透壓變化特征見圖5。從圖5中可以看到：隨著滲透壓的增大，灰巖的滲透系數呈逐漸增大趨勢，其中，干燥試驗組的滲透系數為4.44×10-5～10.2×10-5cm/s，屬于弱透水性，而飽水試驗組的滲透系數為18.8×10-5～88.59×10-5cm/s，屬于中等透水性。

圖5 滲透系數隨滲透壓變化關系

通過以上實驗結果可知，在水—力耦合作用下，巖塊的力學特征與滲透特征均發生了一定程度的變化：隨著滲透壓力的增大，巖塊彈性模量、強度以及起裂值都相應減小，而巖塊滲透性則隨之增大。由此推測到巖體中，由于巖體中裂隙發育密度、寬度與延伸長度都遠大于巖塊，所以水—力作用下的巖體在相關力學指標減小的同時，其滲透性也會相應增大，因此本工程庫區灰巖部分地段也具有比實驗室中更強的透水性。為了防止水壩沿溶洞滲漏，形成滲漏通道，影響壩基穩定，建議對施工中發現的裂隙溶洞挖除并清理，并采用塊石混凝土充填，對一般裂隙巖體采取帷幕灌漿處理[8- 15]。

4 結語

針對惠民莊水庫壩基裂隙灰巖開展水-力耦合作用下力學特性試驗，得出如下結論：

(1)灰巖的應力-應變曲線可劃分為壓密、彈性、塑性以及峰后變形4個階段，滲透壓越大，塑性變形特征越明顯，飽水試驗組的軟化現象較為明顯。

(2)彈性模量、強度以及起裂值均隨滲透壓的增大而逐漸減小，飽水試驗組的強度和起裂值較干燥試驗組降低30%～45%。

(3)干燥試驗組的滲透系數為4.44×10-5～10.2×10-5cm/s，屬弱透水層，飽水試驗組的滲透系數為18.8×10-5～88.59×10-5cm/s，屬于中等透水層。

(4)本文研究了在水-力作用下巖塊及巖體力學特征與滲透特征的變化規律，其對于分析判斷巖體滲透性并確定其滲透參數具有指導意義。

(5)本文試驗結果僅針對惠民莊水庫壩址區裂隙灰巖，由于不同庫區水文地質條件差異較大，具體工程還需做具體分析。