水利樞紐工程場地基巖高溫三軸壓縮滲透力學試驗研究

顧 冬，馬 力，羅 坤，孫云儒

(1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，南京 210000 ;2.河海大學 大禹學院，南京 210098)

1 概 述

巖體力學與滲透特征作為工程場地內重要關注參數，其對工程地基處理[1]、工程抗震[2]、防滲設計[3]等均具有重要作用，研究水利工程中巖體力學狀態以及滲透演變對工程設計具有重要指導意義，但不可忽視，巖體所處高地溫[4]、高地應力[5]等環境，對力學特性、滲透特征均具有影響。李院生[6]、楊開新等[7]、張敏思等[8]利用顆粒流離散元仿真手段，建立了顆粒流計算模型，施加有相應的邊界荷載，并由此建立離散元仿真計算模型下的巖體力學本構模型，為工程建設提供重要基礎參數與理論模型。當然，一些學者利用精密室內儀器完成了常規單軸、三軸以及靜水壓力下滲透測試[9-11]，獲得了包括砂巖、大理巖等在內的諸多巖石種類的基本力學特征與滲透特性，豐富了巖體滲透力學研究成果。高溫熱作用對巖石礦物具有催化劑影響，因而開展相應高溫耦合滲透力學試驗很有必要。一些學者完成了高溫下大理巖、花崗巖等巖體的高溫三軸試驗[12-13]，為其他工程巖體熱作用力學加載試驗提供了借鑒。

本文根據淮河下游地區擬建工程場地基巖體的滲透力學行為，設計有高溫熱處理后三軸加載全過程滲透測試，為工程設計防滲、力學穩定性研究提供基礎依據。

2 試驗概況

2.1 工程背景

蘇北淮河下游地區水資源安全穩定性長期受無序管理狀態，工程設計部門考慮在淮河下游擬建一水利樞紐設施，作為下游水資源調控重要工程，提升該地區內水資源調度、防洪排澇、蓄水供水等工程。該樞紐工程目前初步設計建設有輸水灌渠、泄洪設施、攔水大壩、防洪堤壩等水工建筑，為樞紐工程的安全高效運營提供重要保障。上游蓄水庫設計庫容量為4 000×104m3，建設輸水灌渠全長55 km，采用U形防滲混凝土作為底板結構，最大抗滲等級達P10，渠首設置有小型水閘，控制渠首流量在0.35～0.55 m3/s，下游農田灌溉在渠首流量精確控制之下，預計生產效率可提升18%，對農業生產用水保障具有重要作用。大壩坐落在樞紐工程基巖上，壩高為85.5 m，壩身采用有止水面板與防滲墻為防滲系統，墻厚為60 cm，設計壩體最大滲透坡降不超過0.28，防浪墻設置在壩頂區域，高度為12 m。壩體整體靜、動力穩定性均較佳，驗算得到靜力工況中最大拉應力低于1.65 MPa，壓應力在蓄水工況中低于15 MPa，抗傾覆、抗滑穩定系數均高于允許值；動力響應下加速度最大值不超過3.5 m/s2，位移響應值主要以壩體軸線方向最大，沉降位移值為10 mm。該壩體動力響應下沉降位移值較低，分析此與壩體所坐落基巖體力學穩定性有關，為壩體抗震、運營保障提供重要基礎“防護”。泄洪設施包括有泄洪閘與溢洪道設施，溢洪道堰頂高程為78.6 m，閘室底板高度為70.6 m，設計最大泄流量可達1 650 m3/s，為確保水力沖刷動力影響穩定性，設計以預應力閘墩為加固結構，該墩厚為0.8 m，間距1.2 m，墩位于基巖之上，設計模擬計算得到加固結構中最大拉、壓應力分別為1.2、14.5 MPa；溢洪道下游建設深度為1.2 m的消能池，極大削弱了泄流沖擊荷載的水力作用，但不可忽視泄流設施的安全穩定與基巖力學狀態密切相關，且基巖抗滲性、力學影響變化特性，均會對樞紐工程重要設施產生重要影響。從地質勘探得知，輸水灌渠、泄洪閘加固墩基礎、壩體基礎均與基巖有關，且基巖體為弱風化灰巖，完整性較好，承載力較大，即使工程所在場地位于高埋深低溫工況下[14]，原位試驗測試得知單軸抗壓強度可達50 MPa。為此，考慮對該樞紐工程場地基巖開展高溫三軸壓縮滲透力學試驗研究，為工程安全建設、設計施工等提供重要基礎參數。

2.2 試驗介紹

為確保本試驗結果可靠性，采用高溫高壓三軸巖石試驗系統開展滲透加載試驗，見圖1。該試驗系統包括有力學加載設備、溫度加載系統、數據采集監測模塊以及中控系統，加載設備采用液壓程控式，荷載量程最大可達1 000 kN，圍壓最大可達100 MPa，荷載傳感器波動幅度不超過0.5%，均在試驗前校核完成。溫度加載系統采用電熱式，以液壓油傳熱形式，確保試樣處于熱荷載環境，最高加溫可達500℃。數據采集設備包括有變形傳感器、體變傳感器以及機器位移傳感器等，軸向、環向變形傳感器量程分別為-10～10 mm、-15～15 mm，試驗最大誤差滿足0.5%，本試驗中數據采集間隔為0.5 s。中控系統可實現全過程試驗樣品力學數據實時處理，可采用包括流量、荷載、變形等多種方式完成加載，本試驗中加載變形控制速率為0.01 mm/min。滲透測試裝置是該試驗系統耦合設備，可變換采用瞬態法或穩態法進行滲透率測試[14]，該實驗裝置最大可完成滲透壓力在10 MPa的試驗，滲透率最低量程可達10-21m2，試驗樣品尺寸可為徑高比1/2、1/3等類型，利用上述試驗設備完成樞紐工程基巖TM耦合滲透力學試驗。

圖1 高溫高壓三軸巖石試驗系統

本文試驗樣品均取自該擬建水利樞紐工程場地，經室內精加工、打磨后，獲得直徑、高度為50、100 mm試樣，并在試驗前放置入養護箱內養護24 h。根據壩基所在部位埋深及基巖高地溫環境要求，設定本試驗中高溫熱荷載溫度分別為常溫(25℃)、50℃、150℃、250℃、350℃、450℃。經高溫熱荷載處理后，試樣經低溫水冷卻至常溫狀態，放置入三軸滲透測試試驗缸內，完成三軸加載全過程滲透測試，并保證滲透測點均勻分布在加載過程中。如峰值應力點、殘余應力階段等特征階段均應完成相應滲透測試，圍壓設定為5、10、15、20 MPa，滲透壓力統一均為1 MPa。本文高溫三軸滲透力學試驗具體試驗方案見表1。

表1 各組試樣試驗參數

3 三軸壓縮力學特征

3.1 應力應變特征

根據高溫三軸壓縮下基巖滲透力學試驗數據，經數據處理獲得不同溫度熱荷載下三軸應力應變特征，見圖2。從圖2中可知，溫度熱處理后基巖試樣加載應力水平隨溫度升高為先增后減變化，兩圍壓下均以溫度250℃試樣加載應力水平為最高。在圍壓5 MPa下，應變0.5%時常溫下試樣的加載應力為16.2 MPa，而相同應變下溫度150℃、250℃試樣加載應力較前者分別增大2.22倍、5.78倍，但熱荷載溫度450℃試樣加載應力較溫度250℃下又降低65.1%，即基巖體受溫度熱荷載處理后，其加載應力水平受熱效應影響分別熱補償與熱損傷作用。同樣，在圍壓20 MPa下，應變0.5%下溫度250℃試樣加載應力與常溫、150℃試樣間增幅分別為1.45倍、1.1倍，而450℃試樣與之應力降幅又為45.6%；相比圍壓5 MPa，圍壓增大至20 MPa后，溫度熱效應對加載應力水平影響程度有所減弱，表明圍壓可抑制溫度熱效應，且不論是熱補償亦或是熱損傷效應。筆者認為，高溫下巖石試樣內部礦物顆粒發生質變需要超過一定“門檻”，對應于本試驗中該“門檻”溫度即為250℃，當加溫低于250℃時，試樣內部在受熱狀態下，礦物顆粒僅僅為受熱膨脹狀態，其并不會發生破裂或移位等現象，相反吸熱后的礦物顆粒互相擠占了巖石試樣內部孔隙，增強了顆粒骨架結構的承載穩定性，故加載應力水平較高；但溫度超過節點溫度250℃后，熱荷載為熱損傷特征，礦物顆粒發生破裂、松動等特征，此時對礦物顆粒骨架結構具有裂隙損傷作用，造成試樣承載水平下降[15-16]。另一方面，圍壓增大，可一定程度上作為熱補償作用的催化劑，提升熱補償效果，而對于熱損傷效應，圍壓效應可約束熱損傷作用，因而圍壓增大后，雖整體加載應力水平有所提升，但溫度熱效應影響下加載應力差幅卻有所減小。

圖2 不同溫度熱荷載下三軸應力應變特征

從各試樣三軸加載變形特征可知，同一圍壓下，熱處理溫度愈高，則試樣線彈性模量由增為減，此變化特征與加載應力受影響效應一致。圍壓5 MPa下及常溫下試樣線彈性模量為57.4 MPa，而溫度150℃、250℃線彈性模量相比增長1.1倍、3.2倍，溫度450℃與250℃下又減少60.3%。在圍壓5 MPa下4個不同溫度熱處理后試樣的峰值應變分別為1.45%、1.2%、0.75%、1.42%，表明溫度熱作用對試樣變形特征影響均為先減后增，即均以“門檻”溫度250℃試樣的力學特征為最優。相同熱處理溫度150℃下，圍壓20 MPa下試樣線彈性模量較圍壓5 MPa下增大7.7%，而圍壓20 MPa下峰值應變亦增大至1.73%，說明圍壓升高，基巖不論是線彈性變形能力，或是峰值塑性變形特征，均得到促進。

3.2 力學特征參數

根據應力應變特征，可獲得三軸抗壓強度受溫度熱作用下變化特征，見圖3。從圖3中可知，圍壓5 MPa下，以熱處理溫度250℃為節點，高于該溫度時，即熱處理溫度為250℃～450℃區間，熱荷載每增大100℃，基巖抗壓強度隨之平均損耗8.2%；相反在低于節點溫度時，基巖強度平均增幅可為17.5%。圍壓升高，基巖強度受熱作用影響的增幅與損耗均會減弱，圍壓10 MPa下兩區間幅度分別為5.5%、9.4%。

圖3 三軸抗壓強度在熱作用下變化特征

同時，從三軸加載試驗數據中可得到基巖抗剪特征參數變化趨勢，見圖4。從圖4中可看出，不同于強度以及變形等力學特征參數的“門檻”溫度熱效應，兩抗剪特征參數隨熱處理溫度均為遞減特征，且黏聚力與熱處理溫度具有冪函數關系。常溫下試樣黏聚力為59.5 MPa，而溫度為50℃、350℃試樣的黏聚力相比減少14.6%、50.4%，平均每增長100℃，黏聚力下降14.9%。在各熱處理溫度下，內摩擦角分布為42°～50°，其變化波動幅度低于黏聚力參數，內摩擦角平均降幅為3.3%，表明其受溫度熱荷載影響敏感度不及黏聚力。

圖4 抗剪特征參數隨溫度變化關系

4 滲透特性分析

根據試樣加載過程中滲透測試，獲得各溫度熱處理后試樣加載全過程滲透率變化特征，見圖5。

圖5 試樣加載全過程滲透率變化特征

從圖5中可知，基巖加載過程中滲透率呈“降低-陡升-平穩”3階段變化，滲透率最低測點在第3或第4個測點，圍壓5、20 MPa下常溫試樣的滲透率全過程為1.78×10-16～1.3×10-14m2、9.84×10-19～1.37×10-16m2。當熱荷載溫度升高后，若未超過節點影響溫度250℃，則基巖滲透率為遞減，即溫度熱作用對滲透率為抑制效應，但溫度超過節點后，則溫度熱作用對滲透率具有促進效果；圍壓20 MPa下節點溫度250℃試樣的初始測點滲透率為1.31×10-19m2，而溫度450℃試樣滲透率相比前者增大1個量級左右。當處于相同熱處理溫度下時，圍壓對滲透率約束作用較為顯著，圍壓5 MPa下溫度450℃試樣的結束點滲透率為3.82×10-15m2，而圍壓20 MPa下同一處理溫度、同結束點的滲透率較前者降低2個量級之多，由此可見，圍壓對滲透率約束作用強于溫度熱作用。筆者認為，圍壓約束作用下，試樣內部滲透通道的形成均受限制，而熱處理作用下，其本質上乃是影響礦物顆粒的物理狀態，進而影響孔隙分布形態[17-18]，故不論是熱損傷、熱補償，對滲透率影響效果均低于圍壓限制作用力。

5 結 論

1) 溫度熱處理后基巖強度隨溫度升高為先增后減變化，節點溫度為250℃，圍壓5 MP下高于該溫度時，熱荷載每增大100℃，基巖抗壓強度隨之平均損耗8.2%，反之強度平均增幅為17.5%；圍壓升高，熱補償與熱損傷效應均會減弱。

2) 基巖線彈性模量、峰值應變參數受溫度影響與強度變化趨勢特征一致，圍壓5 MPa下溫度250℃線彈性模量相比常溫下增長3.2倍，而溫度450℃與250℃下又減少60.3%；圍壓增大，有利于基巖變形特征；黏聚力與溫度參數具有冪函數關系，每增長100℃，黏聚力下降14.9%，內摩擦角受熱處理溫度影響敏感度不及黏聚力參數。

3) 基巖加載過程滲透率呈“降低-陡升-平穩”3階段，圍壓5、20 MPa下常溫試樣的滲透率全過程為1.78×10-16～1.3×10-14m2、9.84×10-19～1.37×10-16m2；溫度在250℃前后，熱效應對滲透率分別為抑制、促進作用；圍壓對滲透率約束效應強于熱作用的損傷與補償效力。