惠民庄水库坝基裂隙灰岩水-力耦合作用下渗漏特性分析

胡芳江

(临沂市水利水电工程建设监理中心，山东 临沂 276300)

1 工程背景

惠民庄水库位于山东省兰陵县北部矿坑镇惠民庄村北，控制流域面积47km2，工程由主坝、副坝、大坝防渗、溢洪道(闸)、放水洞及管理设施等工程组成，属小(1)型工程规模。工程设计洪水标准50年一遇，相应洪峰流量707m3/m，校核标准为1000年一遇，相应洪峰流量1130m3/m。

库区第四系覆盖层下伏古生界寒武系奥陶系灰岩地层，库区广泛分布的沉积岩多裸露地表，丘陵浑圆，冲沟切割深度不大，有宽阔的天然分水岭。岩体内岩溶裂隙较发育，延伸性较好，导水性较强。河流间天然分水岭虽高大宽厚，但分水岭岩体大部分都为灰岩，灰岩溶蚀较发育，导水性较好，且灰岩部分地段具中等透水性，不能有效阻隔库区水的渗流，不能形成良好的阻水带，故库区存在一定的渗漏问题。

2 试验概况

2.1 试验试件

现场钻探：灰岩为黄褐色-青灰色，主要以白云质灰岩为主，中厚层状结构，岩芯呈块状-柱状，锤击声脆，密度大小为2.41 ～2.70g/cm3，含水率为1.52%～1.89%，主要化学成分为石英和方解石。挑选其中性状(外观、密度、含水率接近)较为相似的岩芯打磨制成高为100mm，直径为50mm的标准圆柱形试件[1- 3]，并将其分为两组：一组试件进行烘干，一组试件进行浸泡24h(饱水)。

2.2 试验设备

试验设备为水-力耦合微机控制电液伺服岩石刚性试验机，系统最大加载应力为600kN，应力分辨率为100N，位移控制为0.005～25mm/min，位移精度为±0.5%。

2.3 渗透率测试方法

试验采用稳态率测试法来测试灰岩的渗透系数，其主要目的是通过对试件两端施加渗透压，测量试件两端的流体流量[4- 6]，再根据达西定律计算得到试件的渗透率k：

(1)

式中，k—渗透系数，cm/s；Q—流体流量，cm3；L—灰岩试件的高度，cm；u—流体的动力黏度，Pa·s；A—灰岩试件的横截面面积，cm2；Δpw—灰岩试件两端的渗透压差，MPa。

在试验过程中为了尽量避免试件离散性对试验结果带来的影响，保证试验结果的可靠性，每组试验均进行了3次试验，然后取3组试件的算术平均值作为最终结果。

2.4 试验方案

试验共分为干燥试验组和饱水试验组，每个试验组的渗透压差分别为0、2、4、6MPa四种，每种渗透压差下均进行3次试验，试验过程中渗透压加载速率为1MPa/min，应力加载速率为30MPa/min，每个试件在应力加载前先测试初始渗透系数k，均取3次试验同一渗透压下的平均值作为最终试验结果。

3 试验结果分析

3.1 应力-应变曲线特征

试验得到的不同试验组在不同渗透压下的应力-应变曲线特征如图1所示。从图中可以看到：在渗流-应力耦合作用下，裂隙灰岩应力-应变曲线呈不同的变化特征，但都可以划分为初始压密、弹性变形、塑性变形以及峰后变形4个阶段[7]；干燥试验组下，当没有渗透压时(即一般单轴压缩试验)，灰岩的初始压密阶段较短，这主要是灰岩原生裂隙、孔隙闭合所引起，但灰岩的弹性变形阶段较为明显，表明原生裂隙对灰岩没有产生实质性损伤，随着渗透压的逐渐增大，灰岩的初始压密阶段越来越长，这主要是因为在渗透压作用下，会对试件内部产生冲蚀效应，导致原生孔隙裂隙而进一步扩展，渗透压越大，冲蚀效应越显著，同时由于灰岩为多孔介质，当存在渗透压时，实际上在试件内部也会形成水岩的相互作用，导致内部溶质迁移，因而孔隙率也会产生变化。饱水试验组，在相同渗透压下的应力-应变曲线更倾向于弹-塑性变形，这是因为灰岩在浸泡过程中，内部矿物颗粒会溶解于水中，导致灰岩试件内部的矿物颗粒胶结力、结构性大大降低，在应力和渗透压作用下，内部孔隙裂隙更容易发生扩展，从而表现出比较明显的软化现象，因而变形特征也有所不同。

图1 应力-应变曲线

3.2 弹性模量与渗透压关系

试验得到的不同渗透压下灰岩的弹性模量变化趋势见图2。从图2中可以看到：随着渗透压的增加，干燥试验组和饱水试验组的弹性模量均呈逐渐降低的变化特征，这是因为在注水压力作用下，矿物晶体解理位置首先产生溶蚀作用，试件内部易溶解物质会迅速溶于水中，造成颗粒与颗粒之间的联结作用力减弱，随着渗透压的增大，灰岩内部逐渐由溶蚀作用为主转变为冲蚀作用为主，很多细小颗粒以及可溶解物质会被带出试件，使得内部孔隙率增大，结构完整性进一步遭到破坏，试件内部逐渐孔隙半径逐渐扩展贯通，因而，弹性模量随渗透压增大而降低。干燥试验组的弹性模量从13.35GPa降至11.05GPa，降幅为17.2%，渗透压每升高1MPa，弹性模量降低0.383GPa；饱水试验组的弹性模量从8.8GPa降至7.7GPa，降幅为12.5%，渗透压每升高1MPa，弹性模量降低0.183GPa。

图2 弹性模量随渗透压变化关系

3.3 强度与渗透压关系

试验得到的不同渗透压下灰岩的强度变化趋势如图3所示。从图3中可以看到：灰岩的强度随着渗透压的增大也呈逐渐降低趋势，这是因为渗透压越大，对灰岩内部结构的冲蚀作用越强，试件内部结构完整性越差，颗粒与颗粒之间的胶结联结力越低，因而强度越低。特别的，饱水试件在渗透压6MPa下的平均强度略大于4MPa时的平均强度，这主要是因为在4MPa渗透压试验过程中，有一个试件强度偏低，这是试件离散性带来的问题，但不影响强度随渗透压变化的整个趋势。干燥试验组强度从103.3MPa降至62.5MPa，降幅为39.5%，饱水试验组强度从69.2MPa降至40.5MPa，降幅为41.5%。同等渗透压下，干燥试验组的强度较饱水试验组大30%～45%。

图3 强度随渗透压变化关系

3.4 起裂值与渗透压关系

起裂值是岩石内部损伤发展的一个重要标志，在低应力水平下时，灰岩内部是原生孔隙裂隙闭合与新裂隙产生平衡阶段，这段时间岩石内部未产生实质性损伤，当应力超过一定值后，岩石内部结构开始产生实质性损伤，新的裂纹不断扩展贯通，直至试件发生失稳破坏。一般认为弹性阶段之前，试件内部没有产生损伤，弹性阶段之后，试件逐渐产生损伤，但是采用应力-应变曲线很难区分弹性阶段与塑性变形阶段的转折点，因此，本文利用体变曲线来预测每组试验对应的起裂值，其基本思想是：体变曲线拐点对应的应力值即为灰岩的起裂值。

试验分析得到的不同渗透压下灰岩的起裂值随渗透压变化特征见图4。从图4中可以看到：随着渗透压的增大，灰岩的起裂值呈逐渐减小的变化特征，渗透压相等时，干燥试件的起裂值大于饱水试件的起裂值。干燥试验组起裂值从92.5MPa降至27MPa，降幅为70.8%，饱水试验组起裂值从56.2MPa降至15MPa，降幅为73.3%。同等渗透压下，干燥试验组的起裂值较饱水试验组大30%～45%。

图4 起裂值随渗透压变化关系

3.5 渗透系数与渗透压关系

试验分析得到的不同渗透压下灰岩的渗透系数随渗透压变化特征见图5。从图5中可以看到：随着渗透压的增大，灰岩的渗透系数呈逐渐增大趋势，其中，干燥试验组的渗透系数为4.44×10-5～10.2×10-5cm/s，属于弱透水性，而饱水试验组的渗透系数为18.8×10-5～88.59×10-5cm/s，属于中等透水性。

图5 渗透系数随渗透压变化关系

通过以上实验结果可知，在水—力耦合作用下，岩块的力学特征与渗透特征均发生了一定程度的变化：随着渗透压力的增大，岩块弹性模量、强度以及起裂值都相应减小，而岩块渗透性则随之增大。由此推测到岩体中，由于岩体中裂隙发育密度、宽度与延伸长度都远大于岩块，所以水—力作用下的岩体在相关力学指标减小的同时，其渗透性也会相应增大，因此本工程库区灰岩部分地段也具有比实验室中更强的透水性。为了防止水坝沿溶洞渗漏，形成渗漏通道，影响坝基稳定，建议对施工中发现的裂隙溶洞挖除并清理，并采用块石混凝土充填，对一般裂隙岩体采取帷幕灌浆处理[8- 15]。

4 结语

针对惠民庄水库坝基裂隙灰岩开展水-力耦合作用下力学特性试验，得出如下结论：

(1)灰岩的应力-应变曲线可划分为压密、弹性、塑性以及峰后变形4个阶段，渗透压越大，塑性变形特征越明显，饱水试验组的软化现象较为明显。

(2)弹性模量、强度以及起裂值均随渗透压的增大而逐渐减小，饱水试验组的强度和起裂值较干燥试验组降低30%～45%。

(3)干燥试验组的渗透系数为4.44×10-5～10.2×10-5cm/s，属弱透水层，饱水试验组的渗透系数为18.8×10-5～88.59×10-5cm/s，属于中等透水层。

(4)本文研究了在水-力作用下岩块及岩体力学特征与渗透特征的变化规律，其对于分析判断岩体渗透性并确定其渗透参数具有指导意义。

(5)本文试验结果仅针对惠民庄水库坝址区裂隙灰岩，由于不同库区水文地质条件差异较大，具体工程还需做具体分析。