真实水压作用下裂隙大理岩蠕变特性试验研究

陈 英，谢 辉，杨 俊，王皓冉，刘昭伟

(1.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065；2.四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610015；3.清华四川能源互联网研究院，四川 成都 610042；4.四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041；5.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

岩石蠕变作为岩石的重要变形特性，对长期荷载作用下工程建筑物的安全稳定有重要影响[1]。随着近年来拉西瓦、小湾、溪洛渡、锦屏一级、白鹤滩等重大水利水电工程的建设实施，以及众多水电站服役年限的逐渐增加，岩石在水岩耦合作用下的蠕变特征直接影响大坝的长期稳定性。其中，研究水对岩石强度和蠕变的影响具有重要的理论和工程实践意义，吸引了诸多学者的关注。

长期以来，国内外水利科学与工程界一直致力于解决水电站坝肩与坝基岩石水岩耦合下的长期安全运行这一核心问题，取得了较丰富的成果。在水岩耦合下岩石蠕变试验研究领域，Griggs[2]在1940年就通过试验证明了孔隙水压对部分材料的蠕变特性具有显著的影响；Koji[3]研究了花岗岩在不同含水率条件下的蠕变特性。国内，周祖辉等[4]在1985年研究了不同含水量对大庆泥岩蠕变的显著影响；孙钧等[5]结合三峡工程，研究了饱水花岗岩的“荷载-位移-时间”蠕变关系，得到了水对岩石强度时效性不利影响的一系列规律；李铀等[6]针对不同含水状态下的花岗岩进行单轴流变试验，得到饱水花岗岩强度大幅小于干燥状态且饱水后岩石流变速率和变形量明显增大，对于工程应用具有指导意义；Liu等[7]以冬瓜山铜矿的深部饱水试样为研究对象，进行不同应力状态下饱水岩石的流变特征研究，得到了不同条件下岩石的差异化流变特性；周瑞光等[8]以金川露天矿边坡f1、f2断层室内力学试验为依据，从瞬时变形、蠕变变形、强度、破坏等方面探讨了水岩相互作用的结果；秦哲等[9]为研究水位升降对某边坡长期稳定的影响，以某露天坑边坡岩石为对象，研究多次饱水-失水循环过程后岩石的三轴蠕变特性。近些年，众多学者，如李男[10]、佘成学[11]、刘东燕[12]、李勃[13]、马冲[14-15]、于超云[16]、肖欣宏[17]、刘德峰[18]等在各自领域分别开展了水对岩石蠕变特性影响的试验研究，研究成果对于理论探索与工程建设均具有十分重要的意义。然而，学者们的试验研究主要集中在干燥环境下进行，即使有一部分试验岩样处于饱水状态或孔隙水压环境下，但少有在真实的水压环境下进行岩石蠕变特性试验研究；另外，研究主要围绕完整岩样进行蠕变特性试验研究，对裂隙岩石进行的蠕变研究较少。

锦屏一级水电站坝肩岩石受原始高地应力与工程扰动，内部节理裂隙发育，电站蓄水后，两岸的坝肩岩石不仅承受坝体的拱推力，也有来自库区300 m级高的水压力作用，在拱推力和高水压力的长期共同作用下，坝肩软弱层间带的裂隙岩石长期变形特征对锦屏一级大坝的安全稳定具有重要影响。因此，亟需开展真实水压作用下裂隙岩石的蠕变特性研究。以锦屏一级坝肩软弱层间带裂隙大理岩为研究对象，通过真实水环境中岩石的蠕变试验，分析水压对岩石蠕变过程及长期强度的影响规律，并结合岩石破坏断口的微观结构，进行破坏机制分析，为锦屏一级水电站长期稳定运行的评估提供重要支撑。

1 裂隙岩石蠕变试验设备与方法

1.1 试验设备

试验采用四川大学水利水电学院的“YSL-200”型微机控制多通道轴压水压联合作用岩石流变试验系统，如图1所示。该设备由静油压加载系统、静水压加载系统和位移变形测量系统组成。静油压加载系统通过压缩油缸对试样实施轴向加载；静水压加载系统通过加压承压筒内的水对试样进行围压加载；位移变形测量系统采用高精度光栅尺测量试样的轴向位移量。试验全程采用微机控制，实时显示轴压、水压、试验时间、变形量和应变。其中：轴压力范围为10～200 kN；水压范围为0～10 MPa；光栅尺量程为0～25 mm，测量精度为±0.2 μm。

图1 YSL-200岩石流变试验系统Fig.1 YSL-200 rock creep testing system

该试验系统与常规试验仪器（如MTS）的轴压孔隙水压联合作用的区别在于，常规试验仪器是在岩石两端施加孔隙水压力，且岩样一般处于橡胶包裹状态。本文试验是将岩样完全置于压力水环境中，真正实现了水与岩样直接接触，模拟了实际工程中真实水压对裂隙岩石的影响，相应的岩样受力示意图如图2所示。

图2 岩石试样的受力示意图Fig.2 Schematic diagram for stress on rock specimen

1.2 试样制备

试样采自锦屏一级拱坝左岸坝基，岩性为成分较纯的大理岩，其中，方解石占99.5%，白云石占0.5%，颜色呈浅灰至灰白色，变质过程中层面胶结愈合良好，层面裂隙不发育，如图3所示。根据《水利水电工程岩石试验规程》[19]规定，岩石试样按试件高径比约为2∶1（H100 mm×Ф50 mm）进行取样。

图3 大理岩试样Fig.3 Marble specimens

裂隙岩石试样在MTS电液伺服岩石力学测试系统上制备。首先，采用轴力控制方式，以60 kN/min的加载速率加载；当轴向荷载接近岩样屈服强度时，转换为位移控制方式，以0.15 mm/min的加载速率加载；当轴向荷载达到峰值强度时，进行卸载并再次加载至峰值。制备过程的应力-应变曲线如图4所示，制备好的部分裂隙岩石试样如图5所示。

图4 裂隙试样制备典型应力-应变曲线Fig.4 Typical stress-strain curves of fractured specimen preparation

图5 裂隙大理岩部分试样Fig.5 Partial specimens of fractured marble

1.3 试验方案及过程

根据锦屏一级拱坝运行后现场渗流实测资料（2014—2017年），本次试验水压主要选取0、0.5、1.0、1.5、2.0 MPa。由于试验过程中0水压不利于试验进行及试验仪器控制，且实际监测数据中以0.15 MPa水压居多，故以0.15 MPa模拟0水压状态。

本次蠕变试验采用分级加载方式，根据裂隙大理岩的抗压强度不同，初始轴向荷载均设置为裂隙岩石峰值强度的50%，后期每次逐级递增的荷载为裂隙岩石峰值强度的5%或10%。试验方案如表1所示。

表1 水压作用下裂隙大理岩蠕变试验方案Tab. 1 Creep test schemes of fractured marble under water pressure

以初始轴向荷载为70 kN，水压为1 MPa（M-4）的分级加载试验为例，试验时先装配好试样，再进行加压准备。加压准备过程中，首先，使轴向压头接触试样；然后，向承压桶内注水，再装入光栅尺；最后，将变形及水压清零。加载过程中，以0.5 MPa/min的加载速率施加水压力，目标水压为1 MPa；设置目标轴向压力为70 kN，以10 kN/min的加载速率施加轴压，岩石流变系统在试验过程中，前1 h内设置为每5 s采集并记录一次数据，1 h后每5 min记录一次。

在初始荷载作用下，当试验曲线进入到稳定蠕变阶段后，保持当前的水压，按比例施加下一级荷载；当蠕变试验曲线再次进入稳定阶段，按照上述步骤，逐渐分级施加荷载，直至岩样破坏。

2 裂隙大理岩蠕变试验结果

2.1 蠕变试验曲线

由两个分级载荷变化过程中的瞬时加载所引起的变形为瞬时应变；每个分级恒定载荷作用下所引起的变形为轴向蠕变[20]。不同的水压条件下，裂隙大理岩的蠕变试验结果如图6所示。由图6可知，当应力水平较低时，蠕变曲线只产生瞬时蠕变和稳定蠕变，当应力水平较高时才产生加速蠕变。其中，试样M-5由于岩石在第1级荷载时即进入加速蠕变，并经过约10 h试验后岩石破坏，因此未形成分级加载的蠕变曲线，但可以认为是单级加载的蠕变曲线，蠕变应力-应变曲线如图7所示。

图6 不同水压下裂隙大理岩轴向应变-时间关系Fig.6 Axial strain-time curves of fractured marble under different water pressures

图7 水压1.5 MPa时裂隙大理岩应变-时间关系Fig.7 Axial strain-time curve of fractured marble under water pressure of 1.5 MPa

由图6可知，各级水压条件下，岩石蠕变呈现相似的变化规律，由于M-1岩样强度较高，蠕变初始荷载设置较低，导致每个阶段蠕变时间较长，因而，0.15 MPa水压下蠕变曲线出现一定差异。本文以水压为1.0 MPa（M-4试样）为例，进行蠕变过程分析，其蠕变关系曲线如图8所示。由图8可知，大理岩在水压为1.0 MPa的蠕变试验中，荷载从70 kN加载到98 kN这5个阶段，试样经历过初期弹性应变阶段后，快速进入稳定蠕变阶段，此阶段产生的轴向蠕变较少，未发现岩石有进入加速蠕变的趋势。当荷载加载到105 kN时，蠕变曲线斜率明显增加，岩石有进入加速蠕变的趋势；当荷载加载到112 kN后，岩石表现出明显的初期弹性应变和稳定蠕变，并很快进入加速蠕变。该阶段岩石蠕变速率不断增大，加速蠕变发展较快，从最后一次加载到试样破坏仅用19 h，破坏时最大轴向应变为2 039×10-6，破坏时的最大轴向荷载为裂隙岩石峰值荷载的80%。由此得到每级荷载作用下的瞬时应变、蠕变应变及两者比值，如表2所示。

图8 水压1.0 MPa时裂隙大理岩应变-时间关系Fig.8 Axial strain-time curve of fractured marble under water pressure of 1.0 MPa

表2 水压1.0 MPa时裂隙大理岩变形规律Tab. 2 Deformation of fractured marble under water pressure of 1.0 MPa

由表2可知：初次荷载加载之后，试样在每次加载中，施加相同比例的分级荷载，产生的瞬时应变随着荷载的增加而增大；同时，蠕变应变也随着荷载的增加而增大，且蠕变应变与瞬时应变的比值随轴向荷载的增加而增大。其中，第5级荷载主要由于试验时间较其余分级更长，故轴向蠕变量增大显著，导致应变增大比例更多，但不影响整体规律。其余组试验的规律与M-4（1.0 MPa）试样相似，不再赘述。

2.2 蠕变破坏细观机制分析

蠕变试验后，典型水压下裂隙大理岩的破坏形态如图9所示。由图9可知：水压0.5 MPa时，岩石以产生较明显的张拉破坏为主，伴随少量的单向剪切破坏；水压1.5 MPa时，岩石破坏以单向剪切破坏为主；随着水压的增加，岩样宏观破裂现象逐渐从张拉破裂向剪切破裂过渡。

图9 不同水压下大理岩蠕变破坏形态Fig.9 Creep failure modes of marble under different water pressures

为分析大理岩细观蠕变破坏机制，对岩石蠕变破坏断口进行电镜扫描（SEM）。图10为水压分别为0.5和1.5 MPa时大理岩蠕变破坏断口电镜扫描图。

图10 大理岩蠕变破坏断口扫描照片Fig.10 Creep failure surface scanning results of marble carried out by SEM

由图10可知：水压为0.5 MPa时，断口表面凹凸不平，多呈锯齿状。岩样断口的形貌主要以穿晶断裂为主，裂纹发生在一些结晶面上，沿着主应力轴的方向扩展，岩样在以穿晶断裂形式为主的同时，伴随着沿晶断裂。在微孔隙、穿晶断裂和沿晶断裂的综合作用下，岩样产生了以张拉破坏为主的宏观破裂。水压为1.5 MPa时，岩样断口表面较平整，但断口形貌仍呈现锯齿状，岩样断口表面出现了较少的穿晶裂纹和沿晶裂纹，产生了较多的剪切裂纹，且裂纹表面比较光滑，这是由于岩样在轴力和较大水压的作用下，矿物颗粒之间产生了较大的摩擦力，矿物晶体产生了较深层次的接触、挤压，宏观方面表现出了剪切破坏现象。

可见，在较低的水压环境下，岩样断口表面以穿晶断裂和沿晶断裂为主，宏观上破坏形式以张拉破坏为主；随着水压的增大，岩样断口逐渐出现平整且光滑，岩石断口表面断裂以剪切微裂纹为主，宏观方面的破裂形式以剪切破坏为主，岩样宏观破裂现象与岩样断口微观特征相吻合。

3 裂隙大理岩蠕变特性分析

3.1 蠕变曲线阶段特征

岩石蠕变主要是内部微裂纹、微孔隙在外部荷载作用下随时间不断调整与变化，内部损伤不断累积、发展和扩散的过程。随着荷载的增大，岩石内部微裂纹逐渐扩展、增多，作用时间越长，损伤累积越多，导致微裂隙不断扩展最终形成宏观的蠕变破坏。根据分级加载蠕变试验的全过程曲线（图6），在稳定持续的荷载作用下，裂隙岩石变形一般分为2个部分：一部分是加载瞬间产生的瞬时弹性变形，一部分是随时间增加逐渐增大的轴向蠕变变形，可采用式（1）表示。每级荷载下的瞬时应变和轴向蠕变相加就构成了岩石破坏时的蠕变量[21]。

式中，ε为岩石破坏时的变形，ε0为瞬时弹性应变，ε(t)为每级荷载下的轴向蠕变。

根据图6，可以将不同分级的蠕变曲线分为4个蠕变阶段，分别为减速蠕变、稳定蠕变、匀速蠕变、加速蠕变阶段，如图11所示。图11中，σ1、σ2为实施的不同分级荷载，A、B、C、D、E为蠕变曲线不同阶段的分界点。

减速蠕变阶段随着时间增加，应变速率逐渐降低，如图11中的OA段；减速蠕变阶段后期，随时间增加，应变速率逐步减小为0，如图11中的AB段；匀速蠕变阶段岩石应变呈直线形式增加，应变率为一定值，如图11中CD段；加速蠕变阶段岩石应变率随着时间增加逐渐增大，曲线呈快速上升，如图11中DE段。不同蠕变阶段的特征是蠕变本构模型建立的基础，4个阶段的数学式可表示为：

图11 分级加载时不同的蠕变阶段Fig.11 Different creep stages under step load

分级加载的蠕变曲线均可以由这4个不同蠕变阶段组合而成。在荷载作用较低时，蠕变曲线为减速蠕变与稳定蠕变阶段；在荷载作用较高时，蠕变曲线为减速蠕变与匀速蠕变阶段；在最后一级加载作用下，蠕变曲线包括减速蠕变、匀速蠕变与加速蠕变3个完整的蠕变阶段。试验中的蠕变曲线虽有差别，但均属于这其中的某一种或某几种。

3.2 水压对蠕变变形量的影响

根据裂隙大理岩的试验结果，统计分析不同水压下裂隙岩石的分级加载轴向蠕变特征，如图12所示。同时，给出不同水压下蠕变应变与瞬时应变的比值随分级荷载的变化规律，如图13所示。

图12 不同水压下裂隙大理岩轴向蠕变应变特征Fig.12 Axial creep strain properties of fractured marble under different water pressures

图13 不同水压下裂隙大理岩蠕变应变与瞬时应变比值的变化特征Fig.13 Properties of the ratio of axial creep strain to instantaneous strain of fractured marble under different water pressures

由图12和13可知，同一水压条件下，随着分级荷载的增加，轴向蠕变应变整体呈现逐渐增大的规律，蠕变应变与瞬时应变的比值也随轴向荷载的增加而增大，说明增加相同比例的分级荷载，轴向应变比瞬时应变增加更多。在相同比例的分级荷载作用下，轴向蠕变应变随水压的增大而减小，轴向蠕变与瞬时蠕变的比值随着水压的增大而减小，仅有0.5 MPa的规律不明显。

水压对岩石的作用以加速孔隙水的“楔入”[22-23]作用为主，压力水的“楔入”加速了原始裂纹的扩展；同时，随着水压的增大，裂隙岩样的侧向力也会增大，束缚裂隙岩样裂纹的纵向扩展，进而减小裂隙岩样在轴向方向的蠕变变形量。因此，在相同比例的分级荷载作用下，轴向蠕变应变随水压的增大而减小。

3.3 水压对蠕变速率的影响

为分析水压对裂隙岩石蠕变速率变化规律的影响，以0.5 MPa水压下试样的蠕变速率变化规律为例，如图14（a）所示。由于瞬时应变是在施加荷载的瞬间应变速率迅速增大，并且和蠕变阶段的速率不在一个数量级，这显然不能反映真实的蠕变变化，因此，对蠕变速率数据进行处理，去除瞬时应变速率后如图14（b）所示。

由图14可知，每级荷载施加后，随着时间的增加，蠕变速率都由大到小衰减。其中，前两级荷载的蠕变速率直接衰减至0，最后一级荷载的蠕变速率先减小至略大于0的定值，持续一段时间过后，又迅速增加，这与各级荷载条件下的应变-时间曲线完整对应：前两级荷载加载后，曲线都为稳定蠕变曲线；最后一级荷载施加后，变形发展到加速蠕变阶段。

图14 水压0.5 MPa时裂隙大理岩的蠕变速率Fig.14 Creep rate of fractured marble under water pressure of 0.5 MPa

为比较不同水压对蠕变速率的影响，选择水压0.5、1.0和1.5 MPa对应的试样加速蠕变阶段的蠕变速率进行比较，如图15所示。由图15可知：加速蠕变速率随着水压的升高而增大；同时，水压对试样进入加速蠕变阶段的持续时间影响显著，水压越大，加速蠕变速率越大，试样进入加速蠕变阶段的持续时间越短。这是由于当试样的破坏达到一定程度时，压力水的入渗对岩石蠕变发展具有明显的促进作用：当岩石进入加速蠕变阶段，岩石内部裂纹持续扩展，水压对岩石的扩展劈裂作用随水压的增大而增强，裂纹贯通发育所需时间更短，较大水压对岩石的扩展劈裂程度也更充分，因此进入加速蠕变而破坏的时间也就更短，且试样破坏速率也更大，可见，水压对加速蠕变阶段的影响作用较其余蠕变阶段更明显。

图15 不同水压下试样进入加速蠕变的蠕变速率Fig.15 Creep rates of specimens in accelerated creep stage under different water pressures

3.4 水压对蠕变长期强度的影响

据孙均[24]描述，长期强度是指岩石经受某一恒定荷载持续作用，在历时多年后发生破坏时的应力水平。受蠕变试验时间限制，长期强度常采用等时应力-应变曲线法确定[25]。

以0.5 MPa水压下岩石试验数据为例，其蠕变叠加曲线和等时应力-应变曲线如图16所示。由图16可知，0.5 MPa水压下试样的长期荷载FL约为95 kN，其长期强度47.85 MPa，约为该大理岩峰值强度的53.5%。采用同样的方法，可得裂隙大理岩在不同水压下的长期强度如表3所示。

图16 水压0.5 MPa时裂隙大理岩长期强度求解Fig.16 Long term strength solution of fractured marble under water pressure of 0.5 MPa

表3 裂隙大理岩长期强度Tab. 3 Long term strength of fractured marble

由表3可得，裂隙岩石长期强度约为完整岩石峰值强度的50%～70%。随水压增大，裂隙岩石长期强度离散型较大，长期强度与完整岩石峰值强度比值离散型也较大，但总体上随水压增大而降低。其中，M-4大理岩蠕变等时曲线无明显拐点导致长期强度取值不准，M-9大理岩蠕变试验时未获取加速蠕变阶段，长期强度求取有偏大的可能，造成随水压增大长期强度降低的规律不够明显。

为分析长期强度对应的分级荷载，取蠕变试验各蠕变阶段的分级荷载比例与长期强度分级荷载比例进行比较，如图17所示。由图17可知，长期强度远小于蠕变试验破坏的分级荷载比例，而是处于稳定蠕变阶段最大分级荷载与匀速蠕变分级荷载之间。这是因为匀速蠕变阶段的蠕变率为常数，蠕变变形会随着时间的延长而均匀增加，直到达到岩石的最大变形破坏；稳定蠕变阶段蠕变变形几乎不随时间延长而增加，岩石能在较长时间内不发生破坏。因此，长期强度一般会介于二者之间。为保证安全，工程中建议取分级加载蠕变试验稳定蠕变阶段最大一级强度作为裂隙岩石的长期强度。

图17 长期强度对应的分级荷载比例与蠕变各阶段分级荷载比例对比Fig.17 Comparison of long-term strength load grade and creep load grade in each stage

4 结 论

基于YSL-200流变仪的真实水压环境岩石蠕变试验，相对于常规的三轴蠕变试验，更能反映实际工程中水岩相互作用的场景。本文针对锦屏一级坝肩软弱层间带的裂隙大理岩受高应力、高水压长期共同作用这一特定场景，开展了不同水压条件下的裂隙岩石的蠕变试验，并得出了不同压力水对裂隙大理岩的破坏机制及蠕变特征的影响规律，是试验方法与工程实际有机结合的创新探索，具备显著的工程应用价值与理论研究支撑作用，主要结论如下：

1）岩样宏观破裂现象与岩样断口微观特征相吻合。水压较低时，岩样断口表面以穿晶断裂和沿晶断裂为主，宏观上破坏形式以张拉破坏为主；随着水压的增大，岩样断口逐渐出现平整且光滑，岩石断口表面断裂以剪切微裂纹为主，宏观方面的破裂形式以剪切破坏为主。

2）压力水对裂隙岩石的“楔入”作用可促进岩石蠕变发展，水压越大，“楔入”效应越明显，加速蠕变阶段的蠕变速率越大，该阶段持续时间也越短，蠕变破坏的分级荷载越小。相较于稳定蠕变阶段，水压对加速蠕变阶段的影响效应更大。

3）裂隙岩石长期强度约占完整岩石峰值强度的50%～70%，水压越大，裂隙大理岩的长期强度越低；水压的增大会降低岩石的长期力学性能，并加速岩石的蠕变破坏。长期强度一般介于稳定蠕变的最大荷载与匀速蠕变荷载之间，工程中建议取分级加载蠕变试验稳定蠕变阶段最大一级强度作为裂隙岩石的长期强度。

后续研究与探索过程中，应重点关注裂隙岩石在水压环境中的蠕变本构模型的构建，本文的试验数据与结果可为此提供重要依据；此外，除了考虑水压与裂隙岩石初始损伤耦合作用下强度的弱化效应，还应探索水压作用下蠕变损伤演化的数学表示。