水利枢纽工程场地基岩高温三轴压缩渗透力学试验研究

顾 冬，马 力，罗 坤，孙云儒

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，南京 210000 ;2.河海大学 大禹学院，南京 210098)

1 概 述

岩体力学与渗透特征作为工程场地内重要关注参数，其对工程地基处理[1]、工程抗震[2]、防渗设计[3]等均具有重要作用，研究水利工程中岩体力学状态以及渗透演变对工程设计具有重要指导意义，但不可忽视，岩体所处高地温[4]、高地应力[5]等环境，对力学特性、渗透特征均具有影响。李院生[6]、杨开新等[7]、张敏思等[8]利用颗粒流离散元仿真手段，建立了颗粒流计算模型，施加有相应的边界荷载，并由此建立离散元仿真计算模型下的岩体力学本构模型，为工程建设提供重要基础参数与理论模型。当然，一些学者利用精密室内仪器完成了常规单轴、三轴以及静水压力下渗透测试[9-11]，获得了包括砂岩、大理岩等在内的诸多岩石种类的基本力学特征与渗透特性，丰富了岩体渗透力学研究成果。高温热作用对岩石矿物具有催化剂影响，因而开展相应高温耦合渗透力学试验很有必要。一些学者完成了高温下大理岩、花岗岩等岩体的高温三轴试验[12-13]，为其他工程岩体热作用力学加载试验提供了借鉴。

本文根据淮河下游地区拟建工程场地基岩体的渗透力学行为，设计有高温热处理后三轴加载全过程渗透测试，为工程设计防渗、力学稳定性研究提供基础依据。

2 试验概况

2.1 工程背景

苏北淮河下游地区水资源安全稳定性长期受无序管理状态，工程设计部门考虑在淮河下游拟建一水利枢纽设施，作为下游水资源调控重要工程，提升该地区内水资源调度、防洪排涝、蓄水供水等工程。该枢纽工程目前初步设计建设有输水灌渠、泄洪设施、拦水大坝、防洪堤坝等水工建筑，为枢纽工程的安全高效运营提供重要保障。上游蓄水库设计库容量为4 000×104m3，建设输水灌渠全长55 km，采用U形防渗混凝土作为底板结构，最大抗渗等级达P10，渠首设置有小型水闸，控制渠首流量在0.35～0.55 m3/s，下游农田灌溉在渠首流量精确控制之下，预计生产效率可提升18%，对农业生产用水保障具有重要作用。大坝坐落在枢纽工程基岩上，坝高为85.5 m，坝身采用有止水面板与防渗墙为防渗系统，墙厚为60 cm，设计坝体最大渗透坡降不超过0.28，防浪墙设置在坝顶区域，高度为12 m。坝体整体静、动力稳定性均较佳，验算得到静力工况中最大拉应力低于1.65 MPa，压应力在蓄水工况中低于15 MPa，抗倾覆、抗滑稳定系数均高于允许值；动力响应下加速度最大值不超过3.5 m/s2，位移响应值主要以坝体轴线方向最大，沉降位移值为10 mm。该坝体动力响应下沉降位移值较低，分析此与坝体所坐落基岩体力学稳定性有关，为坝体抗震、运营保障提供重要基础“防护”。泄洪设施包括有泄洪闸与溢洪道设施，溢洪道堰顶高程为78.6 m，闸室底板高度为70.6 m，设计最大泄流量可达1 650 m3/s，为确保水力冲刷动力影响稳定性，设计以预应力闸墩为加固结构，该墩厚为0.8 m，间距1.2 m，墩位于基岩之上，设计模拟计算得到加固结构中最大拉、压应力分别为1.2、14.5 MPa；溢洪道下游建设深度为1.2 m的消能池，极大削弱了泄流冲击荷载的水力作用，但不可忽视泄流设施的安全稳定与基岩力学状态密切相关，且基岩抗渗性、力学影响变化特性，均会对枢纽工程重要设施产生重要影响。从地质勘探得知，输水灌渠、泄洪闸加固墩基础、坝体基础均与基岩有关，且基岩体为弱风化灰岩，完整性较好，承载力较大，即使工程所在场地位于高埋深低温工况下[14]，原位试验测试得知单轴抗压强度可达50 MPa。为此，考虑对该枢纽工程场地基岩开展高温三轴压缩渗透力学试验研究，为工程安全建设、设计施工等提供重要基础参数。

2.2 试验介绍

为确保本试验结果可靠性，采用高温高压三轴岩石试验系统开展渗透加载试验，见图1。该试验系统包括有力学加载设备、温度加载系统、数据采集监测模块以及中控系统，加载设备采用液压程控式，荷载量程最大可达1 000 kN，围压最大可达100 MPa，荷载传感器波动幅度不超过0.5%，均在试验前校核完成。温度加载系统采用电热式，以液压油传热形式，确保试样处于热荷载环境，最高加温可达500℃。数据采集设备包括有变形传感器、体变传感器以及机器位移传感器等，轴向、环向变形传感器量程分别为-10～10 mm、-15～15 mm，试验最大误差满足0.5%，本试验中数据采集间隔为0.5 s。中控系统可实现全过程试验样品力学数据实时处理，可采用包括流量、荷载、变形等多种方式完成加载，本试验中加载变形控制速率为0.01 mm/min。渗透测试装置是该试验系统耦合设备，可变换采用瞬态法或稳态法进行渗透率测试[14]，该实验装置最大可完成渗透压力在10 MPa的试验，渗透率最低量程可达10-21m2，试验样品尺寸可为径高比1/2、1/3等类型，利用上述试验设备完成枢纽工程基岩TM耦合渗透力学试验。

图1 高温高压三轴岩石试验系统

本文试验样品均取自该拟建水利枢纽工程场地，经室内精加工、打磨后，获得直径、高度为50、100 mm试样，并在试验前放置入养护箱内养护24 h。根据坝基所在部位埋深及基岩高地温环境要求，设定本试验中高温热荷载温度分别为常温(25℃)、50℃、150℃、250℃、350℃、450℃。经高温热荷载处理后，试样经低温水冷却至常温状态，放置入三轴渗透测试试验缸内，完成三轴加载全过程渗透测试，并保证渗透测点均匀分布在加载过程中。如峰值应力点、残余应力阶段等特征阶段均应完成相应渗透测试，围压设定为5、10、15、20 MPa，渗透压力统一均为1 MPa。本文高温三轴渗透力学试验具体试验方案见表1。

表1 各组试样试验参数

3 三轴压缩力学特征

3.1 应力应变特征

根据高温三轴压缩下基岩渗透力学试验数据，经数据处理获得不同温度热荷载下三轴应力应变特征，见图2。从图2中可知，温度热处理后基岩试样加载应力水平随温度升高为先增后减变化，两围压下均以温度250℃试样加载应力水平为最高。在围压5 MPa下，应变0.5%时常温下试样的加载应力为16.2 MPa，而相同应变下温度150℃、250℃试样加载应力较前者分别增大2.22倍、5.78倍，但热荷载温度450℃试样加载应力较温度250℃下又降低65.1%，即基岩体受温度热荷载处理后，其加载应力水平受热效应影响分别热补偿与热损伤作用。同样，在围压20 MPa下，应变0.5%下温度250℃试样加载应力与常温、150℃试样间增幅分别为1.45倍、1.1倍，而450℃试样与之应力降幅又为45.6%；相比围压5 MPa，围压增大至20 MPa后，温度热效应对加载应力水平影响程度有所减弱，表明围压可抑制温度热效应，且不论是热补偿亦或是热损伤效应。笔者认为，高温下岩石试样内部矿物颗粒发生质变需要超过一定“门槛”，对应于本试验中该“门槛”温度即为250℃，当加温低于250℃时，试样内部在受热状态下，矿物颗粒仅仅为受热膨胀状态，其并不会发生破裂或移位等现象，相反吸热后的矿物颗粒互相挤占了岩石试样内部孔隙，增强了颗粒骨架结构的承载稳定性，故加载应力水平较高；但温度超过节点温度250℃后，热荷载为热损伤特征，矿物颗粒发生破裂、松动等特征，此时对矿物颗粒骨架结构具有裂隙损伤作用，造成试样承载水平下降[15-16]。另一方面，围压增大，可一定程度上作为热补偿作用的催化剂，提升热补偿效果，而对于热损伤效应，围压效应可约束热损伤作用，因而围压增大后，虽整体加载应力水平有所提升，但温度热效应影响下加载应力差幅却有所减小。

图2 不同温度热荷载下三轴应力应变特征

从各试样三轴加载变形特征可知，同一围压下，热处理温度愈高，则试样线弹性模量由增为减，此变化特征与加载应力受影响效应一致。围压5 MPa下及常温下试样线弹性模量为57.4 MPa，而温度150℃、250℃线弹性模量相比增长1.1倍、3.2倍，温度450℃与250℃下又减少60.3%。在围压5 MPa下4个不同温度热处理后试样的峰值应变分别为1.45%、1.2%、0.75%、1.42%，表明温度热作用对试样变形特征影响均为先减后增，即均以“门槛”温度250℃试样的力学特征为最优。相同热处理温度150℃下，围压20 MPa下试样线弹性模量较围压5 MPa下增大7.7%，而围压20 MPa下峰值应变亦增大至1.73%，说明围压升高，基岩不论是线弹性变形能力，或是峰值塑性变形特征，均得到促进。

3.2 力学特征参数

根据应力应变特征，可获得三轴抗压强度受温度热作用下变化特征，见图3。从图3中可知，围压5 MPa下，以热处理温度250℃为节点，高于该温度时，即热处理温度为250℃～450℃区间，热荷载每增大100℃，基岩抗压强度随之平均损耗8.2%；相反在低于节点温度时，基岩强度平均增幅可为17.5%。围压升高，基岩强度受热作用影响的增幅与损耗均会减弱，围压10 MPa下两区间幅度分别为5.5%、9.4%。

图3 三轴抗压强度在热作用下变化特征

同时，从三轴加载试验数据中可得到基岩抗剪特征参数变化趋势，见图4。从图4中可看出，不同于强度以及变形等力学特征参数的“门槛”温度热效应，两抗剪特征参数随热处理温度均为递减特征，且黏聚力与热处理温度具有幂函数关系。常温下试样黏聚力为59.5 MPa，而温度为50℃、350℃试样的黏聚力相比减少14.6%、50.4%，平均每增长100℃，黏聚力下降14.9%。在各热处理温度下，内摩擦角分布为42°～50°，其变化波动幅度低于黏聚力参数，内摩擦角平均降幅为3.3%，表明其受温度热荷载影响敏感度不及黏聚力。

图4 抗剪特征参数随温度变化关系

4 渗透特性分析

根据试样加载过程中渗透测试，获得各温度热处理后试样加载全过程渗透率变化特征，见图5。

图5 试样加载全过程渗透率变化特征

从图5中可知，基岩加载过程中渗透率呈“降低-陡升-平稳”3阶段变化，渗透率最低测点在第3或第4个测点，围压5、20 MPa下常温试样的渗透率全过程为1.78×10-16～1.3×10-14m2、9.84×10-19～1.37×10-16m2。当热荷载温度升高后，若未超过节点影响温度250℃，则基岩渗透率为递减，即温度热作用对渗透率为抑制效应，但温度超过节点后，则温度热作用对渗透率具有促进效果；围压20 MPa下节点温度250℃试样的初始测点渗透率为1.31×10-19m2，而温度450℃试样渗透率相比前者增大1个量级左右。当处于相同热处理温度下时，围压对渗透率约束作用较为显著，围压5 MPa下温度450℃试样的结束点渗透率为3.82×10-15m2，而围压20 MPa下同一处理温度、同结束点的渗透率较前者降低2个量级之多，由此可见，围压对渗透率约束作用强于温度热作用。笔者认为，围压约束作用下，试样内部渗透通道的形成均受限制，而热处理作用下，其本质上乃是影响矿物颗粒的物理状态，进而影响孔隙分布形态[17-18]，故不论是热损伤、热补偿，对渗透率影响效果均低于围压限制作用力。

5 结 论

1) 温度热处理后基岩强度随温度升高为先增后减变化，节点温度为250℃，围压5 MP下高于该温度时，热荷载每增大100℃，基岩抗压强度随之平均损耗8.2%，反之强度平均增幅为17.5%；围压升高，热补偿与热损伤效应均会减弱。

2) 基岩线弹性模量、峰值应变参数受温度影响与强度变化趋势特征一致，围压5 MPa下温度250℃线弹性模量相比常温下增长3.2倍，而温度450℃与250℃下又减少60.3%；围压增大，有利于基岩变形特征；黏聚力与温度参数具有幂函数关系，每增长100℃，黏聚力下降14.9%，内摩擦角受热处理温度影响敏感度不及黏聚力参数。

3) 基岩加载过程渗透率呈“降低-陡升-平稳”3阶段，围压5、20 MPa下常温试样的渗透率全过程为1.78×10-16～1.3×10-14m2、9.84×10-19～1.37×10-16m2；温度在250℃前后，热效应对渗透率分别为抑制、促进作用；围压对渗透率约束效应强于热作用的损伤与补偿效力。