馬 力，羅 坤，顧 冬

(南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

水利工程中巖體由于受到高地應力[1]、高地溫[2]等工程環(huán)境影響，其力學穩(wěn)定性、滲透特性的影響變化是工程設計時必須考慮的因素[3]，探討復雜工程下巖體力學特征變化、滲透變化，對推動工程設計水平提升具有重要指導意義。耿佳弟等[4]、李江騰等[5]、劉海峰[6]根據離散元仿真計算理論，利用PFC等顆粒流軟件計算了三軸荷載等條件下巖體力學特征變化以及試驗參數對力學特征影響，豐富了巖體計算力學成果。張培森等[7-8]、王興宏[9]利用室內三軸試驗系統，采用瞬態(tài)法或穩(wěn)態(tài)法研究加載破壞過程中巖體滲透變化特征，為工程巖體裂隙演化中滲透特性研究提供了基礎參考。當然，靜水壓力下滲透測試在一些研究成果中亦有體現，獲得了滲透率與靜水圍壓關系以及孔隙度等細觀特征，提高了巖體滲透特性研究水平[10-11]。熱力耦合作用下滲透特性研究是工程環(huán)境的最實際模擬，但熱力耦合研究目前主要針對力學狀態(tài)分析[12-13]，對熱力耦合下滲透演變涉及較少。本文根據樞紐工程場地基巖熱力耦合工況，設計開展熱力耦合下加載破壞試驗與滲透測試，分析基巖滲透力學特征，進而為工程建設和施工設計等提供基礎參數。

1 試驗概況

1.1 工程背景

為提升淮河地區(qū)下游防洪能力，考慮建設一水利樞紐工程，作為地區(qū)內防洪、排澇、蓄水等重要水利設施，據估算該樞紐工程投入運營后，可確保下游農田灌溉效率提升15%，建設的輸水灌渠全長為55 km，渠首流量標準值為0.65 m3/s，可滿足超過5.33萬hm2農田生產用水。該水利樞紐工程建設水庫最大庫容量為4000萬m3，堤壩全長為225.0 m，壩頂高度為85.5 m，壩身采用止水面板與防滲墻作為防滲系統，墻厚為60 cm，最大抗?jié)B等級可達P12，設計壩體最大滲透坡降不超過0.28，壩體另設置有高度為12.0 m的防浪墻，確保壩體整體安全穩(wěn)定，模擬計算獲得壩體在靜力荷載下抗滑移系數不低于2.8，抗傾覆系數不低于2.5，動力響應下驗算獲得加速度最大響應值為3.8 m/s2，壩體振型在高階組合下為組合振動，最大自振頻率不超過6.8 Hz。不論是靜力工況抑或是動力荷載工況，其安全穩(wěn)定性很大程度上取決于基巖力學狀態(tài)，分析及預判基巖力學特征變化，乃是靜、動力工況下安全設計的重要前提。另一方面，該水利樞紐工程為確保上游防洪安全，設計有一大型泄洪閘，設計最大泄流量可達1650 m3/s，閘室底板厚度為2.2 m，閘室頂部高程為76.5 m，采用預應力閘墩位為支撐結構，墩厚為0.8 m，間距為1.0 m，其閘室與閘墩插入基巖層深度達1.5 m，為削弱泄洪閘泄流沖擊荷載的水力作用，下游設計有消能池，池深度為1.2 m，消能坎高度為0.6 m。泄洪閘與下游消能池的安全穩(wěn)定運行與場地地基密切相關，且基巖抗?jié)B性亦會影響消能池內滲流場特征，故研究基巖滲透特性亦有必要。根據擬建場地地質鉆孔結果，基巖為灰?guī)r，弱風化狀態(tài)，基巖完整性較佳，表面無顯著孔隙分布，承載力較適宜作為大型樞紐工程承載巖層。由于基巖層所在區(qū)域地溫較高，基礎埋深與溫度又有聯系[14]，考慮高地溫對基巖(灰?guī)r)力學穩(wěn)定性影響具有重要意義。因而，筆者根據樞紐工程現場取樣基巖，開展熱力(TM)耦合下滲透力學特征分析。

1.2 試驗方法

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?jié)B透加載試驗，如圖1所示。該試驗系統包括力學加載設備、溫度加載系統、數據采集監(jiān)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1000 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，確保試樣處于熱荷載環(huán)境，最高加溫可達500 ℃。數據采集設備包括變形傳感器、體變傳感器以及機器位移傳感器等，軸向和環(huán)向變形傳感器量程分別為-10～10 mm和-15～15 mm，試驗最大誤差滿足0.5%RO，本試驗中數據采集間隔為0.5s。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(tài)法或穩(wěn)態(tài)法進行滲透率測試，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

本文中所有樣品均取自樞紐工程擬建場地，在室內經精加工、打磨后，制作成直徑50 mm、高度為100 mm的試樣后，在養(yǎng)護箱內養(yǎng)護48 h以上，方可進行高溫熱處理試驗。根據蘇北淮河地區(qū)基巖埋深，設定試驗溫度分別為常溫、50 ℃、150 ℃、250 ℃、350 ℃和450 ℃。在加熱至目標溫度后，試驗樣品維持溫度荷載8 h；待完成目標溫度熱處理后，經低溫水冷卻至常溫狀態(tài)下，再進行靜水圍壓下滲透測試；完成滲透試驗后開展單軸壓縮加載破壞試驗。本文根據低溫冷卻水狀態(tài)，分別采用0 ℃、20 ℃和40 ℃冷卻液態(tài)水。另一方面，滲透試驗中靜水壓力分別設定有2 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa和30 MPa，滲透壓力統一設定為1 MPa。本文TM滲透力學試驗中具體試驗方案如表1所示。

表1 各組試樣試驗參數

2 TM耦合試驗力學特征

2.1 應力應變特征

根據不同熱荷載處理后試樣的單軸壓縮加載試驗，對力學數據進行處理，獲得溫度熱荷載影響下的基巖應力應變特征，如圖2所示。從圖中可看出，在相同冷卻溫度下，熱處理溫度愈高，則基巖加載應力水平愈低，在冷卻水溫0 ℃下，應變0.05%對應常溫下試樣加載應力為88.9 MPa，而溫度為150 ℃、350 ℃、450 ℃試樣的加載應力水平較前者分別減少了24.0%、87.4%、94.8%，而冷卻溫度為40℃下，雖整體上加載應力水平較冷卻水溫0 ℃下有所提高，但在同樣應變0.05%下，溫度150 ℃、350 ℃、450 ℃試樣與常溫下加載應力差距幅度分別為16.8%、62.8%、80.5%，表明溫度熱荷載對基巖體為熱損傷效應，降低基巖承載能力，且冷卻水溫升高，基巖受溫度熱荷載影響效應差有所減弱。筆者認為，當溫度較高時，基巖內部礦物晶體會受熱發(fā)生膨脹變形，造成顆粒結構出現擠壓碰撞，造成顆粒結構軟化，最終出現礦物晶體的熱破裂，從整體顆粒骨架考慮，此對基巖承載穩(wěn)定性有較大負面影響[15-16]。當冷卻水溫升高后，溫度熱荷載與冷卻水溫間溫差減小，試樣在短時間內受熱膨脹變形程度弱于低冷卻水溫下，此時承載應力水平較之有所提高，且不同溫度熱荷載間的差距受冷卻水溫升高影響，差幅減小。

圖2 基巖應力應變特征

從變形特征來看，基巖在單軸壓縮變形破壞全過程中歷經“初始壓密階段-屈服塑性二次裂隙發(fā)育階段-失穩(wěn)破壞階段”三個階段，當溫度熱荷載愈高時，則試樣線彈性變形階段最大壓密點應變值愈低，但試樣峰值應變亦愈高，在冷卻溫度0 ℃下，熱荷載150 ℃、350 ℃、450 ℃試樣的峰值軸向應變分別為0.075%、0.110%、0.190%。從變形模量參數計算可知，熱處理溫度與線彈性模量為負相關關系，在冷卻溫度40 ℃下，常溫熱環(huán)境下試樣的線彈性模量為2.4 GPa，而熱荷載150 ℃、450 ℃試樣的線彈性模量與之相比減少了11.1%、75.6%；從冷卻溫度影響效應可知，在冷卻溫度0 ℃下的常溫試樣線彈性模量為1.89 GPa，冷卻水溫增高，基巖線彈性變形能力亦可增大[17]。綜合基巖變形特征受溫度熱效應、冷卻水溫耦合影響可知，溫度熱荷載對試樣變形特征參數具有抑制效應，而冷卻水溫對試樣變形能力具有一定促進效應。

2.2 力學特征參數

由不同冷卻水溫、溫度熱荷載下基巖試樣應力應變特征，得到熱效應與溫度冷卻效應影響下的基巖單軸抗壓強度變化特征曲線，如圖3所示。從圖中可知，熱處理階段溫度愈高，則試樣強度愈低，在冷卻水溫0 ℃時，溫度150～450 ℃區(qū)間內，熱處理溫度每增大100 ℃，試樣強度損失25%，而冷卻水溫為20 ℃和40 ℃時，熱效應造成的強度損失分別為16.5%和12.8%，即冷卻水溫愈大，熱效應對基巖承載強度影響減弱。對比相同熱處理溫度下冷卻水溫影響可知，在熱處理150 ℃下冷卻水溫0 ℃與冷卻水溫20 ℃和40 ℃間試樣強度差幅分別為17.5%和35.2%，表明冷卻水溫與熱處理間溫差關系，對試樣強度亦有負相關關系。

圖3 基巖單軸抗壓強度變化特征

圖4為不同冷卻溫度、熱處理溫度下的基巖泊松比變化關系。從圖中可知，溫度愈高，泊松比增高，且泊松比與熱處理溫度間具有冪函數關系；在冷卻溫度0 ℃時，常溫下試樣泊松比為0.24，而溫度荷載為150 ℃和450 ℃下試樣泊松比較前者增高了41.7%和87.5%，溫度熱效應對泊松比參數具有促進作用。

圖4 基巖泊松比變化關系

3 滲透試驗結果分析

根據不同靜水圍壓下滲透測試結果，經數據處理獲得不同熱處理溫度后基巖滲透率變化特征曲線，如圖5所示。從圖中可看出，靜水圍壓與滲透率負相關，且兩者具有冪函數關系，冷卻溫度0 ℃時，常溫和450 ℃下基巖滲透率分別分布在2.65×10-17～1.47×10-16m2和1.44×10-16～1.22×10-15m2，在靜水壓力5 MPa時，基巖滲透率為1.02×10-16m2，而壓力為10 MPa、20 MPa和30 MPa下試樣滲透率較前者分別降低了37.9%、68.5%和73.9%。圍壓對滲透率抑制作用較為顯著，當升高靜水圍壓，試樣內部裂隙形成的滲透通道在側向約束作用力下較難貫通，試樣滲透率降低。當處于同一靜水圍壓下，熱處理溫度愈高，則試樣滲透率愈高，在圍壓10 MPa下，溫度250 ℃和450 ℃試樣滲透率較常溫下分別增高了84.8%和4.6倍，熱處理溫度愈高，試樣內部造成的熱損傷對滲透通道的形成具有促進作用，故而滲透水平較大。冷卻水溫為40 ℃時，試樣滲透率水平整體低于圖5(a)，在靜水圍壓5 MPa、熱處理溫度250 ℃下滲透率為6.5×10-17m2，相比水溫0 ℃時降低了58.5%，但抑制作用沒有熱損傷效應和圍壓約束效應顯著。

圖5 基巖滲透率與靜水圍壓關系

4 結 論

本文主要獲得以下幾點結論：

(1)熱處理溫度愈高，則基巖應力水平愈低，冷卻水溫0 ℃時，溫度150～450 ℃區(qū)間內，溫度每增大100 ℃，強度損失25%，冷卻溫度增大，則熱損傷效應減弱。

(2)基巖變形破壞過程為“線彈性壓密階段-屈服塑性損傷階段-失穩(wěn)破壞階段”三階段，溫度熱荷載對試樣壓密點應變值、線彈性模量均具有抑制效應，而冷卻溫度可提升基巖變形能力；泊松比與熱處理溫度具有正相關冪函數關系。

(3)靜水圍壓與滲透率具有負相關關系，但熱處理溫度愈高，則滲透率愈大，冷卻溫度0 ℃時，常溫和450 ℃下基巖滲透率分別為2.65×10-17～1.47×10-16m2和1.44×10-16～1.22×10-15m2；冷卻水溫愈大，滲透率愈低，但冷卻水溫抑制作用不及溫度熱損傷效應和圍壓約束效應。