顧 冬，馬 力，羅 坤，孫云儒

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210000 ;2.河海大學(xué) 大禹學(xué)院，南京 210098)

1 概 述

巖體力學(xué)與滲透特征作為工程場地內(nèi)重要關(guān)注參數(shù)，其對工程地基處理[1]、工程抗震[2]、防滲設(shè)計(jì)[3]等均具有重要作用，研究水利工程中巖體力學(xué)狀態(tài)以及滲透演變對工程設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義，但不可忽視，巖體所處高地溫[4]、高地應(yīng)力[5]等環(huán)境，對力學(xué)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(jì)算模型，施加有相應(yīng)的邊界荷載，并由此建立離散元仿真計(jì)算模型下的巖體力學(xué)本構(gòu)模型，為工程建設(shè)提供重要基礎(chǔ)參數(shù)與理論模型。當(dāng)然，一些學(xué)者利用精密室內(nèi)儀器完成了常規(guī)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(nèi)的諸多巖石種類的基本力學(xué)特征與滲透特性，豐富了巖體滲透力學(xué)研究成果。高溫?zé)嶙饔脤r石礦物具有催化劑影響，因而開展相應(yīng)高溫耦合滲透力學(xué)試驗(yàn)很有必要。一些學(xué)者完成了高溫下大理巖、花崗巖等巖體的高溫三軸試驗(yàn)[12-13]，為其他工程巖體熱作用力學(xué)加載試驗(yàn)提供了借鑒。

本文根據(jù)淮河下游地區(qū)擬建工程場地基巖體的滲透力學(xué)行為，設(shè)計(jì)有高溫?zé)崽幚砗笕S加載全過程滲透測試，為工程設(shè)計(jì)防滲、力學(xué)穩(wěn)定性研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 工程背景

蘇北淮河下游地區(qū)水資源安全穩(wěn)定性長期受無序管理狀態(tài)，工程設(shè)計(jì)部門考慮在淮河下游擬建一水利樞紐設(shè)施，作為下游水資源調(diào)控重要工程，提升該地區(qū)內(nèi)水資源調(diào)度、防洪排澇、蓄水供水等工程。該樞紐工程目前初步設(shè)計(jì)建設(shè)有輸水灌渠、泄洪設(shè)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(yùn)營提供重要保障。上游蓄水庫設(shè)計(jì)庫容量為4 000×104m3，建設(shè)輸水灌渠全長55 km，采用U形防滲混凝土作為底板結(jié)構(gòu)，最大抗?jié)B等級達(dá)P10，渠首設(shè)置有小型水閘，控制渠首流量在0.35～0.55 m3/s，下游農(nóng)田灌溉在渠首流量精確控制之下，預(yù)計(jì)生產(chǎn)效率可提升18%，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(tǒng)，墻厚為60 cm，設(shè)計(jì)壩體最大滲透坡降不超過0.28，防浪墻設(shè)置在壩頂區(qū)域，高度為12 m。壩體整體靜、動力穩(wěn)定性均較佳，驗(yàn)算得到靜力工況中最大拉應(yīng)力低于1.65 MPa，壓應(yīng)力在蓄水工況中低于15 MPa，抗傾覆、抗滑穩(wěn)定系數(shù)均高于允許值；動力響應(yīng)下加速度最大值不超過3.5 m/s2，位移響應(yīng)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(yīng)下沉降位移值較低，分析此與壩體所坐落基巖體力學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)，為壩體抗震、運(yùn)營保障提供重要基礎(chǔ)“防護(hù)”。泄洪設(shè)施包括有泄洪閘與溢洪道設(shè)施，溢洪道堰頂高程為78.6 m，閘室底板高度為70.6 m，設(shè)計(jì)最大泄流量可達(dá)1 650 m3/s，為確保水力沖刷動力影響穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)以預(yù)應(yīng)力閘墩為加固結(jié)構(gòu)，該墩厚為0.8 m，間距1.2 m，墩位于基巖之上，設(shè)計(jì)模擬計(jì)算得到加固結(jié)構(gòu)中最大拉、壓應(yīng)力分別為1.2、14.5 MPa；溢洪道下游建設(shè)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(shè)施的安全穩(wěn)定與基巖力學(xué)狀態(tài)密切相關(guān)，且基巖抗?jié)B性、力學(xué)影響變化特性，均會對樞紐工程重要設(shè)施產(chǎn)生重要影響。從地質(zhì)勘探得知，輸水灌渠、泄洪閘加固墩基礎(chǔ)、壩體基礎(chǔ)均與基巖有關(guān)，且基巖體為弱風(fēng)化灰?guī)r，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(yàn)測試得知單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)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(xué)試驗(yàn)研究，為工程安全建設(shè)、設(shè)計(jì)施工等提供重要基礎(chǔ)參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)介紹

為確保本試驗(yàn)結(jié)果可靠性，采用高溫高壓三軸巖石試驗(yàn)系統(tǒng)開展?jié)B透加載試驗(yàn)，見圖1。該試驗(yàn)系統(tǒng)包括有力學(xué)加載設(shè)備、溫度加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)測模塊以及中控系統(tǒng)，加載設(shè)備采用液壓程控式，荷載量程最大可達(dá)1 000 kN，圍壓最大可達(dá)100 MPa，荷載傳感器波動幅度不超過0.5%，均在試驗(yàn)前校核完成。溫度加載系統(tǒng)采用電熱式，以液壓油傳熱形式，確保試樣處于熱荷載環(huán)境，最高加溫可達(dá)500℃。數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括有變形傳感器、體變傳感器以及機(jī)器位移傳感器等，軸向、環(huán)向變形傳感器量程分別為-10～10 mm、-15～15 mm，試驗(yàn)最大誤差滿足0.5%，本試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集間隔為0.5 s。中控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全過程試驗(yàn)樣品力學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)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(yàn)中加載變形控制速率為0.01 mm/min。滲透測試裝置是該試驗(yàn)系統(tǒng)耦合設(shè)備，可變換采用瞬態(tài)法或穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行滲透率測試[14]，該實(shí)驗(yàn)裝置最大可完成滲透壓力在10 MPa的試驗(yàn)，滲透率最低量程可達(dá)10-21m2，試驗(yàn)樣品尺寸可為徑高比1/2、1/3等類型，利用上述試驗(yàn)設(shè)備完成樞紐工程基巖TM耦合滲透力學(xué)試驗(yàn)。

圖1 高溫高壓三軸巖石試驗(yàn)系統(tǒng)

本文試驗(yàn)樣品均取自該擬建水利樞紐工程場地，經(jīng)室內(nèi)精加工、打磨后，獲得直徑、高度為50、100 mm試樣，并在試驗(yàn)前放置入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h。根據(jù)壩基所在部位埋深及基巖高地溫環(huán)境要求，設(shè)定本試驗(yàn)中高溫?zé)岷奢d溫度分別為常溫(25℃)、50℃、150℃、250℃、350℃、450℃。經(jīng)高溫?zé)岷奢d處理后，試樣經(jīng)低溫水冷卻至常溫狀態(tài)，放置入三軸滲透測試試驗(yàn)缸內(nèi)，完成三軸加載全過程滲透測試，并保證滲透測點(diǎn)均勻分布在加載過程中。如峰值應(yīng)力點(diǎn)、殘余應(yīng)力階段等特征階段均應(yīng)完成相應(yīng)滲透測試，圍壓設(shè)定為5、10、15、20 MPa，滲透壓力統(tǒng)一均為1 MPa。本文高溫三軸滲透力學(xué)試驗(yàn)具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 各組試樣試驗(yàn)參數(shù)

3 三軸壓縮力學(xué)特征

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

根據(jù)高溫三軸壓縮下基巖滲透力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得不同溫度熱荷載下三軸應(yīng)力應(yīng)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(yīng)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(yīng)力水平為最高。在圍壓5 MPa下，應(yīng)變0.5%時常溫下試樣的加載應(yīng)力為16.2 MPa，而相同應(yīng)變下溫度150℃、250℃試樣加載應(yīng)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(yīng)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(yīng)力水平受熱效應(yīng)影響分別熱補(bǔ)償與熱損傷作用。同樣，在圍壓20 MPa下，應(yīng)變0.5%下溫度250℃試樣加載應(yīng)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(yīng)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(yīng)對加載應(yīng)力水平影響程度有所減弱，表明圍壓可抑制溫度熱效應(yīng)，且不論是熱補(bǔ)償亦或是熱損傷效應(yīng)。筆者認(rèn)為，高溫下巖石試樣內(nèi)部礦物顆粒發(fā)生質(zhì)變需要超過一定“門檻”，對應(yīng)于本試驗(yàn)中該“門檻”溫度即為250℃，當(dāng)加溫低于250℃時，試樣內(nèi)部在受熱狀態(tài)下，礦物顆粒僅僅為受熱膨脹狀態(tài)，其并不會發(fā)生破裂或移位等現(xiàn)象，相反吸熱后的礦物顆?；ハ鄶D占了巖石試樣內(nèi)部孔隙，增強(qiáng)了顆粒骨架結(jié)構(gòu)的承載穩(wěn)定性，故加載應(yīng)力水平較高；但溫度超過節(jié)點(diǎn)溫度250℃后，熱荷載為熱損傷特征，礦物顆粒發(fā)生破裂、松動等特征，此時對礦物顆粒骨架結(jié)構(gòu)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(bǔ)償作用的催化劑，提升熱補(bǔ)償效果，而對于熱損傷效應(yīng)，圍壓效應(yīng)可約束熱損傷作用，因而圍壓增大后，雖整體加載應(yīng)力水平有所提升，但溫度熱效應(yīng)影響下加載應(yīng)力差幅卻有所減小。

圖2 不同溫度熱荷載下三軸應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力受影響效應(yīng)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(yīng)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(xué)特征為最優(yōu)。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(yīng)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(jìn)。

3.2 力學(xué)特征參數(shù)

根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變特征，可獲得三軸抗壓強(qiáng)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(jié)點(diǎn)，高于該溫度時，即熱處理溫度為250℃～450℃區(qū)間，熱荷載每增大100℃，基巖抗壓強(qiáng)度隨之平均損耗8.2%；相反在低于節(jié)點(diǎn)溫度時，基巖強(qiáng)度平均增幅可為17.5%。圍壓升高，基巖強(qiáng)度受熱作用影響的增幅與損耗均會減弱，圍壓10 MPa下兩區(qū)間幅度分別為5.5%、9.4%。

圖3 三軸抗壓強(qiáng)度在熱作用下變化特征

同時，從三軸加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可得到基巖抗剪特征參數(shù)變化趨勢，見圖4。從圖4中可看出，不同于強(qiáng)度以及變形等力學(xué)特征參數(shù)的“門檻”溫度熱效應(yīng)，兩抗剪特征參數(shù)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(shù)關(guān)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(nèi)摩擦角分布為42°～50°，其變化波動幅度低于黏聚力參數(shù)，內(nèi)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(shù)隨溫度變化關(guān)系

4 滲透特性分析

根據(jù)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(wěn)”3階段變化，滲透率最低測點(diǎn)在第3或第4個測點(diǎn)，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(dāng)熱荷載溫度升高后，若未超過節(jié)點(diǎn)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(yīng)，但溫度超過節(jié)點(diǎn)后，則溫度熱作用對滲透率具有促進(jìn)效果；圍壓20 MPa下節(jié)點(diǎn)溫度250℃試樣的初始測點(diǎn)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(dāng)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(jié)束點(diǎn)滲透率為3.82×10-15m2，而圍壓20 MPa下同一處理溫度、同結(jié)束點(diǎn)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(qiáng)于溫度熱作用。筆者認(rèn)為，圍壓約束作用下，試樣內(nèi)部滲透通道的形成均受限制，而熱處理作用下，其本質(zhì)上乃是影響礦物顆粒的物理狀態(tài)，進(jìn)而影響孔隙分布形態(tài)[17-18]，故不論是熱損傷、熱補(bǔ)償，對滲透率影響效果均低于圍壓限制作用力。

5 結(jié) 論

1) 溫度熱處理后基巖強(qiáng)度隨溫度升高為先增后減變化，節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度隨之平均損耗8.2%，反之強(qiáng)度平均增幅為17.5%；圍壓升高，熱補(bǔ)償與熱損傷效應(yīng)均會減弱。

2) 基巖線彈性模量、峰值應(yīng)變參數(shù)受溫度影響與強(qiáng)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(shù)具有冪函數(shù)關(guān)系，每增長100℃，黏聚力下降14.9%，內(nèi)摩擦角受熱處理溫度影響敏感度不及黏聚力參數(shù)。

3) 基巖加載過程滲透率呈“降低-陡升-平穩(wěn)”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(yīng)對滲透率分別為抑制、促進(jìn)作用；圍壓對滲透率約束效應(yīng)強(qiáng)于熱作用的損傷與補(bǔ)償效力。