水利枢纽工程基岩体TM耦合下渗流特性研究

马 力，罗 坤，顾 冬

(南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000)

水利工程中岩体由于受到高地应力[1]、高地温[2]等工程环境影响，其力学稳定性、渗透特性的影响变化是工程设计时必须考虑的因素[3]，探讨复杂工程下岩体力学特征变化、渗透变化，对推动工程设计水平提升具有重要指导意义。耿佳弟等[4]、李江腾等[5]、刘海峰[6]根据离散元仿真计算理论，利用PFC等颗粒流软件计算了三轴荷载等条件下岩体力学特征变化以及试验参数对力学特征影响，丰富了岩体计算力学成果。张培森等[7-8]、王兴宏[9]利用室内三轴试验系统，采用瞬态法或稳态法研究加载破坏过程中岩体渗透变化特征，为工程岩体裂隙演化中渗透特性研究提供了基础参考。当然，静水压力下渗透测试在一些研究成果中亦有体现，获得了渗透率与静水围压关系以及孔隙度等细观特征，提高了岩体渗透特性研究水平[10-11]。热力耦合作用下渗透特性研究是工程环境的最实际模拟，但热力耦合研究目前主要针对力学状态分析[12-13]，对热力耦合下渗透演变涉及较少。本文根据枢纽工程场地基岩热力耦合工况，设计开展热力耦合下加载破坏试验与渗透测试，分析基岩渗透力学特征，进而为工程建设和施工设计等提供基础参数。

1 试验概况

1.1 工程背景

为提升淮河地区下游防洪能力，考虑建设一水利枢纽工程，作为地区内防洪、排涝、蓄水等重要水利设施，据估算该枢纽工程投入运营后，可确保下游农田灌溉效率提升15%，建设的输水灌渠全长为55 km，渠首流量标准值为0.65 m3/s，可满足超过5.33万hm2农田生产用水。该水利枢纽工程建设水库最大库容量为4000万m3，堤坝全长为225.0 m，坝顶高度为85.5 m，坝身采用止水面板与防渗墙作为防渗系统，墙厚为60 cm，最大抗渗等级可达P12，设计坝体最大渗透坡降不超过0.28，坝体另设置有高度为12.0 m的防浪墙，确保坝体整体安全稳定，模拟计算获得坝体在静力荷载下抗滑移系数不低于2.8，抗倾覆系数不低于2.5，动力响应下验算获得加速度最大响应值为3.8 m/s2，坝体振型在高阶组合下为组合振动，最大自振频率不超过6.8 Hz。不论是静力工况抑或是动力荷载工况，其安全稳定性很大程度上取决于基岩力学状态，分析及预判基岩力学特征变化，乃是静、动力工况下安全设计的重要前提。另一方面，该水利枢纽工程为确保上游防洪安全，设计有一大型泄洪闸，设计最大泄流量可达1650 m3/s，闸室底板厚度为2.2 m，闸室顶部高程为76.5 m，采用预应力闸墩位为支撑结构，墩厚为0.8 m，间距为1.0 m，其闸室与闸墩插入基岩层深度达1.5 m，为削弱泄洪闸泄流冲击荷载的水力作用，下游设计有消能池，池深度为1.2 m，消能坎高度为0.6 m。泄洪闸与下游消能池的安全稳定运行与场地地基密切相关，且基岩抗渗性亦会影响消能池内渗流场特征，故研究基岩渗透特性亦有必要。根据拟建场地地质钻孔结果，基岩为灰岩，弱风化状态，基岩完整性较佳，表面无显著孔隙分布，承载力较适宜作为大型枢纽工程承载岩层。由于基岩层所在区域地温较高，基础埋深与温度又有联系[14]，考虑高地温对基岩(灰岩)力学稳定性影响具有重要意义。因而，笔者根据枢纽工程现场取样基岩，开展热力(TM)耦合下渗透力学特征分析。

1.2 试验方法

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，如图1所示。该试验系统包括力学加载设备、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1000 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，确保试样处于热荷载环境，最高加温可达500 ℃。数据采集设备包括变形传感器、体变传感器以及机器位移传感器等，轴向和环向变形传感器量程分别为-10～10 mm和-15～15 mm，试验最大误差满足0.5%RO，本试验中数据采集间隔为0.5s。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，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

本文中所有样品均取自枢纽工程拟建场地，在室内经精加工、打磨后，制作成直径50 mm、高度为100 mm的试样后，在养护箱内养护48 h以上，方可进行高温热处理试验。根据苏北淮河地区基岩埋深，设定试验温度分别为常温、50 ℃、150 ℃、250 ℃、350 ℃和450 ℃。在加热至目标温度后，试验样品维持温度荷载8 h；待完成目标温度热处理后，经低温水冷却至常温状态下，再进行静水围压下渗透测试；完成渗透试验后开展单轴压缩加载破坏试验。本文根据低温冷却水状态，分别采用0 ℃、20 ℃和40 ℃冷却液态水。另一方面，渗透试验中静水压力分别设定有2 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa和30 MPa，渗透压力统一设定为1 MPa。本文TM渗透力学试验中具体试验方案如表1所示。

表1 各组试样试验参数

2 TM耦合试验力学特征

2.1 应力应变特征

根据不同热荷载处理后试样的单轴压缩加载试验，对力学数据进行处理，获得温度热荷载影响下的基岩应力应变特征，如图2所示。从图中可看出，在相同冷却温度下，热处理温度愈高，则基岩加载应力水平愈低，在冷却水温0 ℃下，应变0.05%对应常温下试样加载应力为88.9 MPa，而温度为150 ℃、350 ℃、450 ℃试样的加载应力水平较前者分别减少了24.0%、87.4%、94.8%，而冷却温度为40℃下，虽整体上加载应力水平较冷却水温0 ℃下有所提高，但在同样应变0.05%下，温度150 ℃、350 ℃、450 ℃试样与常温下加载应力差距幅度分别为16.8%、62.8%、80.5%，表明温度热荷载对基岩体为热损伤效应，降低基岩承载能力，且冷却水温升高，基岩受温度热荷载影响效应差有所减弱。笔者认为，当温度较高时，基岩内部矿物晶体会受热发生膨胀变形，造成颗粒结构出现挤压碰撞，造成颗粒结构软化，最终出现矿物晶体的热破裂，从整体颗粒骨架考虑，此对基岩承载稳定性有较大负面影响[15-16]。当冷却水温升高后，温度热荷载与冷却水温间温差减小，试样在短时间内受热膨胀变形程度弱于低冷却水温下，此时承载应力水平较之有所提高，且不同温度热荷载间的差距受冷却水温升高影响，差幅减小。

图2 基岩应力应变特征

从变形特征来看，基岩在单轴压缩变形破坏全过程中历经“初始压密阶段-屈服塑性二次裂隙发育阶段-失稳破坏阶段”三个阶段，当温度热荷载愈高时，则试样线弹性变形阶段最大压密点应变值愈低，但试样峰值应变亦愈高，在冷却温度0 ℃下，热荷载150 ℃、350 ℃、450 ℃试样的峰值轴向应变分别为0.075%、0.110%、0.190%。从变形模量参数计算可知，热处理温度与线弹性模量为负相关关系，在冷却温度40 ℃下，常温热环境下试样的线弹性模量为2.4 GPa，而热荷载150 ℃、450 ℃试样的线弹性模量与之相比减少了11.1%、75.6%；从冷却温度影响效应可知，在冷却温度0 ℃下的常温试样线弹性模量为1.89 GPa，冷却水温增高，基岩线弹性变形能力亦可增大[17]。综合基岩变形特征受温度热效应、冷却水温耦合影响可知，温度热荷载对试样变形特征参数具有抑制效应，而冷却水温对试样变形能力具有一定促进效应。

2.2 力学特征参数

由不同冷却水温、温度热荷载下基岩试样应力应变特征，得到热效应与温度冷却效应影响下的基岩单轴抗压强度变化特征曲线，如图3所示。从图中可知，热处理阶段温度愈高，则试样强度愈低，在冷却水温0 ℃时，温度150～450 ℃区间内，热处理温度每增大100 ℃，试样强度损失25%，而冷却水温为20 ℃和40 ℃时，热效应造成的强度损失分别为16.5%和12.8%，即冷却水温愈大，热效应对基岩承载强度影响减弱。对比相同热处理温度下冷却水温影响可知，在热处理150 ℃下冷却水温0 ℃与冷却水温20 ℃和40 ℃间试样强度差幅分别为17.5%和35.2%，表明冷却水温与热处理间温差关系，对试样强度亦有负相关关系。

图3 基岩单轴抗压强度变化特征

图4为不同冷却温度、热处理温度下的基岩泊松比变化关系。从图中可知，温度愈高，泊松比增高，且泊松比与热处理温度间具有幂函数关系；在冷却温度0 ℃时，常温下试样泊松比为0.24，而温度荷载为150 ℃和450 ℃下试样泊松比较前者增高了41.7%和87.5%，温度热效应对泊松比参数具有促进作用。

图4 基岩泊松比变化关系

3 渗透试验结果分析

根据不同静水围压下渗透测试结果，经数据处理获得不同热处理温度后基岩渗透率变化特征曲线，如图5所示。从图中可看出，静水围压与渗透率负相关，且两者具有幂函数关系，冷却温度0 ℃时，常温和450 ℃下基岩渗透率分别分布在2.65×10-17～1.47×10-16m2和1.44×10-16～1.22×10-15m2，在静水压力5 MPa时，基岩渗透率为1.02×10-16m2，而压力为10 MPa、20 MPa和30 MPa下试样渗透率较前者分别降低了37.9%、68.5%和73.9%。围压对渗透率抑制作用较为显著，当升高静水围压，试样内部裂隙形成的渗透通道在侧向约束作用力下较难贯通，试样渗透率降低。当处于同一静水围压下，热处理温度愈高，则试样渗透率愈高，在围压10 MPa下，温度250 ℃和450 ℃试样渗透率较常温下分别增高了84.8%和4.6倍，热处理温度愈高，试样内部造成的热损伤对渗透通道的形成具有促进作用，故而渗透水平较大。冷却水温为40 ℃时，试样渗透率水平整体低于图5(a)，在静水围压5 MPa、热处理温度250 ℃下渗透率为6.5×10-17m2，相比水温0 ℃时降低了58.5%，但抑制作用没有热损伤效应和围压约束效应显著。

图5 基岩渗透率与静水围压关系

4 结 论

本文主要获得以下几点结论：

(1)热处理温度愈高，则基岩应力水平愈低，冷却水温0 ℃时，温度150～450 ℃区间内，温度每增大100 ℃，强度损失25%，冷却温度增大，则热损伤效应减弱。

(2)基岩变形破坏过程为“线弹性压密阶段-屈服塑性损伤阶段-失稳破坏阶段”三阶段，温度热荷载对试样压密点应变值、线弹性模量均具有抑制效应，而冷却温度可提升基岩变形能力；泊松比与热处理温度具有正相关幂函数关系。

(3)静水围压与渗透率具有负相关关系，但热处理温度愈高，则渗透率愈大，冷却温度0 ℃时，常温和450 ℃下基岩渗透率分别为2.65×10-17～1.47×10-16m2和1.44×10-16～1.22×10-15m2；冷却水温愈大，渗透率愈低，但冷却水温抑制作用不及温度热损伤效应和围压约束效应。