惠民莊水庫壩基裂隙灰?guī)r水-力耦合作用下滲漏特性分析

胡芳江

(臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276300)

1 工程背景

惠民莊水庫位于山東省蘭陵縣北部礦坑鎮(zhèn)惠民莊村北，控制流域面積47km2，工程由主壩、副壩、大壩防滲、溢洪道(閘)、放水洞及管理設(shè)施等工程組成，屬小(1)型工程規(guī)模。工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，相應(yīng)洪峰流量707m3/m，校核標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，相應(yīng)洪峰流量1130m3/m。

庫區(qū)第四系覆蓋層下伏古生界寒武系奧陶系灰?guī)r地層，庫區(qū)廣泛分布的沉積巖多裸露地表，丘陵渾圓，沖溝切割深度不大，有寬闊的天然分水嶺。巖體內(nèi)巖溶裂隙較發(fā)育，延伸性較好，導(dǎo)水性較強(qiáng)。河流間天然分水嶺雖高大寬厚，但分水嶺巖體大部分都為灰?guī)r，灰?guī)r溶蝕較發(fā)育，導(dǎo)水性較好，且灰?guī)r部分地段具中等透水性，不能有效阻隔庫區(qū)水的滲流，不能形成良好的阻水帶，故庫區(qū)存在一定的滲漏問題。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)試件

現(xiàn)場鉆探：灰?guī)r為黃褐色-青灰色，主要以白云質(zhì)灰?guī)r為主，中厚層狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈塊狀-柱狀，錘擊聲脆，密度大小為2.41 ～2.70g/cm3，含水率為1.52%～1.89%，主要化學(xué)成分為石英和方解石。挑選其中性狀(外觀、密度、含水率接近)較為相似的巖芯打磨制成高為100mm，直徑為50mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件[1- 3]，并將其分為兩組：一組試件進(jìn)行烘干，一組試件進(jìn)行浸泡24h(飽水)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為水-力耦合微機(jī)控制電液伺服巖石剛性試驗(yàn)機(jī)，系統(tǒng)最大加載應(yīng)力為600kN，應(yīng)力分辨率為100N，位移控制為0.005～25mm/min，位移精度為±0.5%。

2.3 滲透率測試方法

試驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)率測試法來測試灰?guī)r的滲透系數(shù)，其主要目的是通過對(duì)試件兩端施加滲透壓，測量試件兩端的流體流量[4- 6]，再根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算得到試件的滲透率k：

(1)

式中，k—滲透系數(shù)，cm/s；Q—流體流量，cm3；L—灰?guī)r試件的高度，cm；u—流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；A—灰?guī)r試件的橫截面面積，cm2；Δpw—灰?guī)r試件兩端的滲透壓差，MPa。

在試驗(yàn)過程中為了盡量避免試件離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來的影響，保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每組試驗(yàn)均進(jìn)行了3次試驗(yàn)，然后取3組試件的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。

2.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共分為干燥試驗(yàn)組和飽水試驗(yàn)組，每個(gè)試驗(yàn)組的滲透壓差分別為0、2、4、6MPa四種，每種滲透壓差下均進(jìn)行3次試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中滲透壓加載速率為1MPa/min，應(yīng)力加載速率為30MPa/min，每個(gè)試件在應(yīng)力加載前先測試初始滲透系數(shù)k，均取3次試驗(yàn)同一滲透壓下的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

試驗(yàn)得到的不同試驗(yàn)組在不同滲透壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征如圖1所示。從圖中可以看到：在滲流-應(yīng)力耦合作用下，裂隙灰?guī)r應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈不同的變化特征，但都可以劃分為初始?jí)好堋椥宰冃?、塑性變形以及峰后變?個(gè)階段[7]；干燥試驗(yàn)組下，當(dāng)沒有滲透壓時(shí)(即一般單軸壓縮試驗(yàn))，灰?guī)r的初始?jí)好茈A段較短，這主要是灰?guī)r原生裂隙、孔隙閉合所引起，但灰?guī)r的彈性變形階段較為明顯，表明原生裂隙對(duì)灰?guī)r沒有產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性損傷，隨著滲透壓的逐漸增大，灰?guī)r的初始?jí)好茈A段越來越長，這主要是因?yàn)樵跐B透壓作用下，會(huì)對(duì)試件內(nèi)部產(chǎn)生沖蝕效應(yīng)，導(dǎo)致原生孔隙裂隙而進(jìn)一步擴(kuò)展，滲透壓越大，沖蝕效應(yīng)越顯著，同時(shí)由于灰?guī)r為多孔介質(zhì)，當(dāng)存在滲透壓時(shí)，實(shí)際上在試件內(nèi)部也會(huì)形成水巖的相互作用，導(dǎo)致內(nèi)部溶質(zhì)遷移，因而孔隙率也會(huì)產(chǎn)生變化。飽水試驗(yàn)組，在相同滲透壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線更傾向于彈-塑性變形，這是因?yàn)榛規(guī)r在浸泡過程中，內(nèi)部礦物顆粒會(huì)溶解于水中，導(dǎo)致灰?guī)r試件內(nèi)部的礦物顆粒膠結(jié)力、結(jié)構(gòu)性大大降低，在應(yīng)力和滲透壓作用下，內(nèi)部孔隙裂隙更容易發(fā)生擴(kuò)展，從而表現(xiàn)出比較明顯的軟化現(xiàn)象，因而變形特征也有所不同。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 彈性模量與滲透壓關(guān)系

試驗(yàn)得到的不同滲透壓下灰?guī)r的彈性模量變化趨勢見圖2。從圖2中可以看到：隨著滲透壓的增加，干燥試驗(yàn)組和飽水試驗(yàn)組的彈性模量均呈逐漸降低的變化特征，這是因?yàn)樵谧⑺畨毫ψ饔孟?，礦物晶體解理位置首先產(chǎn)生溶蝕作用，試件內(nèi)部易溶解物質(zhì)會(huì)迅速溶于水中，造成顆粒與顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用力減弱，隨著滲透壓的增大，灰?guī)r內(nèi)部逐漸由溶蝕作用為主轉(zhuǎn)變?yōu)闆_蝕作用為主，很多細(xì)小顆粒以及可溶解物質(zhì)會(huì)被帶出試件，使得內(nèi)部孔隙率增大，結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)一步遭到破壞，試件內(nèi)部逐漸孔隙半徑逐漸擴(kuò)展貫通，因而，彈性模量隨滲透壓增大而降低。干燥試驗(yàn)組的彈性模量從13.35GPa降至11.05GPa，降幅為17.2%，滲透壓每升高1MPa，彈性模量降低0.383GPa；飽水試驗(yàn)組的彈性模量從8.8GPa降至7.7GPa，降幅為12.5%，滲透壓每升高1MPa，彈性模量降低0.183GPa。

圖2 彈性模量隨滲透壓變化關(guān)系

3.3 強(qiáng)度與滲透壓關(guān)系

試驗(yàn)得到的不同滲透壓下灰?guī)r的強(qiáng)度變化趨勢如圖3所示。從圖3中可以看到：灰?guī)r的強(qiáng)度隨著滲透壓的增大也呈逐漸降低趨勢，這是因?yàn)闈B透壓越大，對(duì)灰?guī)r內(nèi)部結(jié)構(gòu)的沖蝕作用越強(qiáng)，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性越差，顆粒與顆粒之間的膠結(jié)聯(lián)結(jié)力越低，因而強(qiáng)度越低。特別的，飽水試件在滲透壓6MPa下的平均強(qiáng)度略大于4MPa時(shí)的平均強(qiáng)度，這主要是因?yàn)樵?MPa滲透壓試驗(yàn)過程中，有一個(gè)試件強(qiáng)度偏低，這是試件離散性帶來的問題，但不影響強(qiáng)度隨滲透壓變化的整個(gè)趨勢。干燥試驗(yàn)組強(qiáng)度從103.3MPa降至62.5MPa，降幅為39.5%，飽水試驗(yàn)組強(qiáng)度從69.2MPa降至40.5MPa，降幅為41.5%。同等滲透壓下，干燥試驗(yàn)組的強(qiáng)度較飽水試驗(yàn)組大30%～45%。

圖3 強(qiáng)度隨滲透壓變化關(guān)系

3.4 起裂值與滲透壓關(guān)系

起裂值是巖石內(nèi)部損傷發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志，在低應(yīng)力水平下時(shí)，灰?guī)r內(nèi)部是原生孔隙裂隙閉合與新裂隙產(chǎn)生平衡階段，這段時(shí)間巖石內(nèi)部未產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性損傷，當(dāng)應(yīng)力超過一定值后，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性損傷，新的裂紋不斷擴(kuò)展貫通，直至試件發(fā)生失穩(wěn)破壞。一般認(rèn)為彈性階段之前，試件內(nèi)部沒有產(chǎn)生損傷，彈性階段之后，試件逐漸產(chǎn)生損傷，但是采用應(yīng)力-應(yīng)變曲線很難區(qū)分彈性階段與塑性變形階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此，本文利用體變曲線來預(yù)測每組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的起裂值，其基本思想是：體變曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值即為灰?guī)r的起裂值。

試驗(yàn)分析得到的不同滲透壓下灰?guī)r的起裂值隨滲透壓變化特征見圖4。從圖4中可以看到：隨著滲透壓的增大，灰?guī)r的起裂值呈逐漸減小的變化特征，滲透壓相等時(shí)，干燥試件的起裂值大于飽水試件的起裂值。干燥試驗(yàn)組起裂值從92.5MPa降至27MPa，降幅為70.8%，飽水試驗(yàn)組起裂值從56.2MPa降至15MPa，降幅為73.3%。同等滲透壓下，干燥試驗(yàn)組的起裂值較飽水試驗(yàn)組大30%～45%。

圖4 起裂值隨滲透壓變化關(guān)系

3.5 滲透系數(shù)與滲透壓關(guān)系

試驗(yàn)分析得到的不同滲透壓下灰?guī)r的滲透系數(shù)隨滲透壓變化特征見圖5。從圖5中可以看到：隨著滲透壓的增大，灰?guī)r的滲透系數(shù)呈逐漸增大趨勢，其中，干燥試驗(yàn)組的滲透系數(shù)為4.44×10-5～10.2×10-5cm/s，屬于弱透水性，而飽水試驗(yàn)組的滲透系數(shù)為18.8×10-5～88.59×10-5cm/s，屬于中等透水性。

圖5 滲透系數(shù)隨滲透壓變化關(guān)系

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在水—力耦合作用下，巖塊的力學(xué)特征與滲透特征均發(fā)生了一定程度的變化：隨著滲透壓力的增大，巖塊彈性模量、強(qiáng)度以及起裂值都相應(yīng)減小，而巖塊滲透性則隨之增大。由此推測到巖體中，由于巖體中裂隙發(fā)育密度、寬度與延伸長度都遠(yuǎn)大于巖塊，所以水—力作用下的巖體在相關(guān)力學(xué)指標(biāo)減小的同時(shí)，其滲透性也會(huì)相應(yīng)增大，因此本工程庫區(qū)灰?guī)r部分地段也具有比實(shí)驗(yàn)室中更強(qiáng)的透水性。為了防止水壩沿溶洞滲漏，形成滲漏通道，影響壩基穩(wěn)定，建議對(duì)施工中發(fā)現(xiàn)的裂隙溶洞挖除并清理，并采用塊石混凝土充填，對(duì)一般裂隙巖體采取帷幕灌漿處理[8- 15]。

4 結(jié)語

針對(duì)惠民莊水庫壩基裂隙灰?guī)r開展水-力耦合作用下力學(xué)特性試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)灰?guī)r的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可劃分為壓密、彈性、塑性以及峰后變形4個(gè)階段，滲透壓越大，塑性變形特征越明顯，飽水試驗(yàn)組的軟化現(xiàn)象較為明顯。

(2)彈性模量、強(qiáng)度以及起裂值均隨滲透壓的增大而逐漸減小，飽水試驗(yàn)組的強(qiáng)度和起裂值較干燥試驗(yàn)組降低30%～45%。

(3)干燥試驗(yàn)組的滲透系數(shù)為4.44×10-5～10.2×10-5cm/s，屬弱透水層，飽水試驗(yàn)組的滲透系數(shù)為18.8×10-5～88.59×10-5cm/s，屬于中等透水層。

(4)本文研究了在水-力作用下巖塊及巖體力學(xué)特征與滲透特征的變化規(guī)律，其對(duì)于分析判斷巖體滲透性并確定其滲透參數(shù)具有指導(dǎo)意義。

(5)本文試驗(yàn)結(jié)果僅針對(duì)惠民莊水庫壩址區(qū)裂隙灰?guī)r，由于不同庫區(qū)水文地質(zhì)條件差異較大，具體工程還需做具體分析。