干濕循環(huán)與硫酸鹽溶液侵蝕耦合效應(yīng)下牛路水庫引水隧洞圍巖力學(xué)試驗(yàn)研究

陳佳亮，李世海

(廣東水電二局股份有限公司, 廣州 511300)

1 概述

水庫引水隧洞是引水、蓄水、輸水與調(diào)度水資源的重要水利設(shè)施，研究隧洞斷面開挖、襯砌過程中圍巖穩(wěn)定性對確保施工安全、工程質(zhì)量安全具有重要意義[1-2]，其實(shí)質(zhì)上是針對性探討圍巖在擾動(dòng)影響下力學(xué)穩(wěn)定性變化。肖亞勛等[3]、張浩男等[4]、譚雙等[5]利用微震、聲發(fā)射等其他監(jiān)測設(shè)備，在隧道、隧洞等人工開挖工程中進(jìn)行應(yīng)力、變形監(jiān)測，從宏、細(xì)觀角度考慮圍巖穩(wěn)定性，為預(yù)判圍巖失穩(wěn)前兆提供參考。由于工程監(jiān)測時(shí)間一般較長，因而王博等[6]、錢軍剛[7]、毛浩宇等[8]通過利用顆粒流離散元仿真平臺(tái)，建立圍巖力學(xué)計(jì)算模型，設(shè)計(jì)開展圍巖力學(xué)仿真分析，對仿真模型計(jì)算獲得的力學(xué)特征參數(shù)進(jìn)行分析，探討圍巖在單、三軸等試驗(yàn)條件下力學(xué)特征變化，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供計(jì)算參照。室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)耸且环N較為直接、精度高、高效的研究手段，一些學(xué)者根據(jù)水利工程中圍巖、地基土體等各類巖土體材料，開展力學(xué)加載試驗(yàn)，獲得了凍融效應(yīng)、配合比參數(shù)等多種因素影響下巖土體力學(xué)變化特征，為工程提供了重要試驗(yàn)參數(shù)[9-11]。本文根據(jù)引水隧洞圍巖干濕環(huán)境與溶液侵蝕耦合效應(yīng)，設(shè)計(jì)有吸濕溶液與干濕循環(huán)耦合作用下的巖體力學(xué)試驗(yàn)，為工程設(shè)計(jì)、施工提供基本依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 工程介紹

廣州市牛路水庫建設(shè)項(xiàng)目包含引水隧洞工程，該隧洞設(shè)計(jì)為單孔洞，但功能多元化設(shè)計(jì)形式，設(shè)計(jì)上游入口高程為120 m，設(shè)計(jì)坡度為0.4%，引水隧洞主洞軸線長約為483.2 m，洞徑為3.0 m，隧洞下游主洞后分為兩支，分別可用作發(fā)電與導(dǎo)流放空，其中發(fā)電岔洞長為62.6 m，其后接露天式壓力鋼管，壓力鋼管主管長27.3 m，其后再分為3個(gè)岔管“卜”形進(jìn)入廠房機(jī)組。支洞長為99.44 m，其后接埋地式壓力鋼管，總長為13 m，出口采用錐形閥消能。隧洞設(shè)置有間距為2 m的φ25 mm錨桿，其長度為4 m，采用十字梅花布設(shè)形式，設(shè)計(jì)有橫、縱錨索架立連接，支撐整體隧洞斷面圍巖穩(wěn)定性。為減少主洞底部鋼混結(jié)構(gòu)應(yīng)力過于集中，在斷面底部不設(shè)置錨桿支護(hù)，初支采用C20噴射混凝土，厚度為5 cm，二次襯砌采用C25、W6混凝土，厚度為45 cm，并內(nèi)襯Q345R鋼管結(jié)構(gòu)，厚度為18 mm。鋼管預(yù)留灌漿孔進(jìn)行回填灌漿及接觸灌漿，確保鋼管襯砌受力與二次噴射混凝土一致性，以應(yīng)對各類圍巖應(yīng)力擾動(dòng)失穩(wěn)問題，該隧洞主洞斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)調(diào)查得知，該隧洞出水口段高程為82.9～93.5 m，地層分布有殘坡積土、碎石填土、礫石土等土層，圍巖以全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、灰?guī)r為主，分布類別為Ⅳ、Ⅴ類，地下水位探知處于89.7～90.6 m，部分隧洞段穿越地下水層，經(jīng)抽樣檢測，部分洞段局部樣水中含有酸性等溶液成分，其對灰?guī)r侵蝕作用屬開挖后擾動(dòng)引起，導(dǎo)致圍巖受地下水侵入，局部出現(xiàn)破裂帶，穩(wěn)定性受挑戰(zhàn)。另隧洞內(nèi)設(shè)計(jì)最長通風(fēng)距離為528 m，通風(fēng)風(fēng)量為408.6 m3/min，風(fēng)管直徑為0.8 m，通風(fēng)風(fēng)管沿程阻力損失約為1.3 Pa/m。由于圍巖開挖擾動(dòng)損傷過程中受到地下水侵蝕影響，而且隧洞通風(fēng)對圍巖具有風(fēng)干作用，其形式與干濕循環(huán)過程類似，因而圍巖亦受到干濕循環(huán)效應(yīng)影響，故圍巖侵蝕與干濕效應(yīng)兩者必須耦合考慮，探討圍巖受損傷下干濕循環(huán)與溶液侵蝕耦合效應(yīng)下力學(xué)穩(wěn)定性。

圖1 隧洞主斷面示意

2.2 試驗(yàn)介紹

本試驗(yàn)采用GCTS巖石與混凝土材料力學(xué)測試系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮加載試驗(yàn)，其實(shí)物示意如圖2所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)精度以及試驗(yàn)準(zhǔn)確度均較為先進(jìn)。該試驗(yàn)系統(tǒng)中最大荷載可至1 000 kN，加載方式可變換荷載控制、變形控制等多種形式，加載平臺(tái)內(nèi)配置有多類型尺寸試樣夾具，滿足試樣徑高比為1/2、1/2.5、1/3等尺寸；本文試驗(yàn)中采用軸向變形恒定速率控制，速率為0.02 mm/min；所采用的環(huán)向變形傳感器量程范圍為-15～15 mm，軸向變形傳感器包括有LVDT以及內(nèi)置變形傳感器兩部分，其中LVDT傳感器量程為-20～20 mm，內(nèi)置變形傳感器量程為-15～15 mm，所有傳感器在試驗(yàn)前均已標(biāo)定，最大誤差不超過0.5%，確保試驗(yàn)結(jié)果可靠性。

圖2 GCTS巖石與混凝土材料力學(xué)測試系統(tǒng)示意

根據(jù)本文試驗(yàn)要求，另設(shè)置有干濕循環(huán)箱作為干濕循環(huán)試驗(yàn)重要控制設(shè)備，其中干燥溫度控制在60℃，而濕度環(huán)境為恒溫20℃、濕度98%，控制吸濕與干燥過程均為12 h，另吸濕環(huán)境根據(jù)隧洞工程圍巖所處地段不同，設(shè)置有不同濃度吸濕溶液，本文設(shè)定吸濕環(huán)境溶液為Na2SO4，濃度分別為0 g/L(自然濕潤環(huán)境)、120 g/L、140 g/L、160 g/L、180 g/L、200 g/L，設(shè)定干濕次數(shù)分別為0～15次，每個(gè)方案間隔3次，共6個(gè)方案。試驗(yàn)試樣為隧洞主洞口段鉆孔取得，在室內(nèi)精加工打磨后，制備成直徑、高度為50與100 mm的試樣，在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)12 h，后經(jīng)相應(yīng)的干濕循環(huán)溶液試驗(yàn)后，進(jìn)行單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)，獲得各組試驗(yàn)力學(xué)數(shù)據(jù)(見表1所示)。

表1 各組試樣試驗(yàn)參數(shù)

3 圍巖侵蝕作用下力學(xué)特性

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

根據(jù)對灰?guī)r溶液侵蝕作用后力學(xué)試驗(yàn)獲得應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到不同濃度溶液環(huán)境影響下圍巖應(yīng)力應(yīng)變特征(如圖3所示)。從圖3可看出：溶液濃度愈高，則灰?guī)r承載應(yīng)力水平愈低，即溶液吸濕環(huán)境下對灰?guī)r承載能力具有顯著損傷效應(yīng)；在干濕循環(huán)0次時(shí)，相同加載應(yīng)變?yōu)?.5%無化學(xué)溶液環(huán)境下(濃度為0 g/L)的灰?guī)r試樣加載應(yīng)力為40.2 MPa，而溶液濃度為160 g/L、200 g/L下試樣加載應(yīng)力較之前者分別減少了37.3%、60.9%；筆者認(rèn)為，當(dāng)灰?guī)r處于化學(xué)溶液環(huán)境中，化學(xué)離子活動(dòng)較活躍，陰陽離子運(yùn)動(dòng)較廣泛，而灰?guī)r內(nèi)部晶體顆粒與之結(jié)合后，可導(dǎo)致顆粒發(fā)生電離膨脹效應(yīng)，造成晶體膨脹變形，進(jìn)一步擠壓顆粒骨架[12-13]，造成灰?guī)r承載能力降低，故表現(xiàn)在加載應(yīng)力水平與溶液濃度為負(fù)相關(guān)特征。當(dāng)試驗(yàn)條件施加有干濕循環(huán)后，試樣干濕9次，相同應(yīng)變0.5%時(shí)溶液濃度為160 g/L、200 g/L下試樣加載應(yīng)力較之無化學(xué)溶液下分別減少了48.3%、80%，表明干濕循環(huán)下試樣承載應(yīng)力降幅愈顯著，干濕循環(huán)作用促進(jìn)了溶液對灰?guī)r侵蝕效應(yīng)，侵蝕效應(yīng)對加載應(yīng)力影響幅度愈大。

a 干濕循環(huán)0次

從灰?guī)r加載破壞全過程可看出，試樣經(jīng)歷了線彈性—塑性屈服變形-失穩(wěn)應(yīng)力跌落3個(gè)階段變化。在線彈性變化階段，當(dāng)侵蝕溶液濃度愈高，則其變形速率愈慢，即彈性模量值愈低，在干濕0次循環(huán)試驗(yàn)組中，溶液濃度為200 g/L下試樣的線彈性模量為48.84 MPa，而濃度為0 g/L、160 g/L試樣的模量值相比前者分別增大了136%、57.2%，當(dāng)溶液中化學(xué)分子進(jìn)入灰?guī)r內(nèi)部后，造成硬脆性骨架發(fā)生“軟化”或“松動(dòng)”等現(xiàn)象，此均會(huì)影響灰?guī)r線彈性變形能力[14-15]。從峰值變形亦可看出，隨溶液溶度增大，峰值應(yīng)變愈大，2個(gè)試驗(yàn)組中無溶液環(huán)境下試樣峰值應(yīng)變分別為1.05%、0.79%，而溶液濃度為200 g/L 2組試驗(yàn)中峰值應(yīng)變又分別為1.65%、1.46%，表明牛路水庫引水隧洞地下水侵蝕圍巖，當(dāng)水質(zhì)污染物濃度愈高，圍巖受擾動(dòng)后變形愈大，愈不利于隧洞斷面圍巖穩(wěn)定性，襯砌施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮受高濃度污染水質(zhì)侵蝕的圍巖體。

3.2 強(qiáng)度特征

對應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可獲得各溶液濃度環(huán)境下的灰?guī)r抗壓強(qiáng)度變化特征(見圖4)。從圖4可知：強(qiáng)度與溶液濃度為負(fù)相關(guān)關(guān)系，在干濕循環(huán)9次時(shí)，濃度為0時(shí)試樣抗壓強(qiáng)度為100.3 MPa，而濃度增大至140 g/L、180 g/L、200 g/L后試樣強(qiáng)度較之前者分別減少了29.7%、49.4%、59.5%；從各化學(xué)溶液對灰?guī)r侵蝕影響來看，溶液濃度增長20 g/L，在干濕循環(huán)0次時(shí)強(qiáng)度平均損失了8.9%，而在干濕9、15次時(shí)強(qiáng)度平均損耗又分別為15.8%、21.8%，隨著干濕次數(shù)增多，強(qiáng)度損耗愈顯著。分析認(rèn)為圍巖開挖與襯砌過程中，應(yīng)確保圍巖襯砌過程要快，避免發(fā)生多次干濕作用。

圖4 不同濃度溶液影響下圍巖強(qiáng)度變化特征示意

4 圍巖干濕循環(huán)下力學(xué)特性

4.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

當(dāng)對不同干濕循環(huán)作用下灰?guī)r力學(xué)數(shù)據(jù)處理后，獲得干濕效應(yīng)影響下灰?guī)r試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線(如圖5所示)。從圖5中可知:干濕次數(shù)愈多，則灰?guī)r試樣加載應(yīng)力水平愈低，在加載應(yīng)變0.6%時(shí)干濕0次下試樣加載應(yīng)力為109.8 MPa，而干濕為6次、12次時(shí)加載應(yīng)力相比降低了15.9%、23%，即干濕循環(huán)對試樣為強(qiáng)度損耗作用。筆者認(rèn)為，當(dāng)試樣處于干濕循環(huán)過程中，巖石內(nèi)部顆粒孔隙實(shí)質(zhì)上處于充水與放水過程，體積處于擴(kuò)展膨脹狀態(tài)，當(dāng)土體吸收溶液釋放的水氣后，孔隙飽滿膨脹，但在試樣經(jīng)干燥后，孔隙體積無法恢復(fù)原狀，此時(shí)巖石內(nèi)部孔隙度顯著增高，顆粒骨架穩(wěn)定性大大降低，顆粒間粘結(jié)性、咬合度均會(huì)受到影響，進(jìn)而表現(xiàn)在灰?guī)r試樣加載應(yīng)力水平降低的現(xiàn)象[16-17]。從整體應(yīng)力應(yīng)變曲線來看，各試樣變化趨勢基本一致，均具有三階段變化特征，而差異性僅出現(xiàn)在塑性屈服變形階段后，線彈性變形階段中各試樣力學(xué)特征基本一致，表明干濕循環(huán)效應(yīng)下，灰?guī)r力學(xué)敏感度主要出現(xiàn)在屈服強(qiáng)度后，各試樣線彈性模量基本穩(wěn)定在192.2 MPa。當(dāng)試樣處于峰值應(yīng)力點(diǎn)時(shí)，各試樣峰值應(yīng)變以干濕循環(huán)次數(shù)愈高者為最大，干濕循環(huán)6、12次下峰值應(yīng)變分別為0.91%、1.1%，而循環(huán)0次時(shí)試樣峰值應(yīng)變僅為0.7%。分析表明，干濕循環(huán)作用主要對灰?guī)r屈服變形階段后有顯著影響，以峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變?yōu)榈湫妥兓卣鳌?/p>

圖5 干濕循環(huán)影響下圍巖應(yīng)力應(yīng)變特征示意

4.2 強(qiáng)度特征

通過分析灰?guī)r試樣應(yīng)力應(yīng)變受干濕循環(huán)影響，得到試樣抗壓強(qiáng)度與干濕效應(yīng)關(guān)系特征(如圖6所示)。從圖6中可知:試樣強(qiáng)度與干濕次數(shù)具有線性函數(shù)關(guān)系，且兩者為負(fù)相關(guān)特征，在吸濕溶液濃度為0 g/L時(shí)干濕0次下試樣強(qiáng)度為116.1 MPa，而干濕6次、12次、15次時(shí)強(qiáng)度相比前者分別減少了10.4%、17.8%、23.7%；當(dāng)吸濕溶液濃度為160 g/L時(shí)，干濕6次、12次、15次時(shí)強(qiáng)度與0次時(shí)的降幅分別為23.7%、41.8%、53%，表明吸濕溶液濃度愈高，試樣強(qiáng)度不僅降低，同時(shí)損耗差異愈大。從整體降幅來看，在吸濕溶液濃度為0 g/L、160 g/L、200 g/L時(shí)，干濕循環(huán)增長3次下，灰?guī)r強(qiáng)度降幅分別為5.3%、13.9%、19%，此亦印證了溶液濃度對干濕效應(yīng)下強(qiáng)度損耗效應(yīng)的促進(jìn)作用。筆者認(rèn)為，引水隧洞圍巖在開挖與襯砌過程中，受干濕與侵蝕耦合效應(yīng)影響，應(yīng)著重控制地下水位污染質(zhì)侵入影響，降低干、濕過程循環(huán)。

圖6 試樣抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系示意

5 結(jié)語

1) 吸濕溶液濃度愈高，則灰?guī)r承載應(yīng)力水平愈低，溶液濃度增長20 g/L，干濕循環(huán)0次、9次、15次時(shí)強(qiáng)度平均損耗分別為8.9%、15.8%、21.8%，干濕次數(shù)愈多，強(qiáng)度受吸濕溶液損耗效應(yīng)愈顯著。

2) 灰?guī)r變形破壞過程為線彈性—塑性屈服變形—失穩(wěn)應(yīng)力跌落三階段特征；溶液濃度愈高，試樣線彈性模量與峰值應(yīng)變愈大，干濕0次、9次時(shí)吸濕溶液濃度0 g/L下峰值應(yīng)變分別為1.05%、0.79%，而濃度為200 g/L峰值應(yīng)變又分別為1.65%、1.46%。

3) 灰?guī)r抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)具有負(fù)相關(guān)線性函數(shù)關(guān)系，在吸濕溶液濃度為0 g/L、160 g/L、200 g/L時(shí)，干濕循環(huán)增長3次下，灰?guī)r強(qiáng)度降幅分別為5.3%、13.9%、19%。

4) 受干濕循環(huán)影響，灰?guī)r力學(xué)特征差異性出現(xiàn)在塑性屈服變形階段后，線彈性變形階段力學(xué)特征呈一致，線彈性模量穩(wěn)定在192.2 MPa，峰值應(yīng)變以干濕循環(huán)次數(shù)愈高者試樣為最大。