深引水工程基巖熱力特征及滲透特性研究

何子飛

（修水縣水利局，江西 修水 332400）

水利工程中深地巖石受埋深高壓及高地熱影響，其力學穩(wěn)定性及滲流特征均受限制，研究深地水工設施的巖石力學特征與高熱作用關系具有重要意義[1.2]。模擬高地熱作用下，研究熱處理或熱力耦合下巖石力學特征變化，為工程建設提供基礎依據(jù)[3，4]。明杏芬[5]、李天斌等[6]采用室內(nèi)試驗手段，研究了熱-力-液等多物理場耦合下巖石力學特征變化，認為溫度對巖石力學影響具有多面性，不一定是損傷作用，但也不一定是補償效應。梁源凱等[7]、肖旸等[8]采用顆粒流離散元仿真計算手段，通過建立仿真計算模型，分析巖石試樣模型在不同高圍壓或其他物理場耦合條件下試樣強度變形規(guī)律，特別是研究獲得了溫度場在巖石試樣內(nèi)部分布狀態(tài)。以上方法主要是研究耦合溫度荷載作用，而研究熱荷載作用后巖石力學特征變化以及滲透特性變化，更具實際意義。張海東等[9]、王星辰等[10]通過人工預制裂隙，研究預制裂隙巖石在壓縮、拉伸等力學試驗中強度變形變化，但未系統(tǒng)研究與滲透特性關系。基于五寶洞水庫深引水隧洞工程，對基巖試樣開展熱處理后劈裂拉伸力學破壞試驗，并基于拉伸破壞后含破裂面試樣開展靜水圍壓滲透測試，研究滲透水平與熱處理、拉伸力學水平間關系，為工程建設提供基礎參考。

1 試驗概況

1.1 工程背景

五寶洞水庫是江西修水縣重要水利樞紐，承擔著防洪、蓄水及引水功能，設計水位234.2 m，設計庫容117.4萬m3，最大防洪水位235.97 m。防洪大壩采用土壩與重力式大壩組合形式，土壩頂寬度1.2 m，上、下游坡度分別為1/1.8、1/2，采用砌石護坡形式，厚度0.25 m，壩身鋪設有防滲面板，降低壩體內(nèi)滲流活動，在壩腳處設置排水溝渠，采用混凝土墊層作為渠底襯砌材料。主壩在上游蓄水位234.2 m 時浸潤線與等勢線分布如圖1 所示，浸潤線位置較高，表明在壩下基巖層中滲流活動呈現(xiàn)活躍狀態(tài)。水庫建設有溢洪道設施，位于主壩右側，設計最大泄流量155 m3/s，溢流面過渡段為階梯型，全過流面寬度11 m，底板高程235.24 m，總長度80 m，采用泄洪閘作為水力控制樞紐，多孔式閘門，配備有預應力錨桿作為閘門支撐結構體系。閘墩經(jīng)過近年維修加固，采用橫、縱連系梁作為荷載傳遞，降低靜水壓力及拉伸荷載威脅，提升整體穩(wěn)定性。根據(jù)水庫溢洪道泄流量及上游水位監(jiān)測，獲得水庫水位與泄流量參數(shù)變化關系，如圖2 所示。溢洪道庫水位隨泄流量呈遞增態(tài)勢，泄流量每增大5 m3/s，引起水位變化0.5 m。溢洪道下游建設有消能池，坎高0.6～0.8 m，兩側鋪設有水工預制式擋土邊墻結構，有效降低水流沖刷影響。水庫作為地區(qū)重要引水樞紐，設計年最大供水量超過2 000 萬m3，在主壩底部修建有輸水隧洞，采用地下涵管作為輸送管道，埋深超過20 m，底高程220 m，全長超過95 m，分多級輸送水資源，涵管所在基巖層為花崗巖，兩側圍巖均采用混凝土漿砌石硬化。受地下埋深影響和地熱與擾動應力影響，極大威脅巖層穩(wěn)定性，特別容易引起輸水隧洞發(fā)生涌水等滲流現(xiàn)象。為此，工程管理部門考慮對該深引水工程基巖熱力耦合作用下力學與滲透特性開展研究，為引水隧洞工程運營及加固等提供基礎依據(jù)。

圖1 浸潤線與等勢線分布

圖2 庫水位與泄流量參數(shù)關系

1.2 試驗介紹

為研究五寶洞水庫深引水工程基巖受溫度熱作用影響下力學穩(wěn)定性與滲透特性，利用高溫TMC1000 設備開展基巖熱處理。該試驗設備加熱最高至800 ℃，加熱箱最大容量8 L，根據(jù)引水隧洞所處位置，模擬熱作用的高溫分為100、200、300、400、500 ℃，每一個溫度荷載的加熱速率均為0.1 ℃/s，加熱至目標溫度后，恒定4 h，確保試樣受熱均勻。而經(jīng)熱作用后基巖試樣分別按照2 種不同方式降溫，第一種為梯段式降溫，設定分級降溫目標荷載，在每一級目標荷載上停留至少4 h，以100 ℃為1 個梯度，降溫速率為0.01 ℃/s；第二種為直接冷水降溫，目標冷水溫度分別設定有0、20、40 ℃，待溫度降低至室溫后，取出試樣風干干燥。

采用劈裂方式開展基巖熱作用后的拉伸破壞特性研究，以巖石力學試驗機為加載設備，該設備耦合有變形監(jiān)測傳感器，可根據(jù)試驗需要設定不同加載方式，本試驗中全程均為軸向變形控制加載，速率為0.02 mm/min，以上、下墊條式預制路徑的加載方式開展劈裂破壞試驗，如圖3所示。

圖3 劈裂破壞試驗

作為引水隧洞滲流活動性的重要載體，基巖的滲透特性是工程設計重要參數(shù)，特別是基巖出現(xiàn)裂隙后滲透特征。將每一塊經(jīng)劈裂破壞后的試樣放在覆壓滲透裝置中，測試不同靜水圍壓下試樣滲透率變化特征，該覆壓滲透儀精度最低可達10-20m2，而靜水壓力最大可達80 MPa，滲透試驗中設定靜水圍壓分別為10、20、30、40、50、60 MPa。所有試驗樣品均取自引水隧洞工程現(xiàn)場，經(jīng)弱損傷擾動鉆孔后，在室內(nèi)精加工打磨制成直徑、高度分別為50 mm、25 mm試樣，如圖4所示，按照目標試驗方案參數(shù)開展熱損傷力學與滲流試驗。

圖4 劈裂試樣

2 熱作用后劈裂試驗結果分析

2.1 不同熱荷載下劈裂拉伸力學特征

對不同熱作用后花崗巖試樣開展劈裂拉伸試驗，獲得劈裂拉伸應力應變特征，如圖5所示。從圖5 可知，熱處理溫度愈高，試樣劈裂應力水平愈小，特別是在熱處理溫度300 ℃以后，拉伸應力水平差異更為顯著。對比各試樣在相同應變0.1%時，熱處理溫度100 ℃試樣應力為9.7 MPa，而熱荷載200、400、500 ℃試樣同應變下加載應力較前者分別下降12.3%、65.1%、75.3%。分析熱作用后拉伸應力水平差異可知，當采用同一種降溫方式，如梯段式降溫，其內(nèi)部受熱差異性主要體現(xiàn)在熱荷載高低上。當熱荷載較高時，試樣在劈裂前即已產(chǎn)生較大損傷裂隙，其內(nèi)部晶體顆粒均受熱發(fā)生一定膨脹；溫度愈高，則試樣受熱膨脹變形程度愈劇烈，反應為承載應力水平降低的現(xiàn)象[11]。另一方面，在熱處理溫度300 ℃以下時，基巖試樣拉伸應力水平差異性并不顯著，僅在接近峰值時才出現(xiàn)一定幅度差異，在該階段熱處理溫度200、300 ℃試樣與溫度100 ℃之間分別下降18.3%～21.1%、40.8%～53.3%。相比于熱處理400、500 ℃與300 ℃試樣間應力水平差異，熱處理300 ℃以下試樣受熱荷載敏感度較低。筆者認為，花崗巖試樣受熱損傷作用影響，具有一定門檻值。該值與花崗巖內(nèi)部礦物晶體耐熱性有關，熱荷載只有超過該節(jié)點值，才會產(chǎn)生較為顯著的熱損傷效應。從抗拉強度特征參數(shù)對比可看出，熱處理100 ℃下試樣抗拉強度為13.94 MPa，而溫度200、500 ℃試樣抗拉強度較之分別下降21.1%、80%；溫度每增大100 ℃，試樣抗拉強度降低32.2%，而在溫度300 ℃前、后試樣抗拉強度平均降幅分別為19.1%、47.8%，此與前文熱處理溫度門檻值損傷效應相一致。

圖5 不同溫度下試樣拉伸應力應變特征

另一方面，在不同熱處理后的試樣劈裂拉伸過程中，熱荷載愈高，則試樣變形拉伸最大變形及峰值變形均較低，熱荷載100 ℃試樣的峰值拉伸變形和最大應變分別為0.15%、0.19%，而溫度300、500 ℃試樣最大應變分別為0.14%、0.12%。由此可知，熱荷載作用后試樣拉伸應力、變形能力均受到抑制影響，不可忽視熱損傷對晶體顆粒拉伸變形的限制作用。

2.2 不同降溫方式下劈裂拉伸力學特征

根據(jù)熱處理后不同降溫方式試樣劈裂拉伸破壞對比，獲得應力應變特征，如圖6所示。從圖6可知，梯段式降溫方式下拉伸應力水平顯著高于冷水冷卻降溫方式。以加載過程中應變0.1%下梯段式降溫方式加載應力為 10.8 MPa，而 0、20 、40 ℃ 3 種不同降溫方式下加載應力較前者分別下降74.2%、63.7%、35.8%。分析認為，溫度熱作用對基巖的損傷效應主要體現(xiàn)在試樣內(nèi)部出現(xiàn)溫度應力，而梯段式降溫方式有助于控制基巖內(nèi)部溫度應力分布，更趨于均勻性，而不出現(xiàn)局部溫度應力坡降，試樣晶體礦物耐熱與受熱膨脹變形更好，故劈裂拉伸荷載效果較佳[12，13]。從抗拉應力特征參數(shù)對比可知，梯段式降溫方式下抗拉強度為12.76 MPa，而0、20、40 ℃冷水冷卻降溫下試樣抗拉強度較之分別下降了71.8%、54.4%、25.8%，可認為采用梯段式降溫方式更有利于“保護”基巖抗拉效果。從引水工程安全設計角度考慮，當埋深熱應力對基巖產(chǎn)生熱損傷時，輸水渠中應逐步按照水溫分級輸水，確保不因過低水溫產(chǎn)生溫度不均的坡降損傷作用。

圖6 不同降溫方式下試樣拉伸應力應變特征

當采用不同降溫方式后進行劈裂拉伸試驗時，各試樣拉伸彈性模量值以梯段式降溫下為最大，達101 MPa，而0 ℃冷卻水降溫下彈性模量為35 MPa，當冷卻水溫度每增大20 ℃后，其模量參數(shù)平均增大38.2%。相比之下，不同降溫方式下試樣的峰值應變以溫度較高的冷水冷卻試樣更大，40 ℃冷卻水中其峰值應變與最大應變分別為0.13%、0.16%，均高于0、20 ℃冷卻水試樣。分析表明，試樣熱處理溫度與冷卻溫度差距愈大，則受劈裂拉伸荷載引起的變形愈小，這與溫度差導致基巖試樣引起的膨脹變形過大而劈裂拉伸變形較小有關。

3 熱作用后含破裂面滲透特征

冷水降溫方式下試樣滲透率受二次干燥作用影響，本文主要研究梯段式降溫方式下不同熱處理溫度的劈裂拉伸破壞試樣的滲透率變化特征，如圖7所示。從圖7可知，當靜水圍壓增大后，各試樣滲透率均降低，此與圍壓對試樣內(nèi)部裂隙的限制作用有關。圍壓愈大，試樣內(nèi)部孔隙限制較大，密實度提高，進而表現(xiàn)在孔隙率降低，熱處理溫度100 ℃試樣在圍壓20 MPa 下滲透率為1.7×10-15m2，該熱處理溫度下圍壓30、50 MPa下滲透率較前者降低了78.9%、96.8%，圍壓每增大10 MPa，平均可導致該試樣滲透率降低65.9%。當溫度為300、500 ℃時，隨靜水圍壓增大滲透率分別遞減55.3%、43.2%，即熱作用溫度增大后，試樣滲透率受靜水圍壓影響敏感度更低。對比不同溫度熱效應下試樣滲透率，以高溫度熱處理后試樣滲透率水平更低，如同一靜水圍壓30 MPa下熱處理溫度100 ℃試樣滲透率為3.6×10-16m2，而溫度300、500 ℃試樣滲透率分別僅為前者的7%、6%。此現(xiàn)象筆者認為熱處理后試樣趨于延性變形破壞，試樣在峰值拉伸應力后仍具有較強承載能力，這在一定程度上反映了試樣的延性變形在劈裂破壞中占據(jù)主導作用[14，15]；當靜水圍壓增大后，溫度愈高產(chǎn)生的延性變形更強，而延性變形裂隙面受靜水圍壓閉合效果更好，而滲透率水平更低。

圖7 滲透率變化特征

4 結論

（1）熱處理溫度愈高，則試樣劈裂應力水平愈低，承載應力差異在熱處理溫度300 ℃后更顯著，熱處理100 ℃下試樣抗拉強度為13.94 MPa，溫度每增大100 ℃，試樣抗拉強度降低32.2%，但在300 ℃后試樣抗拉強度平均降幅為47.8%。

（2）梯段式降溫方式下拉伸應力水平高于冷水冷卻降溫，0、20、40 ℃冷水冷卻降溫下試樣抗拉強度較梯段式降溫下分別下降71.8%、54.4%、25.8%；彈性模量參數(shù)以梯段式降溫方式下最大，冷水溫度每增大20 ℃，模量增大38.2%，冷卻水溫度愈高則試樣變形愈大。

（3）靜水圍壓增大，滲透率降低，但熱處理溫度愈高，則試樣滲透率受靜水圍壓影響敏感度愈弱，熱處理100、300、500 ℃下圍壓每增大10 MPa，平均可導致該試樣滲透率降低65.9%、55.3%、43.2%；熱處理溫度愈大，試樣延性變形更強，滲透率水平更低。