引水隧洞圍巖不同粒徑下拉伸力學及滲透試驗數據分析

吳燕華

（福建省水利水電工程局有限公司,福建 泉州 362000）

引水隧洞乃是水利工程中重要引水、供水及發電附屬水工設施[1-2],其施工及運營穩定性與其內部圍巖體安全密切相關,研究引水隧洞圍巖力學特征[3-4],對推動隧洞設計及施工技術具有重要意義。針對圍巖體穩定性,李勇[5]、賈雪慧等[6]、劉凱等[7]基于隧洞工程特征,采用FLAC 3D 等數值仿真平臺建立開挖模型,探討了隧洞開挖過程中圍巖應力、位移演變特征,為工程設計及施工提供了計算參考。楊圣奇等[8]、張寶玉等[9]、孫鈺雯[10]從巖石的顆粒流特征入手,借助PFC 等離散元仿真手段建立巖石試樣的計算模型,基于單軸及拉伸試驗荷載施加方式,探討顆粒流模型的變形破壞特征,極大豐富了對巖石力學水平的研究成果。室內試驗精度較高,任建喜等[11]、杜坤等[12]一方面借助試驗設備開展了巖石的單、三軸及拉伸力學試驗,分析了其強度、變形特征；而張麗華等[13]、武治盛等[14]借助滲透裝置完成了覆壓滲透測試及瞬態法加載過程中滲透力學試驗,對探討巖石滲透特性具有推動作用。本文基于福鼎市引水隧洞圍巖熱力耦合下拉伸力學試驗,分析粒徑對力學水平影響,探討力學損傷后圍巖試樣靜壓滲透特性。

1 工程試驗介紹

1.1 工程背景

為確保福鼎市東南沿海河庫水系貫通,提升地區用水安全性,增強供水點面結合、全維度管控、全周期運營的設計水平,預計該工程建設完成后,福鼎市地區供水保障率可達99%,枯水季農業缺水率將低于2%。根據對該工程調查得知,其中海河水系貫通工程中樞設施所在A2 標段,設計投入運營后,最大供水規模達25 萬t/d,該標段起點樁號位于ZK2+155～ZK6+282,始終點對應的引水隧洞工程分別為逍遙谷-馬冠隧洞、車坪-太陽頭隧洞；該標段內圍巖巖性包括有花崗巖及弱風化的砂質黏土巖,上覆土層以黏土、砂土、礫石土為主,且局部與圍巖體產生夾層,夾雜有泥質軟巖土體,從A2 標段隧洞圍巖覆蓋面占比來看,其中花崗巖占比最大,粒徑在不同樁號斷面上也有差異,且強度變形均是相比之下最弱,故本文重點研究該類巖體。此兩隧洞均采用大斷面設計形式,其施工斷面見圖1,全斷面為3.2 m×3.4 m,采用鋼拱架結構作為隧洞拱頂初襯形式,而在拱腳及邊壁采用混凝土注漿硬化,固化厚度控制在25 cm～35 cm,二次襯砌采用錨桿支護,其間距為80 cm,錨筋為φ18,長度1.5 m,拱底鋪設有防滲混凝土,降低地下水徑流活動對襯砌斷面的影響。根據引水隧洞設計要求,該工程采用多段式設計形態,其中逍遙谷-馬冠隧洞共有5 段引水隧洞,軸線長度為7833.1 m,采用DN1600 鋼管作為渠道,且建設有調壓塔,雙進水口設計形式,最大流量為85 m3/s。從襯砌結構施工過程中得知,其襯砌面上不同高程處最大主應力監測結果見圖2,當洞口高程愈大,施工期愈往后,愈易引起洞頂處聚集較大主應力,洞頂襯砌結構最大主應力甚至可達1.8 MPa,而在洞底處最大主應力相比前者降低了66.7%,洞頂底大主應力差對圍巖抗拉特性乃是較大挑戰,特別是在靜力施工擾動后,應力重分布下襯砌結構使之進入“應力穩定”期,而襯砌結構導致的洞頂主應力變化對圍巖抗拉特性影響必須重視。另一方面,針對該引水工程地質現狀調查發現,局部過隧斷面出現有富水斷層帶,從控水、排水角度考慮,其地下水位線高于隧洞實際工作斷面,概化圖見圖3,在此類地層現狀下,隧洞圍巖極易受到水力滲透活動威脅,很大程度上考量圍巖抗滲特性。綜合福鼎市引水隧洞A2 標段實際工程現狀,考慮針對隧洞花崗巖圍巖體開展抗拉力學試驗研究,并針對花崗巖粒徑影響因素開展TM（熱力）耦合試驗研究。

圖1 隧洞施工斷面圖

圖2 襯砌面不同高程處最大主應力

圖3 富水斷層概化圖

1.2 試驗概況

為研究該引水隧洞圍巖體粒徑影響因素在熱力耦合下力學與滲透特性,采用TMC1050 材料力學試驗設備開展拉伸力學試驗,見圖4。該試驗設備可完成高溫加載與力學加載同步試驗,溫度最高可加載至600℃,而最大力學荷載可達1000 kN,但由于本文主要研究拉伸力學特性,因而更換力學傳感器量程最大為100 kN,不論是溫度荷載亦或是力學荷載,均采用電腦程序控制,分別采用電熱傳導加載與位移方式加載,溫度荷載與力學加載速率分別為0.4℃/s、0.02 mm/min,每個試樣在加載至目標高溫后,恒溫4h 再開始拉伸試驗,確保試樣內部受熱均勻。由于加載試驗臺內溫度較高,因而本文試樣拉伸變形在室內僅采集軸向變形特征,并用耐高溫LVDT 傳感器傳輸數據,最大量程可達15 mm。

圖4 TMC1050 試驗設備

由于直接拉伸裝置在實時高溫作用下穩定性較差,特別是兩端壓頭受高溫極易發生變形,因而本文采用間接拉伸試驗方法完成拉伸熱力耦合試驗,其加載裝置見圖5,試樣頂、底均設置有剛性墊條。從福鼎市引水工程A2 標段隧洞埋深考慮,設定試驗溫度分別為20℃（常溫）、100℃、180℃、260℃、340℃、420℃、500℃。而根據A2 標段中花崗巖粒徑分布,劃分為＜1 mm（細粒）、1 mm～4 mm（中細粒）、4 mm～8 mm（中粗粒）、＞8 mm（粗粒）四種粒徑研究方案,基于上述不同粒徑下拉伸熱力耦合試驗,探討隧洞圍巖拉伸力學特征。

圖5 拉伸試驗加載裝置示意

由于地層富水帶的存在,因而必須考慮圍巖滲透特性,特別是圍巖在張拉破壞后滲透特性,因而本文在完成熱力耦合下的拉伸力學試驗后,將含裂隙面的試樣放置在靜壓力滲透測試裝置中,研究其損傷效應下滲透特性。由于該靜壓滲透測試裝置最低滲透率可達10-21m2級別,聯系A2 標段中圍巖實際埋深,設定滲透靜水圍壓分別為10 MPa～60 MPa,梯次為10 MPa。本試驗中所有樣品均來自福鼎市引水隧洞A2 標段鉆孔取樣,在室內經精加工打磨后,制備成徑高比為2/1 的試樣,并且試驗前均進行損傷恢復,減弱人工鉆、制樣對試樣內部裂隙的擾動影響,制備好試樣見圖6,進而按照既定試驗方案完成熱力耦合下拉伸力學試驗及損傷面試樣滲透試驗。

圖6 試驗試樣樣品

2 熱力耦合下力學特性

2.1 溫度損傷效應

根據對不同溫度下試樣拉伸力學試驗,獲得溫度損傷效應下圍巖體試樣拉伸應力應變特征,見圖7。從圖7 可看出,當溫度遞增,各溫度荷載下試樣拉伸應力水平隨之并無一致性趨勢變化,而是在溫度低于340℃時,拉伸應力水平為遞減態勢,當施加溫度荷載超過340℃后,其拉伸應力水平有所增長；當所有試樣應變均在0.1%時,常溫下試樣拉伸應力為10.1 MPa,而溫度荷載在低于340℃范圍內,如高溫180℃、340℃下試樣拉伸應力較前者分別減少了47.6%、64%,而溫度在超過該范圍后,如420℃、500℃下試樣拉伸應力較溫度340℃下試樣分別增長了10.6%、35.2%。由此可知,圍巖受溫度熱荷載效應影響具有變化節點,當超過該節點門檻后,其影響特征發生逆轉態勢,本試驗中該節點溫度為340℃；同樣,以各試樣峰值拉伸應力為例,在熱荷載溫度20℃～340℃區間內,溫度每增長80℃,試樣峰值拉伸應力平均損失16.8%,而熱荷載溫度超過該區間后,其峰值拉伸應力隨溫度階梯增長具有平均增幅22.2%。筆者認為,溫度損傷效應實質上乃是對顆粒晶體的物理膨脹變形施加影響[15-16],進而導致試樣抗拉穩定性產生降低現象,但該圍巖體在溫度熱荷載下所具有的損傷效應乃是具有一定界限,當超過該界限溫度后,增大溫度熱荷載,其所有的顆粒晶體膨脹變形均臨近“飽和”,反而會在一定程度上導致了內部顆粒晶體骨架的重構,對內部產生的張拉裂隙會形成重塑,導致試樣拉伸應力水平產生上升特征。

圖7 圍巖試樣拉伸應力應變與溫度效應關系

從變形特征來看,各試樣的線彈性拉伸模量參數受溫度熱荷載影響與力學特征基本一致,節點溫度340℃下拉伸模量為35.45MPa,而常溫下、420℃、500℃下試樣拉伸模量較前者分別增長了1.95 倍、11%、26.8%。溫度不僅改變了試樣抗拉特性,且從試樣的初始拉伸階段開始就形成了差異,以高溫度下試樣峰值應變為最大,溫度500℃下試樣峰值應變達0.21%,而常溫下試樣峰值應變僅為0.12%,表明溫度荷載可促使圍巖體試樣由突變型脆性破壞延伸擴展至延性變形特征。

2.2 粒徑約束效應

經試驗數據處理,獲得了不同粒徑下試樣拉伸應力應變特征,見圖8。分析圖中應力應變可知,粒徑愈大,試樣拉伸應力水平愈低,即粒徑對圍巖體抗拉水平具有約束效應,當拉伸應變加載至0.1%時,細粒試樣的拉伸應力為8.19 MPa,而中細粒、粗粒試樣的拉伸應力較之分別減少了19%、37.9%。分析認為,當圍巖體中顆粒粒徑越大,其越容易在拉伸荷載下率先發生屈服,此主要與其內部晶體顆粒的分布不均有關,極易導致試樣內部顆粒骨架發生應力集中效應,進而導致試樣顆粒出現裂紋較早,故整體拉伸應力水平低于細顆粒試樣。從變形特征來看,不同粒徑試樣的變形模量也有所差異,雖在峰值拉伸應力后均仍存有一定承載能力,但以細粒試樣殘余承載能力更強,而粗粒試樣的峰值應變及最終應變均低于細粒試樣,前、后兩者試樣峰值應變分別為0.1%、0.14%。

圖8 圍巖試樣拉伸應力應變與粒徑效應關系

圖9為各粒徑下試樣在不同溫度荷載下抗拉強度影響特征。分析可知,圍巖試樣抗拉強度與溫度荷載參數具有二次函數關系,均以溫度340℃下為強度最低,細粒～粗粒四種粒徑下試樣在該溫度下抗拉強度分別為6.38 MPa、5.06 MPa、4.22 MPa、3.57 MPa。不同粒徑試樣中強度最大為細粒,在常溫下中細粒～粗粒試樣強度與細粒試樣強度差幅分布為12.9%～29.8%,而溫度增大至100℃后,差幅分布為10.6%～27.5%、,同樣溫度420℃、500℃下與細粒試樣差幅分布為22.4%～56.3%、26%～61.4%,即只要溫度未超過節點門檻值,不同粒徑下試樣抗拉強度差異隨溫度遞增而逐漸減小,但超過節點門檻值后,態勢與之相反。

圖9 圍巖試樣抗拉強度影響變化特征

3 損傷效應下滲透特征

根據對拉伸破壞后試樣開展靜壓滲透測試,獲得各靜水圍壓下滲透率特征,見圖10。從圖中可知,靜水壓力愈大,滲透率均遞減[17-18],在中粗粒試樣組中,靜水壓力10 MPa 下滲透率為8.21×10-15m2,而靜壓每增大10 MPa,試樣滲透率隨之平均遞減71.6%；同樣在細粒、中細粒及粗粒試樣組中,該遞減幅度分別為41.8%、60.5%、78.6%,表明顆粒粒徑愈大,試樣滲透率受靜壓影響敏感度更高,也說明了粒徑愈大的試樣內部顆粒分布差異性愈大。在四種粒徑試樣組下,細粒試樣滲透率最低,分布為4.2×10-18m2～6.7×10-17m2,在靜壓10 MPa下其他三組與前者滲透率的差幅分布達11.5～564.8 倍,而靜壓增大至40 MPa、60 MPa 后,與之滲透率差幅分布分別僅1.35～20.4 倍、42.8%～2.5 倍,表明靜水壓力增大,可縮小不同粗粒圍巖試樣的滲透率水平差異性,并在一定的大靜水壓力下甚至各粒徑試樣滲透率接近一致。

圖10 滲透率特征

4 結論

（1）溫度對圍巖試樣影響具有節點門檻值,本試驗中該節點溫度為340℃,低于該節點時,溫度每增長80℃,試樣峰值拉伸應力平均損失16.8%,而超過該節點時,隨階梯溫度增長具有平均增幅22.2%；高溫度下試樣峰值應變為最大。

（2）粒徑對圍巖試樣拉伸應力水平具有約束效應,常溫下中細粒～粗粒試樣強度與細粒試樣強度差幅分布為12.9%～29.8%,粗粒試樣變形特征低于細粒試樣；溫度不超過節點門檻值,不同粒徑間試樣抗拉強度差異減小,但超過節點溫度后,差異增大。

（3）靜水壓力與滲透率具有負相關關系,且顆粒粒徑愈大,試樣滲透率受靜壓影響敏感度更高；細粒試樣滲透率最低,而靜水壓力增大,不同粗粒試樣的滲透率水平差異性減小,甚至在更高的靜水壓力中可趨于一致性。水利水電工程作為我國重要的基礎設施,能夠有效利用水資源,為人們提供生活生產所需的能源,進而達到保護環境、節約資源的建設發展目標。

（4）水利水電工程的施工規模較大、所需投資資金較多、施工難度較高、危險因素較多,一旦水利水電工程施工出現質量問題就容易導致嚴重的安全事故,造成極大的經濟損失,甚至惡劣的社會影響。對此,應當對工程施工階段與施工現場的質量進行管理和研究總結,不斷完善質量管理體系,解決施工階段的各種問題,提升項目施工質量。本文介紹水利水電工程施工階段過程中質量管控研究數據,可為施工階段出現的相關問題提供重要數據支撐,保障工程的質量與施工安全,發揮水利水電工程的功能與效用。