干濕循環下水電站地下硐室圍巖力學特性試驗研究

李長城

(山東省淄博市水利事業服務中心，山東 淄博 255000)

水力能源是我國能源結構中的重要組成成分，水電站是我國水力能源發展的重要基礎[1- 3]。受地下水影響，水電站地下硐室圍巖存在失穩破壞的風險[4- 6]。因此，研究地下水滲流影響下水電站地下硐室圍巖的力學性質對保證水電站長期運營具有重要意義。

現有關于水- 巖耦合作用下巖石力學性質和失穩破壞特征的研究較多。王浩宇等[7]深入探究了水化學影響下紅砂巖動態強度和破壞機理，發現受孔隙水影響，巖石中的膠結物質被溶蝕而使膠結作用弱化，巖石力學性質變差。孫治國等[8]深入分析了水- 巖化學耦合作用下紅砂巖的蠕變力學性質，發現水力侵蝕下紅砂巖的峰值應力產生了不同程度降低。竇子豪等[9]深入分析了水力侵蝕下花崗巖的裂隙剪切力學特性，對不同浸水時間下的花崗巖試樣展開了直剪試驗，發現長時間浸水后花崗巖試樣的彈性模量明顯降低，巖體力學性質明顯劣化。

上述研究主要針對滲流條件下巖石力學性質的變化規律，而未深入研究干濕循環條件對巖石力學性質的影響。文章以我國南方某水電站地下硐室的含泥灰巖為研究對象，在室內展開了不同干濕循環次數下含泥灰巖的物理參數和單軸壓縮力學試驗，深入研究了干濕循環對巖石物理性質的影響。本研究旨在為干濕循環影響下水電站地下硐室突涌災害的防治工作提供一定的理論依據。

1 工程背景與試驗

1.1 工程背景

本研究依托于我國南方某水電站地下硐室建設工程，該水電站是一座以水力發電服務功能為主，同時兼具地方防洪和灌溉等功能的水電樞紐項目。根據現場調查，水電站主要由擋水壩、溢洪道、導流泄洪洞、水電站以及地下廠房等建筑物組成。工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級。大壩為面板堆石壩，壩高46.8m，死水位為840.00m、正常蓄水位為852.00m，設計洪水位848.59m，校核洪水位855.22m，總庫容為7717萬m3。受工程地質條件和水文地質條件限制，地下硐室開挖與支護挑戰較大。且區域內四級地下水位波動明顯，干濕循環對地下硐室圍巖的力學性質影響較大。

1.2 試樣制備

本次試驗研究對象取自我國西南某地區水電站地下硐室工程含泥灰巖試樣，受季節性地下水水位變化影響，地下硐室圍巖受到顯著的干濕交替作用，圍巖的力學性質劣化，存在地層突涌的風險。按照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》[10]，首先從工程現場的巖塊中鉆孔取樣得到直徑為50mm的圓柱巖芯，之后再采用車床干切、高壓水磨將泥質灰巖加工為高度為100mm的標準試樣，試驗組試樣的基本物理參數見表1。

表1 泥質灰巖試樣基本物理參數

1.3 試驗設計

為研究干濕循環影響下水電站地下硐室灰巖物理力學性質的變化規律，利用RMTS- 150型巖石力學測試系統，對不同干濕循環次數條件下的含泥灰巖展開了單軸壓縮力學試驗。其中，干濕循環次數分別為0、10、20和30次。RMTS- 150型巖石力學測試設備的最大軸向荷載2600kN，并利用LVDT對巖石的軸向變形進行檢測。上述試驗設備的控制精度均在0.5%以內。此外，為了全面了解干濕循環對巖石物理性質的影響，同時對不同干濕循環次數下含泥灰巖的基本物理參數(密度、彈性波速和滲透性)展開了測試。

2 試驗結果分析

2.1 密度變化

大量試驗研究表明，材料的質量、彈性波速是反映材料完整性及內部損傷程度的重要參數，而滲透率則能夠表征巖石材料內部空隙的生長、發展狀態。為研究干濕循環條件下巖石基本物理參數的變化規律，探討巖石基本物理特性在干濕循環作用下的劣化效應，對巖石展開了質量和滲透性試驗。對每個干濕循環后的巖石進行質量測試并計算，得到巖石的質量損失率隨干濕循環變化關系，隨著干濕循環處理次數的不斷增加，泥質灰巖的質量不斷降低，質量損失率呈現持續增大趨勢，經過10次干濕循環后最大質量損失率達到2.02%，而經過30次干濕循環后巖石的質量損失率達到7.03%。進一步分析巖石質量損失率與干濕循環次數之間的關系并進行擬合，得到擬合曲線如圖1所示。由圖可知，泥質灰巖的質量損失率與干濕循環次數之間呈線性正相關，線性相關系數R2為0.9948。分析認為，隨著干濕循環次數的增長，水分的存在使巖體內部結構變得松散，且水流沖刷帶走了內部細小顆粒，因此巖石的質量不斷降低。

圖1 含泥灰巖質量損失率隨干濕循環次數變化關系

2.2 滲透性變化

圖2為含泥灰巖滲透率隨干濕循環次數變化關系。由圖可知，隨著干濕循環次數的增加，巖石的滲透性也逐漸增大。初始狀態下，含泥灰巖的滲透率為8.81×10-16m2。隨著干濕循環次數的逐漸增加，巖石的滲透率分別為2.15×10-15、8.32×10-15、2.02×10-14m2。此外，巖石滲透率與干濕循環次數之間成正指數函數關系，即隨著干濕循環次數增加，巖石滲透率也逐漸增大，且增長速率越來越快。

圖2 含泥灰巖滲透率隨干濕循環次數變化關系

2.3 應力應變曲線特征

根據試驗結果，得到不同干濕循環次數下含泥灰巖單軸壓縮應力-應變曲線，如圖3所示。由圖可知，由于天然狀態下含泥灰巖呈應脆性，因此其在峰后應力迅速跌落；此外，含泥灰巖的內部結構密實，應力應變曲線無明顯的壓密特征[11- 12]。相較于未經受干濕循環處理的試樣，干濕循環下的含泥灰巖試樣應力-應變曲線則表現出明顯的孔隙壓縮特征，因此在低應力條件下，巖石試樣應力增長較慢而變形增長較快，曲線呈下凹狀。結合上述物理參數分析結果可知，隨著干濕循環次數的增長，巖石試樣的質量不斷降低，滲透率不斷增大，這是由于干濕循環使得巖體內部結構變得松散，且水流沖刷帶走了內部細小顆粒。由于巖石內部孔隙的持續發育，含泥灰巖的的初始壓密階段也變得更加顯著。

圖3 不同干濕循環次數下泥質灰巖單軸壓縮應力-應變曲線

2.4 力學參數分析

基于含泥灰巖單軸壓縮應力-應變曲線，得到不同干濕循環次數下泥質灰巖單軸抗壓強度、峰值點應變及彈性模量見表2。當干濕循環次數為0時，含泥灰巖的單軸抗壓強度(σc)與彈性模量(Es)分別為78.05MPa、8.77GPa，隨著干濕循環次數的增加，σc相比下降6.44%、18.84%及33.34%，Es則相比降低7.07%、35.46%及44.47%。由此可見，隨著干濕循環次數的不斷增加，泥質灰巖的抗壓強度與彈性模量均逐漸降低，巖石的力學參數不斷劣化。分析認為，在干濕循環過程中，水分的存在導致巖石內部泥質膠結成分被軟化，且在水流沖刷過程中被沖走，因此巖石的力學性質變差。

表2 單軸壓縮下不同干濕循環次數泥質灰巖力學參數

3 結論

對某水電站地下硐室的含泥灰巖進行了干濕循環力學試驗研究，得出如下結論：

(1)干濕循環導致巖石內部膠結物變得松散，內部顆粒被沖走，巖石內部孔隙增多。30次干濕循環后巖石的質量損失率為7.03%，而試樣的滲透性則增長了2個量級。

(2)隨著干濕循環次數的增加，單軸抗壓強度和彈性模量逐漸減小。當干濕循環次數為0時，含泥灰巖的單軸抗壓強度與彈性模量分別為78.05MPa、8.77GPa，隨著干濕循環次數的增加，灰巖的σc相比下降6.44%、18.84%及33.34%，Es則相比降低7.07%、35.46%及44.47%。

(3)本次研究受限于試驗條件，未能對干濕循環條件下巖石力學性質損傷的內部機理展開研究，后續可以利用微觀電鏡掃描深入探討巖石損傷的內部機理。