核电厂取排水工程软岩水理特性试验研究

陈海军，柯 松，韩孝峰

(南京水利科学研究院， 江苏 南京 210029)

软岩广泛存在于工程建设中，是一类强度低、孔隙率大、胶结程度差，受构造面切割及风化影响大的岩石[1]。软岩受水的影响很大，甚至会遇水短时间崩解、软化，从而导致力学性能大幅降低，影响工程建设。国内外学者对于软岩进行了一系列的研究，并取得了丰硕的成果。Bekar等[2]通过室内试验，分析了红层软岩的形态特征和微观结构；黄生文等[3]通过现场勘察和微观研究，分析了泥质粉砂岩的宏观和微观特性；邱恩喜等[4]对红层软岩的路用工程性质进行了研究。这些研究在一定程度上揭示了软岩的工程特性，但对于软岩的水理特性研究还有待加强，需进一步深入。

巴基斯坦某核电厂位于印度洋之滨。K-2/K-3项目是中巴两国“经济走廊”的重要组成部分。整个取排水工程经前期勘察得知岩层分为强风化泥岩、中风化泥岩、微风化泥岩、强风化泥质砂岩、中等风化泥质砂岩。核电厂取排水工程主要由明渠与输水隧洞组成，常年与水接触，因此对取排水工程软岩水理性质的研究是很有必要的。从膨胀性、耐崩解性及软化性三个方面对取排水工程软岩水理性质进行研究，有助于工程设计和建设的顺利进行。

1 试验方法

试验所用的试样均来自巴基斯坦某核电厂取排水工程，在现场取样后，立即用塑料布、锡箔包裹，再以石蜡封存，让其处在天然含水率状态。为防止试样长途运输损坏，将封存好的试样装在木箱里，在木箱两端及底部垫木屑。

在实验室内，根据《工程岩体试验方法标准》[5]中各试验试件尺寸要求，加工试样，尺寸误差控制在±5 mm以内。采用机械及手工台加工的方法进行加工，加工时避免着水。

1.1 膨胀性试验

膨胀性试验由自由膨胀率试验、侧向约束膨胀率试验和膨胀压力试验组成。

自由膨胀率试验：取泥岩和泥质砂岩各5个试样，将试样放入自由膨胀率试验仪内，记下千分表的读数，加入水让其自由膨胀，直至达到稳定后，再次记下千分表的读数。

侧向约束膨胀率试验：取泥岩和泥质砂岩各5个试样，将试样放入金属环中，并在其上加5 kPa的持续压力，记下千分表的读数，直至达到稳定，再次记下千分表的读数。

膨胀压力试验：取泥岩和泥质砂岩各5个试样，将试样放在金属环中，对试件进行逐级加压，读出试件变形测表的读数，缓慢向容器里加水，在调节所施加的荷载时要保证试件厚度始终不变，直到测表读数基本不变。

1.2 耐崩解性试验

取泥岩和泥质砂岩各5件，制成浑圆状试样，将其装入筛筒内，在105～110 ℃下烘干24 h，冷却至室温称量，然后浸水，重复烘干、浸水操作，一般以两次循环耐崩解指数表征岩石耐崩解性。

1.3 单轴抗压强度试验

取6组试件，每组2个，将每组中的1个试件浸水48 h，另1个在105～110 ℃条件下烘干。分别通过材料试验机进行加载，直至试件破坏。

2 软岩膨胀性研究

2.1 膨胀性参数

岩石的膨胀性通常可以用以下参数表示和计算。

1)自由膨胀率。自由膨胀率试验所测的膨胀包括轴向和径向两个方向，因为径向膨胀率很小，故只研究了轴向膨胀率，计算公式如下:

(1)

式中：VH为轴向自有膨胀率；ΔH为试件轴向变形值(mm)；H为试件高度(mm)。

2)侧向约束膨胀率。计算公式如下：

(2)

式中：VHP为侧向膨胀率；ΔH1为试件的轴向变形(mm)；H为试件高度(mm)。

3)膨胀压力。计算公式如下:

(3)

式中：PS为膨胀压力(MPa)；F为轴向荷载(N)；A为试件截面面积(mm2)。

2.2 膨胀性试验结果及分析

软岩遇水膨胀，会造成滑坡、隧洞坍塌等一系列工程问题。为探明该取排水工程两种软岩膨胀特性，分别采集了5组具有代表性的试样进行膨胀性试验和含水率测定，结果如表1所示。

表1 软岩膨胀性指标与含水率

由表1可知泥质砂岩的轴向膨胀率小于1%，侧向约束膨胀率也较小；泥岩的轴向膨胀率和侧向约束膨胀率比砂岩大，且轴向膨胀率、膨胀压力与含水率关系密切，分别见图1和图2。

图1 泥岩轴向膨胀率和含水率曲线

图2 泥岩膨胀压力和含水率曲线

由图1、图2可以看出：

1)泥岩的轴向膨胀率与含水率可以用线性关系表示，即

VH=7.325 2-0.348 7ω

(4)

表明泥岩的轴向膨胀率随含水率的增大而减小，当含水率接近21%时，轴向膨胀率接近0，故泥岩的饱和含水率不会超过21%。

2)泥岩膨胀压力与含水率线性相关，即

PS=2.093 8-0.092 9ω

(5)

式(5)表示泥岩膨胀压力随含水率的增大而减小，当含水率接近0时，膨胀压力最大可以接近2 MPa。

软岩之所以会产生膨胀可以归纳为：1)水进入岩体的颗粒内部，产生膨胀力，由于颗粒晶体间膨胀力的作用产生裂隙，使得水分进入，进而使得岩体膨胀[6]；2)岩体内部颗粒逐渐脱离联结，使得孔隙变大，吸收水分。

3 软岩耐崩解性研究

3.1 崩解机制

岩石崩解具有双重机制：1)膨胀机制。岩石内含有膨胀性的黏土矿物，遇水后亲水矿物吸水膨胀引起岩石膨胀变形，最后崩解；2)盐类溶解机制。岩石内部空隙中含有可溶性盐，遇水后可溶性盐溶解造成水与黏土矿物充分接触，从而引起岩石崩解。通常这两种破坏机制共同发挥作用[7-8]。

由于泥岩与泥质砂岩中含有较多的石膏和可溶性盐，当有外水浸入时可溶性盐就会溶于水，导致颗粒之间的联结减弱，从而导致岩石解体。水进入孔隙中同时会引起泥岩及砂岩发生膨胀变形，加剧内部颗粒的破碎崩解，容易使岩体变形过大甚至造成破坏[9]。

3.2 耐崩解性结果及分析

耐崩解性试验可以通过两次烘干、湿润循环后，评估出岩石抵抗软化和崩解的能力，用耐崩解性指数来表征岩石的耐崩解性。依据试验方案进行试验，根据试验记录数据，并且按照公式(6)计算。

(6)

式中：Id2为岩石两次循环耐崩解指数；mr为残余试件烘干质量(g)；md为原试件烘干质量(g)。试验结果见表2，甘布尔岩石耐久性分类见表3。

表2 软岩耐崩解性指数试验结果

表3 甘布尔耐崩解性分类

由表2看出泥岩的两次循环耐崩解性指数主要分布在40%～50%范围内，砂岩两次循环耐崩解性指数主要分布在40%～50%范围内，也有小部分大于60%。按表3甘布尔崩解性分类，泥岩属于低耐久性软岩，砂岩主要是低耐久性软岩，小部分为中等耐久性软岩，这也说明取排水工程的软岩耐久性差。取排水工程软岩受环境影响很大，在干湿循环过程中极易崩解破碎，此时的抵抗力就变得很小，很难再满足工程要求。

4 软岩的软化性研究

软岩遇水后会出现软化现象，对于软岩的软化机制通常有两种观点，一种认为是由于软岩内部的不均匀应力造成的，另一种认为是由于岩溶导致的。含水率对岩石有削弱作用，使得其抗压强度明显降低，从而影响工程的稳定性[10-11]。

岩石的软化性通常用软化系数来衡量，软化系数通过式(7)计算[12]。

KF=RW/RC

(7)

式中：KF为软化系数；RW为岩石浸水后的抗压强度；RC为岩石干燥时的抗压强度。岩石的软化系数越小则软化性越大，强度相差越明显，受水的影响也越大。对两组软岩分别做饱和及干燥单轴抗压强度试验，每组6个试件，试验结果如表4所示。

表4 软岩单轴抗压强度试验结果

由表4可知水对软岩的单轴抗压强度有着显著的影响，饱和后的软岩强度下降非常明显，两组软岩的软化系数均小于0.2，水稳定性差，属于极软岩的范畴。当水浸入软岩后顺着裂隙浸润自由面上的矿物颗粒，削弱了颗粒间的联结，使得宏观裂隙滋生扩张，造成了软岩饱和抗压强度与干燥抗压强度有明显区别[12]。

5 结束语

通过对巴基斯坦某核电厂取排水工程的软岩进行膨胀性、耐崩解性及软化性试验研究，主要得到以下3点结论。

1)随着含水率的增大，泥岩的轴向膨胀率、膨胀压力呈线性减小；随含水率的变化，砂岩自由膨胀率变化不明显。

2)经崩解性试验表明两次循环耐崩解指数主要处于30%～60%之间，软岩具有较强的崩解性。

3)软岩的单轴抗压强度受含水率的影响很大，软化系数很小，水稳定性差，具有明显的软化现象。一般来说含水率越大，岩石的单轴抗压强度就越低，反之亦然。

核电厂取排水工程软岩受水的影响极大，如果解决不好软岩遇水的问题，极有可能造成工程的损失。因此在设计时要充分考虑取排水工程渠道及隧洞渗水、隔水问题，施工时要做好衬砌及隔水等措施。