干湿循环与硫酸盐溶液侵蚀耦合效应下牛路水库引水隧洞围岩力学试验研究

陈佳亮，李世海

(广东水电二局股份有限公司, 广州 511300)

1 概述

水库引水隧洞是引水、蓄水、输水与调度水资源的重要水利设施，研究隧洞断面开挖、衬砌过程中围岩稳定性对确保施工安全、工程质量安全具有重要意义[1-2]，其实质上是针对性探讨围岩在扰动影响下力学稳定性变化。肖亚勋等[3]、张浩男等[4]、谭双等[5]利用微震、声发射等其他监测设备，在隧道、隧洞等人工开挖工程中进行应力、变形监测，从宏、细观角度考虑围岩稳定性，为预判围岩失稳前兆提供参考。由于工程监测时间一般较长，因而王博等[6]、钱军刚[7]、毛浩宇等[8]通过利用颗粒流离散元仿真平台，建立围岩力学计算模型，设计开展围岩力学仿真分析，对仿真模型计算获得的力学特征参数进行分析，探讨围岩在单、三轴等试验条件下力学特征变化，为实际工程设计提供计算参照。室内试验乃是一种较为直接、精度高、高效的研究手段，一些学者根据水利工程中围岩、地基土体等各类岩土体材料，开展力学加载试验，获得了冻融效应、配合比参数等多种因素影响下岩土体力学变化特征，为工程提供了重要试验参数[9-11]。本文根据引水隧洞围岩干湿环境与溶液侵蚀耦合效应，设计有吸湿溶液与干湿循环耦合作用下的岩体力学试验，为工程设计、施工提供基本依据。

2 试验概况

2.1 工程介绍

广州市牛路水库建设项目包含引水隧洞工程，该隧洞设计为单孔洞，但功能多元化设计形式，设计上游入口高程为120 m，设计坡度为0.4%，引水隧洞主洞轴线长约为483.2 m，洞径为3.0 m，隧洞下游主洞后分为两支，分别可用作发电与导流放空，其中发电岔洞长为62.6 m，其后接露天式压力钢管，压力钢管主管长27.3 m，其后再分为3个岔管“卜”形进入厂房机组。支洞长为99.44 m，其后接埋地式压力钢管，总长为13 m，出口采用锥形阀消能。隧洞设置有间距为2 m的φ25 mm锚杆，其长度为4 m，采用十字梅花布设形式，设计有横、纵锚索架立连接，支撑整体隧洞断面围岩稳定性。为减少主洞底部钢混结构应力过于集中，在断面底部不设置锚杆支护，初支采用C20喷射混凝土，厚度为5 cm，二次衬砌采用C25、W6混凝土，厚度为45 cm，并内衬Q345R钢管结构，厚度为18 mm。钢管预留灌浆孔进行回填灌浆及接触灌浆，确保钢管衬砌受力与二次喷射混凝土一致性，以应对各类围岩应力扰动失稳问题，该隧洞主洞断面结构如图1所示。根据调查得知，该隧洞出水口段高程为82.9～93.5 m，地层分布有残坡积土、碎石填土、砾石土等土层，围岩以全风化和强风化花岗岩、灰岩为主，分布类别为Ⅳ、Ⅴ类，地下水位探知处于89.7～90.6 m，部分隧洞段穿越地下水层，经抽样检测，部分洞段局部样水中含有酸性等溶液成分，其对灰岩侵蚀作用属开挖后扰动引起，导致围岩受地下水侵入，局部出现破裂带，稳定性受挑战。另隧洞内设计最长通风距离为528 m，通风风量为408.6 m3/min，风管直径为0.8 m，通风风管沿程阻力损失约为1.3 Pa/m。由于围岩开挖扰动损伤过程中受到地下水侵蚀影响，而且隧洞通风对围岩具有风干作用，其形式与干湿循环过程类似，因而围岩亦受到干湿循环效应影响，故围岩侵蚀与干湿效应两者必须耦合考虑，探讨围岩受损伤下干湿循环与溶液侵蚀耦合效应下力学稳定性。

图1 隧洞主断面示意

2.2 试验介绍

本试验采用GCTS岩石与混凝土材料力学测试系统进行单轴压缩加载试验，其实物示意如图2所示。该试验系统精度以及试验准确度均较为先进。该试验系统中最大荷载可至1 000 kN，加载方式可变换荷载控制、变形控制等多种形式，加载平台内配置有多类型尺寸试样夹具，满足试样径高比为1/2、1/2.5、1/3等尺寸；本文试验中采用轴向变形恒定速率控制，速率为0.02 mm/min；所采用的环向变形传感器量程范围为-15～15 mm，轴向变形传感器包括有LVDT以及内置变形传感器两部分，其中LVDT传感器量程为-20～20 mm，内置变形传感器量程为-15～15 mm，所有传感器在试验前均已标定，最大误差不超过0.5%，确保试验结果可靠性。

图2 GCTS岩石与混凝土材料力学测试系统示意

根据本文试验要求，另设置有干湿循环箱作为干湿循环试验重要控制设备，其中干燥温度控制在60℃，而湿度环境为恒温20℃、湿度98%，控制吸湿与干燥过程均为12 h，另吸湿环境根据隧洞工程围岩所处地段不同，设置有不同浓度吸湿溶液，本文设定吸湿环境溶液为Na2SO4，浓度分别为0 g/L(自然湿润环境)、120 g/L、140 g/L、160 g/L、180 g/L、200 g/L，设定干湿次数分别为0～15次，每个方案间隔3次，共6个方案。试验试样为隧洞主洞口段钻孔取得，在室内精加工打磨后，制备成直径、高度为50与100 mm的试样，在养护箱内养护12 h，后经相应的干湿循环溶液试验后，进行单轴压缩力学试验，获得各组试验力学数据(见表1所示)。

表1 各组试样试验参数

3 围岩侵蚀作用下力学特性

3.1 应力应变特征

根据对灰岩溶液侵蚀作用后力学试验获得应力应变数据，经处理得到不同浓度溶液环境影响下围岩应力应变特征(如图3所示)。从图3可看出：溶液浓度愈高，则灰岩承载应力水平愈低，即溶液吸湿环境下对灰岩承载能力具有显著损伤效应；在干湿循环0次时，相同加载应变为0.5%无化学溶液环境下(浓度为0 g/L)的灰岩试样加载应力为40.2 MPa，而溶液浓度为160 g/L、200 g/L下试样加载应力较之前者分别减少了37.3%、60.9%；笔者认为，当灰岩处于化学溶液环境中，化学离子活动较活跃，阴阳离子运动较广泛，而灰岩内部晶体颗粒与之结合后，可导致颗粒发生电离膨胀效应，造成晶体膨胀变形，进一步挤压颗粒骨架[12-13]，造成灰岩承载能力降低，故表现在加载应力水平与溶液浓度为负相关特征。当试验条件施加有干湿循环后，试样干湿9次，相同应变0.5%时溶液浓度为160 g/L、200 g/L下试样加载应力较之无化学溶液下分别减少了48.3%、80%，表明干湿循环下试样承载应力降幅愈显著，干湿循环作用促进了溶液对灰岩侵蚀效应，侵蚀效应对加载应力影响幅度愈大。

a 干湿循环0次

从灰岩加载破坏全过程可看出，试样经历了线弹性—塑性屈服变形-失稳应力跌落3个阶段变化。在线弹性变化阶段，当侵蚀溶液浓度愈高，则其变形速率愈慢，即弹性模量值愈低，在干湿0次循环试验组中，溶液浓度为200 g/L下试样的线弹性模量为48.84 MPa，而浓度为0 g/L、160 g/L试样的模量值相比前者分别增大了136%、57.2%，当溶液中化学分子进入灰岩内部后，造成硬脆性骨架发生“软化”或“松动”等现象，此均会影响灰岩线弹性变形能力[14-15]。从峰值变形亦可看出，随溶液溶度增大，峰值应变愈大，2个试验组中无溶液环境下试样峰值应变分别为1.05%、0.79%，而溶液浓度为200 g/L 2组试验中峰值应变又分别为1.65%、1.46%，表明牛路水库引水隧洞地下水侵蚀围岩，当水质污染物浓度愈高，围岩受扰动后变形愈大，愈不利于隧洞断面围岩稳定性，衬砌施工时应重点考虑受高浓度污染水质侵蚀的围岩体。

3.2 强度特征

对应力应变数据进行处理，可获得各溶液浓度环境下的灰岩抗压强度变化特征(见图4)。从图4可知：强度与溶液浓度为负相关关系，在干湿循环9次时，浓度为0时试样抗压强度为100.3 MPa，而浓度增大至140 g/L、180 g/L、200 g/L后试样强度较之前者分别减少了29.7%、49.4%、59.5%；从各化学溶液对灰岩侵蚀影响来看，溶液浓度增长20 g/L，在干湿循环0次时强度平均损失了8.9%，而在干湿9、15次时强度平均损耗又分别为15.8%、21.8%，随着干湿次数增多，强度损耗愈显著。分析认为围岩开挖与衬砌过程中，应确保围岩衬砌过程要快，避免发生多次干湿作用。

图4 不同浓度溶液影响下围岩强度变化特征示意

4 围岩干湿循环下力学特性

4.1 应力应变特征

当对不同干湿循环作用下灰岩力学数据处理后，获得干湿效应影响下灰岩试样应力应变曲线(如图5所示)。从图5中可知:干湿次数愈多，则灰岩试样加载应力水平愈低，在加载应变0.6%时干湿0次下试样加载应力为109.8 MPa，而干湿为6次、12次时加载应力相比降低了15.9%、23%，即干湿循环对试样为强度损耗作用。笔者认为，当试样处于干湿循环过程中，岩石内部颗粒孔隙实质上处于充水与放水过程，体积处于扩展膨胀状态，当土体吸收溶液释放的水气后，孔隙饱满膨胀，但在试样经干燥后，孔隙体积无法恢复原状，此时岩石内部孔隙度显著增高，颗粒骨架稳定性大大降低，颗粒间粘结性、咬合度均会受到影响，进而表现在灰岩试样加载应力水平降低的现象[16-17]。从整体应力应变曲线来看，各试样变化趋势基本一致，均具有三阶段变化特征，而差异性仅出现在塑性屈服变形阶段后，线弹性变形阶段中各试样力学特征基本一致，表明干湿循环效应下，灰岩力学敏感度主要出现在屈服强度后，各试样线弹性模量基本稳定在192.2 MPa。当试样处于峰值应力点时，各试样峰值应变以干湿循环次数愈高者为最大，干湿循环6、12次下峰值应变分别为0.91%、1.1%，而循环0次时试样峰值应变仅为0.7%。分析表明，干湿循环作用主要对灰岩屈服变形阶段后有显著影响，以峰值应力、峰值应变为典型变化特征。

图5 干湿循环影响下围岩应力应变特征示意

4.2 强度特征

通过分析灰岩试样应力应变受干湿循环影响，得到试样抗压强度与干湿效应关系特征(如图6所示)。从图6中可知:试样强度与干湿次数具有线性函数关系，且两者为负相关特征，在吸湿溶液浓度为0 g/L时干湿0次下试样强度为116.1 MPa，而干湿6次、12次、15次时强度相比前者分别减少了10.4%、17.8%、23.7%；当吸湿溶液浓度为160 g/L时，干湿6次、12次、15次时强度与0次时的降幅分别为23.7%、41.8%、53%，表明吸湿溶液浓度愈高，试样强度不仅降低，同时损耗差异愈大。从整体降幅来看，在吸湿溶液浓度为0 g/L、160 g/L、200 g/L时，干湿循环增长3次下，灰岩强度降幅分别为5.3%、13.9%、19%，此亦印证了溶液浓度对干湿效应下强度损耗效应的促进作用。笔者认为，引水隧洞围岩在开挖与衬砌过程中，受干湿与侵蚀耦合效应影响，应着重控制地下水位污染质侵入影响，降低干、湿过程循环。

图6 试样抗压强度与干湿循环次数关系示意

5 结语

1) 吸湿溶液浓度愈高，则灰岩承载应力水平愈低，溶液浓度增长20 g/L，干湿循环0次、9次、15次时强度平均损耗分别为8.9%、15.8%、21.8%，干湿次数愈多，强度受吸湿溶液损耗效应愈显著。

2) 灰岩变形破坏过程为线弹性—塑性屈服变形—失稳应力跌落三阶段特征；溶液浓度愈高，试样线弹性模量与峰值应变愈大，干湿0次、9次时吸湿溶液浓度0 g/L下峰值应变分别为1.05%、0.79%，而浓度为200 g/L峰值应变又分别为1.65%、1.46%。

3) 灰岩抗压强度与干湿循环次数具有负相关线性函数关系，在吸湿溶液浓度为0 g/L、160 g/L、200 g/L时，干湿循环增长3次下，灰岩强度降幅分别为5.3%、13.9%、19%。

4) 受干湿循环影响，灰岩力学特征差异性出现在塑性屈服变形阶段后，线弹性变形阶段力学特征呈一致，线弹性模量稳定在192.2 MPa，峰值应变以干湿循环次数愈高者试样为最大。