深引水工程基岩热力特征及渗透特性研究

何子飞

（修水县水利局，江西 修水 332400）

水利工程中深地岩石受埋深高压及高地热影响，其力学稳定性及渗流特征均受限制，研究深地水工设施的岩石力学特征与高热作用关系具有重要意义[1.2]。模拟高地热作用下，研究热处理或热力耦合下岩石力学特征变化，为工程建设提供基础依据[3，4]。明杏芬[5]、李天斌等[6]采用室内试验手段，研究了热-力-液等多物理场耦合下岩石力学特征变化，认为温度对岩石力学影响具有多面性，不一定是损伤作用，但也不一定是补偿效应。梁源凯等[7]、肖旸等[8]采用颗粒流离散元仿真计算手段，通过建立仿真计算模型，分析岩石试样模型在不同高围压或其他物理场耦合条件下试样强度变形规律，特别是研究获得了温度场在岩石试样内部分布状态。以上方法主要是研究耦合温度荷载作用，而研究热荷载作用后岩石力学特征变化以及渗透特性变化，更具实际意义。张海东等[9]、王星辰等[10]通过人工预制裂隙，研究预制裂隙岩石在压缩、拉伸等力学试验中强度变形变化，但未系统研究与渗透特性关系。基于五宝洞水库深引水隧洞工程，对基岩试样开展热处理后劈裂拉伸力学破坏试验，并基于拉伸破坏后含破裂面试样开展静水围压渗透测试，研究渗透水平与热处理、拉伸力学水平间关系，为工程建设提供基础参考。

1 试验概况

1.1 工程背景

五宝洞水库是江西修水县重要水利枢纽，承担着防洪、蓄水及引水功能，设计水位234.2 m，设计库容117.4万m3，最大防洪水位235.97 m。防洪大坝采用土坝与重力式大坝组合形式，土坝顶宽度1.2 m，上、下游坡度分别为1/1.8、1/2，采用砌石护坡形式，厚度0.25 m，坝身铺设有防渗面板，降低坝体内渗流活动，在坝脚处设置排水沟渠，采用混凝土垫层作为渠底衬砌材料。主坝在上游蓄水位234.2 m 时浸润线与等势线分布如图1 所示，浸润线位置较高，表明在坝下基岩层中渗流活动呈现活跃状态。水库建设有溢洪道设施，位于主坝右侧，设计最大泄流量155 m3/s，溢流面过渡段为阶梯型，全过流面宽度11 m，底板高程235.24 m，总长度80 m，采用泄洪闸作为水力控制枢纽，多孔式闸门，配备有预应力锚杆作为闸门支撑结构体系。闸墩经过近年维修加固，采用横、纵连系梁作为荷载传递，降低静水压力及拉伸荷载威胁，提升整体稳定性。根据水库溢洪道泄流量及上游水位监测，获得水库水位与泄流量参数变化关系，如图2 所示。溢洪道库水位随泄流量呈递增态势，泄流量每增大5 m3/s，引起水位变化0.5 m。溢洪道下游建设有消能池，坎高0.6～0.8 m，两侧铺设有水工预制式挡土边墙结构，有效降低水流冲刷影响。水库作为地区重要引水枢纽，设计年最大供水量超过2 000 万m3，在主坝底部修建有输水隧洞，采用地下涵管作为输送管道，埋深超过20 m，底高程220 m，全长超过95 m，分多级输送水资源，涵管所在基岩层为花岗岩，两侧围岩均采用混凝土浆砌石硬化。受地下埋深影响和地热与扰动应力影响，极大威胁岩层稳定性，特别容易引起输水隧洞发生涌水等渗流现象。为此，工程管理部门考虑对该深引水工程基岩热力耦合作用下力学与渗透特性开展研究，为引水隧洞工程运营及加固等提供基础依据。

图1 浸润线与等势线分布

图2 库水位与泄流量参数关系

1.2 试验介绍

为研究五宝洞水库深引水工程基岩受温度热作用影响下力学稳定性与渗透特性，利用高温TMC1000 设备开展基岩热处理。该试验设备加热最高至800 ℃，加热箱最大容量8 L，根据引水隧洞所处位置，模拟热作用的高温分为100、200、300、400、500 ℃，每一个温度荷载的加热速率均为0.1 ℃/s，加热至目标温度后，恒定4 h，确保试样受热均匀。而经热作用后基岩试样分别按照2 种不同方式降温，第一种为梯段式降温，设定分级降温目标荷载，在每一级目标荷载上停留至少4 h，以100 ℃为1 个梯度，降温速率为0.01 ℃/s；第二种为直接冷水降温，目标冷水温度分别设定有0、20、40 ℃，待温度降低至室温后，取出试样风干干燥。

采用劈裂方式开展基岩热作用后的拉伸破坏特性研究，以岩石力学试验机为加载设备，该设备耦合有变形监测传感器，可根据试验需要设定不同加载方式，本试验中全程均为轴向变形控制加载，速率为0.02 mm/min，以上、下垫条式预制路径的加载方式开展劈裂破坏试验，如图3所示。

图3 劈裂破坏试验

作为引水隧洞渗流活动性的重要载体，基岩的渗透特性是工程设计重要参数，特别是基岩出现裂隙后渗透特征。将每一块经劈裂破坏后的试样放在覆压渗透装置中，测试不同静水围压下试样渗透率变化特征，该覆压渗透仪精度最低可达10-20m2，而静水压力最大可达80 MPa，渗透试验中设定静水围压分别为10、20、30、40、50、60 MPa。所有试验样品均取自引水隧洞工程现场，经弱损伤扰动钻孔后，在室内精加工打磨制成直径、高度分别为50 mm、25 mm试样，如图4所示，按照目标试验方案参数开展热损伤力学与渗流试验。

图4 劈裂试样

2 热作用后劈裂试验结果分析

2.1 不同热荷载下劈裂拉伸力学特征

对不同热作用后花岗岩试样开展劈裂拉伸试验，获得劈裂拉伸应力应变特征，如图5所示。从图5 可知，热处理温度愈高，试样劈裂应力水平愈小，特别是在热处理温度300 ℃以后，拉伸应力水平差异更为显著。对比各试样在相同应变0.1%时，热处理温度100 ℃试样应力为9.7 MPa，而热荷载200、400、500 ℃试样同应变下加载应力较前者分别下降12.3%、65.1%、75.3%。分析热作用后拉伸应力水平差异可知，当采用同一种降温方式，如梯段式降温，其内部受热差异性主要体现在热荷载高低上。当热荷载较高时，试样在劈裂前即已产生较大损伤裂隙，其内部晶体颗粒均受热发生一定膨胀；温度愈高，则试样受热膨胀变形程度愈剧烈，反应为承载应力水平降低的现象[11]。另一方面，在热处理温度300 ℃以下时，基岩试样拉伸应力水平差异性并不显著，仅在接近峰值时才出现一定幅度差异，在该阶段热处理温度200、300 ℃试样与温度100 ℃之间分别下降18.3%～21.1%、40.8%～53.3%。相比于热处理400、500 ℃与300 ℃试样间应力水平差异，热处理300 ℃以下试样受热荷载敏感度较低。笔者认为，花岗岩试样受热损伤作用影响，具有一定门槛值。该值与花岗岩内部矿物晶体耐热性有关，热荷载只有超过该节点值，才会产生较为显著的热损伤效应。从抗拉强度特征参数对比可看出，热处理100 ℃下试样抗拉强度为13.94 MPa，而温度200、500 ℃试样抗拉强度较之分别下降21.1%、80%；温度每增大100 ℃，试样抗拉强度降低32.2%，而在温度300 ℃前、后试样抗拉强度平均降幅分别为19.1%、47.8%，此与前文热处理温度门槛值损伤效应相一致。

图5 不同温度下试样拉伸应力应变特征

另一方面，在不同热处理后的试样劈裂拉伸过程中，热荷载愈高，则试样变形拉伸最大变形及峰值变形均较低，热荷载100 ℃试样的峰值拉伸变形和最大应变分别为0.15%、0.19%，而温度300、500 ℃试样最大应变分别为0.14%、0.12%。由此可知，热荷载作用后试样拉伸应力、变形能力均受到抑制影响，不可忽视热损伤对晶体颗粒拉伸变形的限制作用。

2.2 不同降温方式下劈裂拉伸力学特征

根据热处理后不同降温方式试样劈裂拉伸破坏对比，获得应力应变特征，如图6所示。从图6可知，梯段式降温方式下拉伸应力水平显著高于冷水冷却降温方式。以加载过程中应变0.1%下梯段式降温方式加载应力为 10.8 MPa，而 0、20 、40 ℃ 3 种不同降温方式下加载应力较前者分别下降74.2%、63.7%、35.8%。分析认为，温度热作用对基岩的损伤效应主要体现在试样内部出现温度应力，而梯段式降温方式有助于控制基岩内部温度应力分布，更趋于均匀性，而不出现局部温度应力坡降，试样晶体矿物耐热与受热膨胀变形更好，故劈裂拉伸荷载效果较佳[12，13]。从抗拉应力特征参数对比可知，梯段式降温方式下抗拉强度为12.76 MPa，而0、20、40 ℃冷水冷却降温下试样抗拉强度较之分别下降了71.8%、54.4%、25.8%，可认为采用梯段式降温方式更有利于“保护”基岩抗拉效果。从引水工程安全设计角度考虑，当埋深热应力对基岩产生热损伤时，输水渠中应逐步按照水温分级输水，确保不因过低水温产生温度不均的坡降损伤作用。

图6 不同降温方式下试样拉伸应力应变特征

当采用不同降温方式后进行劈裂拉伸试验时，各试样拉伸弹性模量值以梯段式降温下为最大，达101 MPa，而0 ℃冷却水降温下弹性模量为35 MPa，当冷却水温度每增大20 ℃后，其模量参数平均增大38.2%。相比之下，不同降温方式下试样的峰值应变以温度较高的冷水冷却试样更大，40 ℃冷却水中其峰值应变与最大应变分别为0.13%、0.16%，均高于0、20 ℃冷却水试样。分析表明，试样热处理温度与冷却温度差距愈大，则受劈裂拉伸荷载引起的变形愈小，这与温度差导致基岩试样引起的膨胀变形过大而劈裂拉伸变形较小有关。

3 热作用后含破裂面渗透特征

冷水降温方式下试样渗透率受二次干燥作用影响，本文主要研究梯段式降温方式下不同热处理温度的劈裂拉伸破坏试样的渗透率变化特征，如图7所示。从图7可知，当静水围压增大后，各试样渗透率均降低，此与围压对试样内部裂隙的限制作用有关。围压愈大，试样内部孔隙限制较大，密实度提高，进而表现在孔隙率降低，热处理温度100 ℃试样在围压20 MPa 下渗透率为1.7×10-15m2，该热处理温度下围压30、50 MPa下渗透率较前者降低了78.9%、96.8%，围压每增大10 MPa，平均可导致该试样渗透率降低65.9%。当温度为300、500 ℃时，随静水围压增大渗透率分别递减55.3%、43.2%，即热作用温度增大后，试样渗透率受静水围压影响敏感度更低。对比不同温度热效应下试样渗透率，以高温度热处理后试样渗透率水平更低，如同一静水围压30 MPa下热处理温度100 ℃试样渗透率为3.6×10-16m2，而温度300、500 ℃试样渗透率分别仅为前者的7%、6%。此现象笔者认为热处理后试样趋于延性变形破坏，试样在峰值拉伸应力后仍具有较强承载能力，这在一定程度上反映了试样的延性变形在劈裂破坏中占据主导作用[14，15]；当静水围压增大后，温度愈高产生的延性变形更强，而延性变形裂隙面受静水围压闭合效果更好，而渗透率水平更低。

图7 渗透率变化特征

4 结论

（1）热处理温度愈高，则试样劈裂应力水平愈低，承载应力差异在热处理温度300 ℃后更显著，热处理100 ℃下试样抗拉强度为13.94 MPa，温度每增大100 ℃，试样抗拉强度降低32.2%，但在300 ℃后试样抗拉强度平均降幅为47.8%。

（2）梯段式降温方式下拉伸应力水平高于冷水冷却降温，0、20、40 ℃冷水冷却降温下试样抗拉强度较梯段式降温下分别下降71.8%、54.4%、25.8%；弹性模量参数以梯段式降温方式下最大，冷水温度每增大20 ℃，模量增大38.2%，冷却水温度愈高则试样变形愈大。

（3）静水围压增大，渗透率降低，但热处理温度愈高，则试样渗透率受静水围压影响敏感度愈弱，热处理100、300、500 ℃下围压每增大10 MPa，平均可导致该试样渗透率降低65.9%、55.3%、43.2%；热处理温度愈大，试样延性变形更强，渗透率水平更低。