引水隧洞围岩不同粒径下拉伸力学及渗透试验数据分析

吴燕华

（福建省水利水电工程局有限公司,福建 泉州 362000）

引水隧洞乃是水利工程中重要引水、供水及发电附属水工设施[1-2],其施工及运营稳定性与其内部围岩体安全密切相关,研究引水隧洞围岩力学特征[3-4],对推动隧洞设计及施工技术具有重要意义。针对围岩体稳定性,李勇[5]、贾雪慧等[6]、刘凯等[7]基于隧洞工程特征,采用FLAC 3D 等数值仿真平台建立开挖模型,探讨了隧洞开挖过程中围岩应力、位移演变特征,为工程设计及施工提供了计算参考。杨圣奇等[8]、张宝玉等[9]、孙钰雯[10]从岩石的颗粒流特征入手,借助PFC 等离散元仿真手段建立岩石试样的计算模型,基于单轴及拉伸试验荷载施加方式,探讨颗粒流模型的变形破坏特征,极大丰富了对岩石力学水平的研究成果。室内试验精度较高,任建喜等[11]、杜坤等[12]一方面借助试验设备开展了岩石的单、三轴及拉伸力学试验,分析了其强度、变形特征；而张丽华等[13]、武治盛等[14]借助渗透装置完成了覆压渗透测试及瞬态法加载过程中渗透力学试验,对探讨岩石渗透特性具有推动作用。本文基于福鼎市引水隧洞围岩热力耦合下拉伸力学试验,分析粒径对力学水平影响,探讨力学损伤后围岩试样静压渗透特性。

1 工程试验介绍

1.1 工程背景

为确保福鼎市东南沿海河库水系贯通,提升地区用水安全性,增强供水点面结合、全维度管控、全周期运营的设计水平,预计该工程建设完成后,福鼎市地区供水保障率可达99%,枯水季农业缺水率将低于2%。根据对该工程调查得知,其中海河水系贯通工程中枢设施所在A2 标段,设计投入运营后,最大供水规模达25 万t/d,该标段起点桩号位于ZK2+155～ZK6+282,始终点对应的引水隧洞工程分别为逍遥谷-马冠隧洞、车坪-太阳头隧洞；该标段内围岩岩性包括有花岗岩及弱风化的砂质黏土岩,上覆土层以黏土、砂土、砾石土为主,且局部与围岩体产生夹层,夹杂有泥质软岩土体,从A2 标段隧洞围岩覆盖面占比来看,其中花岗岩占比最大,粒径在不同桩号断面上也有差异,且强度变形均是相比之下最弱,故本文重点研究该类岩体。此两隧洞均采用大断面设计形式,其施工断面见图1,全断面为3.2 m×3.4 m,采用钢拱架结构作为隧洞拱顶初衬形式,而在拱脚及边壁采用混凝土注浆硬化,固化厚度控制在25 cm～35 cm,二次衬砌采用锚杆支护,其间距为80 cm,锚筋为φ18,长度1.5 m,拱底铺设有防渗混凝土,降低地下水径流活动对衬砌断面的影响。根据引水隧洞设计要求,该工程采用多段式设计形态,其中逍遥谷-马冠隧洞共有5 段引水隧洞,轴线长度为7833.1 m,采用DN1600 钢管作为渠道,且建设有调压塔,双进水口设计形式,最大流量为85 m3/s。从衬砌结构施工过程中得知,其衬砌面上不同高程处最大主应力监测结果见图2,当洞口高程愈大,施工期愈往后,愈易引起洞顶处聚集较大主应力,洞顶衬砌结构最大主应力甚至可达1.8 MPa,而在洞底处最大主应力相比前者降低了66.7%,洞顶底大主应力差对围岩抗拉特性乃是较大挑战,特别是在静力施工扰动后,应力重分布下衬砌结构使之进入“应力稳定”期,而衬砌结构导致的洞顶主应力变化对围岩抗拉特性影响必须重视。另一方面,针对该引水工程地质现状调查发现,局部过隧断面出现有富水断层带,从控水、排水角度考虑,其地下水位线高于隧洞实际工作断面,概化图见图3,在此类地层现状下,隧洞围岩极易受到水力渗透活动威胁,很大程度上考量围岩抗渗特性。综合福鼎市引水隧洞A2 标段实际工程现状,考虑针对隧洞花岗岩围岩体开展抗拉力学试验研究,并针对花岗岩粒径影响因素开展TM（热力）耦合试验研究。

图1 隧洞施工断面图

图2 衬砌面不同高程处最大主应力

图3 富水断层概化图

1.2 试验概况

为研究该引水隧洞围岩体粒径影响因素在热力耦合下力学与渗透特性,采用TMC1050 材料力学试验设备开展拉伸力学试验,见图4。该试验设备可完成高温加载与力学加载同步试验,温度最高可加载至600℃,而最大力学荷载可达1000 kN,但由于本文主要研究拉伸力学特性,因而更换力学传感器量程最大为100 kN,不论是温度荷载亦或是力学荷载,均采用电脑程序控制,分别采用电热传导加载与位移方式加载,温度荷载与力学加载速率分别为0.4℃/s、0.02 mm/min,每个试样在加载至目标高温后,恒温4h 再开始拉伸试验,确保试样内部受热均匀。由于加载试验台内温度较高,因而本文试样拉伸变形在室内仅采集轴向变形特征,并用耐高温LVDT 传感器传输数据,最大量程可达15 mm。

图4 TMC1050 试验设备

由于直接拉伸装置在实时高温作用下稳定性较差,特别是两端压头受高温极易发生变形,因而本文采用间接拉伸试验方法完成拉伸热力耦合试验,其加载装置见图5,试样顶、底均设置有刚性垫条。从福鼎市引水工程A2 标段隧洞埋深考虑,设定试验温度分别为20℃（常温）、100℃、180℃、260℃、340℃、420℃、500℃。而根据A2 标段中花岗岩粒径分布,划分为＜1 mm（细粒）、1 mm～4 mm（中细粒）、4 mm～8 mm（中粗粒）、＞8 mm（粗粒）四种粒径研究方案,基于上述不同粒径下拉伸热力耦合试验,探讨隧洞围岩拉伸力学特征。

图5 拉伸试验加载装置示意

由于地层富水带的存在,因而必须考虑围岩渗透特性,特别是围岩在张拉破坏后渗透特性,因而本文在完成热力耦合下的拉伸力学试验后,将含裂隙面的试样放置在静压力渗透测试装置中,研究其损伤效应下渗透特性。由于该静压渗透测试装置最低渗透率可达10-21m2级别,联系A2 标段中围岩实际埋深,设定渗透静水围压分别为10 MPa～60 MPa,梯次为10 MPa。本试验中所有样品均来自福鼎市引水隧洞A2 标段钻孔取样,在室内经精加工打磨后,制备成径高比为2/1 的试样,并且试验前均进行损伤恢复,减弱人工钻、制样对试样内部裂隙的扰动影响,制备好试样见图6,进而按照既定试验方案完成热力耦合下拉伸力学试验及损伤面试样渗透试验。

图6 试验试样样品

2 热力耦合下力学特性

2.1 温度损伤效应

根据对不同温度下试样拉伸力学试验,获得温度损伤效应下围岩体试样拉伸应力应变特征,见图7。从图7 可看出,当温度递增,各温度荷载下试样拉伸应力水平随之并无一致性趋势变化,而是在温度低于340℃时,拉伸应力水平为递减态势,当施加温度荷载超过340℃后,其拉伸应力水平有所增长；当所有试样应变均在0.1%时,常温下试样拉伸应力为10.1 MPa,而温度荷载在低于340℃范围内,如高温180℃、340℃下试样拉伸应力较前者分别减少了47.6%、64%,而温度在超过该范围后,如420℃、500℃下试样拉伸应力较温度340℃下试样分别增长了10.6%、35.2%。由此可知,围岩受温度热荷载效应影响具有变化节点,当超过该节点门槛后,其影响特征发生逆转态势,本试验中该节点温度为340℃；同样,以各试样峰值拉伸应力为例,在热荷载温度20℃～340℃区间内,温度每增长80℃,试样峰值拉伸应力平均损失16.8%,而热荷载温度超过该区间后,其峰值拉伸应力随温度阶梯增长具有平均增幅22.2%。笔者认为,温度损伤效应实质上乃是对颗粒晶体的物理膨胀变形施加影响[15-16],进而导致试样抗拉稳定性产生降低现象,但该围岩体在温度热荷载下所具有的损伤效应乃是具有一定界限,当超过该界限温度后,增大温度热荷载,其所有的颗粒晶体膨胀变形均临近“饱和”,反而会在一定程度上导致了内部颗粒晶体骨架的重构,对内部产生的张拉裂隙会形成重塑,导致试样拉伸应力水平产生上升特征。

图7 围岩试样拉伸应力应变与温度效应关系

从变形特征来看,各试样的线弹性拉伸模量参数受温度热荷载影响与力学特征基本一致,节点温度340℃下拉伸模量为35.45MPa,而常温下、420℃、500℃下试样拉伸模量较前者分别增长了1.95 倍、11%、26.8%。温度不仅改变了试样抗拉特性,且从试样的初始拉伸阶段开始就形成了差异,以高温度下试样峰值应变为最大,温度500℃下试样峰值应变达0.21%,而常温下试样峰值应变仅为0.12%,表明温度荷载可促使围岩体试样由突变型脆性破坏延伸扩展至延性变形特征。

2.2 粒径约束效应

经试验数据处理,获得了不同粒径下试样拉伸应力应变特征,见图8。分析图中应力应变可知,粒径愈大,试样拉伸应力水平愈低,即粒径对围岩体抗拉水平具有约束效应,当拉伸应变加载至0.1%时,细粒试样的拉伸应力为8.19 MPa,而中细粒、粗粒试样的拉伸应力较之分别减少了19%、37.9%。分析认为,当围岩体中颗粒粒径越大,其越容易在拉伸荷载下率先发生屈服,此主要与其内部晶体颗粒的分布不均有关,极易导致试样内部颗粒骨架发生应力集中效应,进而导致试样颗粒出现裂纹较早,故整体拉伸应力水平低于细颗粒试样。从变形特征来看,不同粒径试样的变形模量也有所差异,虽在峰值拉伸应力后均仍存有一定承载能力,但以细粒试样残余承载能力更强,而粗粒试样的峰值应变及最终应变均低于细粒试样,前、后两者试样峰值应变分别为0.1%、0.14%。

图8 围岩试样拉伸应力应变与粒径效应关系

图9为各粒径下试样在不同温度荷载下抗拉强度影响特征。分析可知,围岩试样抗拉强度与温度荷载参数具有二次函数关系,均以温度340℃下为强度最低,细粒～粗粒四种粒径下试样在该温度下抗拉强度分别为6.38 MPa、5.06 MPa、4.22 MPa、3.57 MPa。不同粒径试样中强度最大为细粒,在常温下中细粒～粗粒试样强度与细粒试样强度差幅分布为12.9%～29.8%,而温度增大至100℃后,差幅分布为10.6%～27.5%、,同样温度420℃、500℃下与细粒试样差幅分布为22.4%～56.3%、26%～61.4%,即只要温度未超过节点门槛值,不同粒径下试样抗拉强度差异随温度递增而逐渐减小,但超过节点门槛值后,态势与之相反。

图9 围岩试样抗拉强度影响变化特征

3 损伤效应下渗透特征

根据对拉伸破坏后试样开展静压渗透测试,获得各静水围压下渗透率特征,见图10。从图中可知,静水压力愈大,渗透率均递减[17-18],在中粗粒试样组中,静水压力10 MPa 下渗透率为8.21×10-15m2,而静压每增大10 MPa,试样渗透率随之平均递减71.6%；同样在细粒、中细粒及粗粒试样组中,该递减幅度分别为41.8%、60.5%、78.6%,表明颗粒粒径愈大,试样渗透率受静压影响敏感度更高,也说明了粒径愈大的试样内部颗粒分布差异性愈大。在四种粒径试样组下,细粒试样渗透率最低,分布为4.2×10-18m2～6.7×10-17m2,在静压10 MPa下其他三组与前者渗透率的差幅分布达11.5～564.8 倍,而静压增大至40 MPa、60 MPa 后,与之渗透率差幅分布分别仅1.35～20.4 倍、42.8%～2.5 倍,表明静水压力增大,可缩小不同粗粒围岩试样的渗透率水平差异性,并在一定的大静水压力下甚至各粒径试样渗透率接近一致。

图10 渗透率特征

4 结论

（1）温度对围岩试样影响具有节点门槛值,本试验中该节点温度为340℃,低于该节点时,温度每增长80℃,试样峰值拉伸应力平均损失16.8%,而超过该节点时,随阶梯温度增长具有平均增幅22.2%；高温度下试样峰值应变为最大。

（2）粒径对围岩试样拉伸应力水平具有约束效应,常温下中细粒～粗粒试样强度与细粒试样强度差幅分布为12.9%～29.8%,粗粒试样变形特征低于细粒试样；温度不超过节点门槛值,不同粒径间试样抗拉强度差异减小,但超过节点温度后,差异增大。

（3）静水压力与渗透率具有负相关关系,且颗粒粒径愈大,试样渗透率受静压影响敏感度更高；细粒试样渗透率最低,而静水压力增大,不同粗粒试样的渗透率水平差异性减小,甚至在更高的静水压力中可趋于一致性。水利水电工程作为我国重要的基础设施,能够有效利用水资源,为人们提供生活生产所需的能源,进而达到保护环境、节约资源的建设发展目标。

（4）水利水电工程的施工规模较大、所需投资资金较多、施工难度较高、危险因素较多,一旦水利水电工程施工出现质量问题就容易导致严重的安全事故,造成极大的经济损失,甚至恶劣的社会影响。对此,应当对工程施工阶段与施工现场的质量进行管理和研究总结,不断完善质量管理体系,解决施工阶段的各种问题,提升项目施工质量。本文介绍水利水电工程施工阶段过程中质量管控研究数据,可为施工阶段出现的相关问题提供重要数据支撑,保障工程的质量与施工安全,发挥水利水电工程的功能与效用。