不同含水率下金沙峡水电站灰岩动力学特性研究

贾汝铎，许汉华

(1.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 730000；2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，昆明 650051；3.云南省岩土工程与地质灾害重点实验室，昆明 650051)

随着地下空间工程的快速发展，如隧道围岩开挖、矿体爆破及机械钻凿等动态开挖效应引起的岩体活动[1]经常性引发围岩体的应力场调整、结构劣化，使得围岩体处于冲击荷载作用环境继而诱发围岩失稳，带来巨大人员伤亡和经济损失[1-5]。天然矿体或围岩体内部包含着大量的原生或次生裂隙，特别是富水环境中的岩体，受到地下水渗透作用的影响，水-岩作用易导致岩体力学特性劣化、加剧岩体失稳。因此，岩体开挖过程中为达到减防灾目的，对岩体的动力学特性研究从未停止[6-8]。

水-岩耦合引起的围岩体强度劣化及稳定性降低一直是水利工程领域备受关注的问题之一，特别是水利水电工程中导流渠及输水管道岩体水岩耦合作用下的岩体稳定性及强度劣化关系到工程安全运营。岩体开挖过程中，机械开挖强度的增强实则提高冲击波的输入强度，冲击荷载扰动作用也极易导致富水围岩体发生失稳，这对岩体的安全运营机制产生影响[9-11]。对此，许多学者对不同含水状态岩体进行了动力学试验研究。袁璞等[8]研究发现，自由水的表面张力和Stefan效应抑制了裂纹动态扩展，而裂纹扩展阻力、动态强度与含水状态呈正相关；Friedman等[9]基于动力学试验测试了水岩作用下灰岩动力学性能，表明抗冲击强度与含水率呈负相关而破碎程度与含水率呈正相关。楼沩涛[10]基于动力学试验研究了花岗岩的动态应变特征，表明加载速率对饱和花岗岩的抗拉强度具有显著影响。Huang等[11]研究了动静组合加载条件下砂岩抗拉力学参数与含水状态的相关性。焦隽隽等[12]对以砂岩进行了干湿循环试验和单轴压缩试验以及压汞试验，分析了干湿循环条件下含水率、纵波波速、静态力学特性以及孔隙微观特性，表明水岩作用对砂岩具有劣化特性。由以上分析可知，岩体含水状态对动态应变特征及力学参数具有显著影响，关注动态力学扰动环境下的富水岩体强度和稳定性对于揭示岩体失稳机理具有很大帮助。

本文以金沙峡水电站压力管道段位(大通河右岸)的灰岩为试验材料，以RMT-150C实验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)为试验装置对不同含水率的灰岩进行了单轴压缩和动态冲击试验，主要分析灰岩静态力学、动态应力-应变形态、动态力学参数、纵波波速及灰岩微观结构特征，进而研究冲击荷载下灰岩的动力学响应特征。

1 试验材料及装置

1.1 试样制备

试验材料为金沙峡水电站大通河右岸的灰岩，主要矿物为石英及黏土，呈暗灰色。为降低试验离散性，试验岩样取自同一块岩体，尺寸约为40 cm×40 cm×30 cm，密封后运回实验室。将岩芯切割、打磨后加工成1∶1的标准圆柱试样，尺寸为D×H=50 mm×50 mm，两端面平整度小于0.02 mm。考虑到试验灰岩的低渗、低孔隙特征，将同一批灰岩试样进行同一条件下的强制饱水处理(饱水压强为1.50 MPa)，如图1a所示。通过控制时间间隔(24 h)分别取出岩样并擦干封存，测试岩样的平均含水率记作ω(%)，依次测试5组，包括5种含水率，共15个试样。对不同含水率灰岩试样进行编号为DL-i，D表示Dynamics，L表示limestone，i表示次序，平均含水率分别为0.75%、1.38%、2.59%、3.88%和5.64%。干燥灰岩的电镜扫描试验获取了SEM图像(500倍)，如图1b所示，灰岩细观颗粒分布均匀、无明显裂隙。

1.2 试验装置

1.2.1 试验设备

试验装置为中南大学李夕兵教授基于常规霍普金森压杆(SHPB)研制的试验系统[7]，如图2所示。试验入射杆、透射杆、冲击杆以及缓冲杆的材料均为40Cr高强合金钢，满足试验要求。入射杆、透射杆长度为2.50 m，具有传递和透射冲击波作用；冲击杆为长0.40 m的纺锤形子弹，由高压气体激发产生冲击波使岩样破裂。冲击波采集及显示装置分别为2021AS超动态应变仪和855E型示波仪，集分辨率为10 bit/D，显示频率阈值为0.01 Hz。子弹的冲击速度由激光测速仪测试，冲击波通过黏贴在入射杆和透射杆上的应变片捕捉，分别将透射波、入射波及反射波传递给示波器。数据采集系统对试验数据具有显示、存储、处理和转换功能。

1.2.2 测试原理

试验时高压气体设置为0.20 MPa为子弹提供近似冲击强度。子弹冲击入射杆产生的冲击波，一部分在岩石-入射杆界面发生反射形成反射波，另一部分被岩样透射形成透射波。图2b中，右侧应变片捕获入射波和反射波，左侧应变片捕获透射波。根据一维应力波理论[7-8]，假设实测时刻t时入射波、反射波及透射波对应的入射应力、反射应力和透射应力分别σI(t)、σR(t)和σT(t)，则灰岩中平均应力σ(t)为

(1)

灰岩平均应变ε(t)为

(2)

根据应力均匀性假定，入射应力、反射应力及透射应力的等效关系为

σI(t)+σR(t)=σT(t)

(3)

岩样的平均应力和应变分别为

(4)

(5)

式中：As、Ae分别为试样、入射杆的有效截面积，mm2；H为岩样高，mm；ρe、Ce分别为入射杆和透射杆的密度(kg/m3)及波速(m/s)。

基于数据驱动深度学习方法的无线信道均衡 ………………………………………… 杨，李扬，周明拓 24-2-25

1.3 试验方案

试验步骤包括：①调试试验装置以确保入射杆、透射杆和缓冲杆满足“三杆一线”，调试子弹的冲击速度，大致为1.50 m/s(0.20 MPa气压)，以保证数据采集正常。②将灰岩依次编号为DL-1～DL-15，以平均含水率为0.75%、1.38%、2.59%、3.88%和5.64%分组；将岩样置于入射杆-透射杆中间，涂抹耦合剂确保接触良好；利用胶带固定岩样，防止因振动而导致岩样脱落导致试验失败。③安装防爆容器，防止破碎岩块飞溅；发射子弹撞击入射杆产生冲击波，应变片捕获冲击波。

2 试验结果与分析

2.1 灰岩静态力学特征

为比较灰岩的静态力学参数及动态应变特征的差异性，对同一批灰岩(D×H=50 mm×100 mm)在RMT-150C实验机上进行了单轴压缩试验，获得静态应力-应变曲线，如图3所示，可以看出，灰岩的静态应力-应变曲线总体经历了原生裂隙压缩密实(OA段)、弹性变形(AB段)、新裂隙萌生与稳定扩展(BC段)、裂隙快速萌生并非稳定贯穿(CD段)以及破坏阶段(DE段)。灰岩的单轴抗压强度(σc)及峰值应变分别为44.86 MPa，0.009 7，弹性模量(Ec)为6.21 GPa。

图3表明，应力加载初期，原生裂隙被逐渐压缩密实，静态应力-应变曲线缓慢爬升，刚度被逐渐强化。随应力继续增大，灰岩内部原生裂隙基本被完全压缩闭合，静态应力-应变曲线近似线性增长，进入弹性变形阶段。张茹等[13]研究认为，干燥岩石在弹性变形段无塑性变形发生，几乎没有新裂隙的萌生。应力的持续加载导致灰岩进入新裂隙萌生与稳定扩展阶段，内部出现原生裂隙扩展及新生裂隙萌生，裂隙数量及尺寸相对增多、增大，初期损伤的累积导致静态应力-应变曲线的增幅逐渐减缓，塑性变形显著。随着应力持续加载，新生裂隙快速萌生、原生裂隙急剧扩展，岩样表面的微裂隙贯通形成宏观裂隙，静态应力-应变曲线屈服程度显著。此时，岩样裂隙快速萌生并呈非稳定贯穿，宏观裂隙扩展速度显著增大，静态应力-应变曲线达到峰值点。该过程伴随着清脆的断裂声、局部岩块的弹射现象出现。前期累积的应变瞬间释放，表面形成的宏观破裂滑移面，静态应力-应变曲线迅速跌落，岩样呈脆性破坏。

2.2 动态应力-应变形态特征

基于试验方案对平均含水率为0.75%、1.38%、2.59%、3.88%和5.64%条件下的灰岩进行冲击动力学试验。由于篇幅限制，分别给出典型动态应力-应变曲线及典型冲击波波形(见图4)。图4a表明，灰岩动态应力-应变曲线与图3中的静态应力-应变曲线具有显著差异，动态应力-应变曲线大致经历了弹性变形(oa段)、屈服变形(ab段)、破裂变形(bc段)。相比图3，动态应力-应变曲线未出现明显压缩密实阶段而直接进入弹性变形，这是由于高速冲击荷载下灰岩平均应变率较大，内部产生瞬态变形，极短暂时间来不及发生压缩密实而直接产生弹性变形[9]。

图4a表明含水率大小对动态应力-应变曲线路径具有显著影响，灰岩含水率增大，动态应力-应变曲线相对缩短，峰值强度及峰值应变减小，弹性变形阶段的线性斜率与含水率大小呈负相关。这是由于含水率愈大，灰岩脆性的劣化越明显，相同冲击速度下的弹性变形越小。相比静态应力-应变曲线，动态应力-应变曲线相对更加光滑，不同演化阶段的过渡更加紧密，特别是弹性变形到塑性变形的过渡具有一致性。动态应力-应变曲线的演化特征包括线弹性、弹塑性和塑性软化3个阶段，当应力达到80%动态峰值应力时，动态应力-应变曲线逐渐减缓，达到峰值强度后快速下降，这与既有研究[5]结果一致。

2.3 动态力学参数软化特征

不同平均含水率下灰岩的动态峰值应力(σd)、峰值应变(εd)及弹性模量(Ed)及破坏类型如表1所示。可知，含水率为0.71%～0.78%、1.36%～1.44%、2.44%～2.67%、3.64%～4.15%、5.50%～5.72%时，动态峰值应力、峰值应变及弹性模量的变化范围分别为22.87～55.84 MPa、0.429%～1.102%和3.97～7.54 GPa。平均含水率为0.75%的动态峰值应力最大，变化范围为52.09～55.84 MPa，表明较小含水率未对灰岩产生较大影响，岩样抗冲击能力最大。平均含水率为1.38%、2.59%、3.88%和5.64%的动态峰值强度范围为52.09～55.84、39.97～43.45、37.15～38.52、26.33～29.05、22.87～24.50 MPa，平均值分别为41.68、37.78、27.55和23.49 MPa；相比平均含水率为0.75%，分别降低了23.01%、30.22%、49.11%和56.61%，水-岩弱化作用逐渐增大。

表1 灰岩的动态冲击试验结果

2.3.1 动态峰值应力-应变特征

不同平均含水率下灰岩动态力学参数的柱状分布，如图5所示，可以看出，灰岩力学参数均随含水率的增大而逐渐减小。图5a表明，平均含水率为1.38%时，平均动态峰值应力相比平均含水率为0.75%减小了23.01%；平均含水率为2.59%时，平均动态峰值应力相比平均含水率为1.38%下的减小9.36%。灰岩平均含水率为3.88%的平均动态峰值应力相比平均含水率为2.59%灰岩减小了27.08%，平均含水率增加到5.64%的平均动态峰值应力相比平均含水率为3.88%降低了14.73%。可知，动态峰值应力随平均含水率增大而降低，岩样软化程度增大。

灰岩的动态峰值应变与峰值应力的发展趋势相似，平均含水率越大，破裂时的动态峰值应变越小，动态峰值应变具有软化特征。图5b为不同平均含水率下动态峰值应变的柱状分布，平均含水率由0.75%增大到1.38%、2.59%、3.88%和5.64%时，其平均动态峰值应变分别降低17.52%、24.46%、40.01%、64.90%，水-岩作用对应变软化程度增大。由此可知，动态峰值应变在平均含水率为2.59%时降低程度增大，表明含水率大于2.59%时灰岩内部损伤累积最显著，进而降低抗冲击能力。平均动态峰值应变与平均含水率为指数关系，这与砂岩的动态应变特性[7]具有一致性。

2.3.2 动态弹性模量演变特征

不同平均含水率下灰岩动态弹性模量的柱状分布，如图5c所示，灰岩的动态弹性模量范围分别为7.18～7.54、6.97～7.04、6.39～6.41、4.78～5.24、3.97～4.54 GPa。相比平均含水率0.75%，平均含水率为1.38%、2.59%、3.88%和5.64%时的平均动态弹性模量分别衰减36.67%、95.67%、242.67%、311.33%，衰减程度显著逐渐提高。

灰岩的平均动态弹性模量在平均含水率为2.59%时发生转折，相比平均含水率0.75%，平均含水率2.59%下动态弹性模量降低了12.96%；相比平均含水率2.59%，平均含水率5.64%下的动态弹性模量降低了33.58%，相比前者的衰减程度显著增加，这与前文分析的灰岩强度趋势基于一致。由此表明，灰岩宏观上抵抗弹性变形的能力被显著弱化，这是由于含水率的增大提高了灰岩矿物颗粒、裂隙界面的润滑作用[15]，导致岩体稳定性降低。

2.4 灰岩纵波波速演变特征

水工隧道或富水围岩体中的水-岩作用是导致岩体稳定性降低不可忽略的因素，引起岩体强度降低以及次生软化现象，这是由于岩石矿物成分决定着细观结构，矿物组构中的长石、黏土矿物等遇水较易发生水解，加剧微裂隙的形成进而产生损伤。对灰岩饱水过程中，渗透水通过原生裂隙或节理渗入岩体结构后可在矿物表面形成润滑水膜，对岩体内部结构面具有润滑与溶蚀作用，导致岩体结构摩擦力降低，次生裂隙引起灰岩的次生软化效应。

2.4.1 纵波波速与含水率关系

基于声波测速法分别测试了干燥灰岩及不同含水率状态下灰岩岩样的纵波波速。不同平均含水率下灰岩纵波波速的演化特征，如图6所示。随着平均含水率的增大，不同平均含水率下的波速分别为2 861.83、2 637.56、2 433.50、2 210.66、2 157.67 m/s，总体呈“先快速衰减，后缓慢减小”的趋势，含水率分界点为2.59%，这与灰岩力学参数软化规律相同。相比干燥灰岩(2 900 m/s)，平均含水率为0.75%、1.38%、2.59%、3.88%和5.64%条件下的波速分别降低了1.32%、9.17%、17.68%、28.33%和33.58%，波速衰减程度与平均含水率呈正相关，表明水岩-软化效应显著提高。回归分析表明，灰岩平均波速(VP)与平均含水率(ω)呈指数函数关系：

(6)

式(6)表明，灰岩波速随着平均含水率增大而呈一阶指数函数衰减。这是由于随着饱水时间增加，水岩溶蚀作用导致灰岩中产生大量微裂隙等微缺陷，导致岩样内部的方解石及黏土等矿物不断溶解，造成微孔隙的扩展和贯通，损伤程度增大，因而导致声波能量耗散增加，并最终引起波速衰减。为此有必要探究灰岩的微观结构特征如孔隙度及内部溶蚀程度与含水率的关系。

2.4.2 软化系数与含水率关系

水-岩作用提高了灰岩内部裂隙界面溶蚀程度，诱使内部裂隙逐渐萌生并不断贯通，渗透性逐渐提高而完整性降低。引入水-岩作用下工程岩体的次生软化程度指标，进而通过纵波波速(V0为干燥波速，km/s；Vi为平均含水率下的平均波速，m/s)定义灰岩的软化系数(Kd)：

(7)

由式(7)表明，Kd=0时灰岩几乎不发生劣化，Kd越大时灰岩内部因水岩溶蚀作用引起的孔隙度越大，强度等力学参数的软化程度越大。不同平均含水率下灰岩软化系数的演化特征(见图6)与灰岩波速发展趋势相反，灰岩软化系数随平均含水率增大呈逐渐增大发展趋势，但增长幅度在逐渐减缓。由此可见，灰岩的软化程度对饱水敏感程度略有降低趋势，这与焦隽隽等[12]研究一致。分析认为，灰岩内部存在的大量原生裂隙，水-岩作用诱使原生裂隙的不断扩展与贯通，促使新生裂隙不断萌生，进而导致灰岩力学特性发生劣化。回归分析表明，灰岩软化系数与平均含水率(ω)呈对数函数关系：

Kd=0.997 6+ln(ω-0.002 5)

(8)

2.5 不同含水率灰岩碎块的微观结构特征

为研究含水率对灰岩碎块的微观结构特征，基于力学试验灰岩碎块进行了电镜扫描试验(SEM，放大500倍)。不同含水率下破裂灰岩的电镜扫描SEM图像特征图7所示，可以看出，随着含水率增大，灰岩内部微观结构大致由矿物结构交接密实向多孔隙、结构疏松、表面附着岩屑的微观结构特征过度。可见，水岩溶蚀作用加剧了内部结构溶蚀，导致矿物间的胶结程度减弱、溶蚀孔隙及裂隙数量增多、尺寸增大。含水率较小时(0.75%～1.38%)，岩块表面微裂隙分布均匀，裂隙间的差异性不明显；岩样的矿物颗粒结构致密，颗粒间的胶结密实且未出现明显裂隙。含水率由0.75%增加到1.38%时，微观裂隙的分布形态略有差异，岩块的断面棱角清晰度与含水率呈正相关。含水率为1.38%时，岩块表面出现类似花瓣状的叠加分布，但无明显孔隙。

对比图7可知，随着含水率增大，2.59%、3.88%和5.64%条件下的微观结构发生显著变化，主要表现为：①孔隙数量明显增多、裂隙尺寸明显增大。比如，含水率的增大加速溶蚀强度和侵蚀速度，导致矿物颗粒间隙增大及溶孔尺寸增大等(见图7d)。② 由于灰岩中原生解理、裂隙的存在，增大的含水率会优先溶蚀具有天然缺陷的位置，进而导致颗粒间的胶结作用最先减弱甚至解除，渗透水开始侵入内部毛细孔道，加剧溶蚀深度和溶蚀面积，形成显著孔隙(见图7c)。③ 灰岩属于典型的沉积岩，天然沉积成岩作用导致岩石矿物具有微分层特质，经渗透水的浸泡、润滑及溶蚀作用，矿物颗粒间的黏土物质会因渗透、溶蚀而崩解，导致岩石断面的矿物晶体棱角分明(见图7c和7e)，部分矿物颗粒之间出现大量孔隙而使得岩石晶体呈镂空分布，岩石结构变得松散，局部出现溶坑，这与邓华锋等[14]试验具有一致性。④ 随着强制饱水时间增长，渗透水加剧溶蚀程度，胶结物质的溶解与溶蚀导致孔隙萌生，岩块局部位置呈岩片状发育(见图7c和7e)。

基于微观特性分析，增大的含水率对灰岩孔隙内游离态粒子具有显著的溶蚀和冲刷作用，导致内部原生单一孔隙逐渐向多孔隙结构体过度[15]，引起单位质量孔隙体积增大。增大的含水率又会促进岩石内部孔隙的溶蚀与贯通程度，导致孔隙尺寸变大及裂隙数量增多，从而提高渗透水与结构面的接触面积，损伤程度随之增大。

3 结论

1)动态应力-应变曲线显著异于静态应力-应变曲线。含水率对动态应力-应变曲线具有显著影响，含水率增大时曲线路径相对缩短，弹性变形阶段的线性斜率减小；动态应力-应变曲线包括线弹性、弹塑性及塑性软化阶段。

2)动态峰值应变与峰值应力的发展趋势相似，平均含水率越大，破裂时的动态峰值应变越小，表明灰岩应变具有软化特征。平均动态峰值应力、平均动态应变及弹性模量与含水率呈负相关。

3)水-岩溶蚀导致灰岩产生大量次生孔隙，引起波能耗散增加，波速随平均含水率增大呈一阶指数衰减。不同含水率对灰岩软化具有显著差异，随平均含水率增大，软化系数呈对数函数增大，微观结构由结构密实胶结向多孔隙、疏松的微观结构过渡，表明水-岩作用加剧了灰岩溶蚀程度，减弱了矿物间的胶结能力，导致溶蚀裂隙数量增多。