干湿循环下水电站地下硐室围岩力学特性试验研究

李长城

(山东省淄博市水利事业服务中心，山东 淄博 255000)

水力能源是我国能源结构中的重要组成成分，水电站是我国水力能源发展的重要基础[1- 3]。受地下水影响，水电站地下硐室围岩存在失稳破坏的风险[4- 6]。因此，研究地下水渗流影响下水电站地下硐室围岩的力学性质对保证水电站长期运营具有重要意义。

现有关于水- 岩耦合作用下岩石力学性质和失稳破坏特征的研究较多。王浩宇等[7]深入探究了水化学影响下红砂岩动态强度和破坏机理，发现受孔隙水影响，岩石中的胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化，岩石力学性质变差。孙治国等[8]深入分析了水- 岩化学耦合作用下红砂岩的蠕变力学性质，发现水力侵蚀下红砂岩的峰值应力产生了不同程度降低。窦子豪等[9]深入分析了水力侵蚀下花岗岩的裂隙剪切力学特性，对不同浸水时间下的花岗岩试样展开了直剪试验，发现长时间浸水后花岗岩试样的弹性模量明显降低，岩体力学性质明显劣化。

上述研究主要针对渗流条件下岩石力学性质的变化规律，而未深入研究干湿循环条件对岩石力学性质的影响。文章以我国南方某水电站地下硐室的含泥灰岩为研究对象，在室内展开了不同干湿循环次数下含泥灰岩的物理参数和单轴压缩力学试验，深入研究了干湿循环对岩石物理性质的影响。本研究旨在为干湿循环影响下水电站地下硐室突涌灾害的防治工作提供一定的理论依据。

1 工程背景与试验

1.1 工程背景

本研究依托于我国南方某水电站地下硐室建设工程，该水电站是一座以水力发电服务功能为主，同时兼具地方防洪和灌溉等功能的水电枢纽项目。根据现场调查，水电站主要由挡水坝、溢洪道、导流泄洪洞、水电站以及地下厂房等建筑物组成。工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。大坝为面板堆石坝，坝高46.8m，死水位为840.00m、正常蓄水位为852.00m，设计洪水位848.59m，校核洪水位855.22m，总库容为7717万m3。受工程地质条件和水文地质条件限制，地下硐室开挖与支护挑战较大。且区域内四级地下水位波动明显，干湿循环对地下硐室围岩的力学性质影响较大。

1.2 试样制备

本次试验研究对象取自我国西南某地区水电站地下硐室工程含泥灰岩试样，受季节性地下水水位变化影响，地下硐室围岩受到显著的干湿交替作用，围岩的力学性质劣化，存在地层突涌的风险。按照GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》[10]，首先从工程现场的岩块中钻孔取样得到直径为50mm的圆柱岩芯，之后再采用车床干切、高压水磨将泥质灰岩加工为高度为100mm的标准试样，试验组试样的基本物理参数见表1。

表1 泥质灰岩试样基本物理参数

1.3 试验设计

为研究干湿循环影响下水电站地下硐室灰岩物理力学性质的变化规律，利用RMTS- 150型岩石力学测试系统，对不同干湿循环次数条件下的含泥灰岩展开了单轴压缩力学试验。其中，干湿循环次数分别为0、10、20和30次。RMTS- 150型岩石力学测试设备的最大轴向荷载2600kN，并利用LVDT对岩石的轴向变形进行检测。上述试验设备的控制精度均在0.5%以内。此外，为了全面了解干湿循环对岩石物理性质的影响，同时对不同干湿循环次数下含泥灰岩的基本物理参数(密度、弹性波速和渗透性)展开了测试。

2 试验结果分析

2.1 密度变化

大量试验研究表明，材料的质量、弹性波速是反映材料完整性及内部损伤程度的重要参数，而渗透率则能够表征岩石材料内部空隙的生长、发展状态。为研究干湿循环条件下岩石基本物理参数的变化规律，探讨岩石基本物理特性在干湿循环作用下的劣化效应，对岩石展开了质量和渗透性试验。对每个干湿循环后的岩石进行质量测试并计算，得到岩石的质量损失率随干湿循环变化关系，随着干湿循环处理次数的不断增加，泥质灰岩的质量不断降低，质量损失率呈现持续增大趋势，经过10次干湿循环后最大质量损失率达到2.02%，而经过30次干湿循环后岩石的质量损失率达到7.03%。进一步分析岩石质量损失率与干湿循环次数之间的关系并进行拟合，得到拟合曲线如图1所示。由图可知，泥质灰岩的质量损失率与干湿循环次数之间呈线性正相关，线性相关系数R2为0.9948。分析认为，随着干湿循环次数的增长，水分的存在使岩体内部结构变得松散，且水流冲刷带走了内部细小颗粒，因此岩石的质量不断降低。

图1 含泥灰岩质量损失率随干湿循环次数变化关系

2.2 渗透性变化

图2为含泥灰岩渗透率随干湿循环次数变化关系。由图可知，随着干湿循环次数的增加，岩石的渗透性也逐渐增大。初始状态下，含泥灰岩的渗透率为8.81×10-16m2。随着干湿循环次数的逐渐增加，岩石的渗透率分别为2.15×10-15、8.32×10-15、2.02×10-14m2。此外，岩石渗透率与干湿循环次数之间成正指数函数关系，即随着干湿循环次数增加，岩石渗透率也逐渐增大，且增长速率越来越快。

图2 含泥灰岩渗透率随干湿循环次数变化关系

2.3 应力应变曲线特征

根据试验结果，得到不同干湿循环次数下含泥灰岩单轴压缩应力-应变曲线，如图3所示。由图可知，由于天然状态下含泥灰岩呈应脆性，因此其在峰后应力迅速跌落；此外，含泥灰岩的内部结构密实，应力应变曲线无明显的压密特征[11- 12]。相较于未经受干湿循环处理的试样，干湿循环下的含泥灰岩试样应力-应变曲线则表现出明显的孔隙压缩特征，因此在低应力条件下，岩石试样应力增长较慢而变形增长较快，曲线呈下凹状。结合上述物理参数分析结果可知，随着干湿循环次数的增长，岩石试样的质量不断降低，渗透率不断增大，这是由于干湿循环使得岩体内部结构变得松散，且水流冲刷带走了内部细小颗粒。由于岩石内部孔隙的持续发育，含泥灰岩的的初始压密阶段也变得更加显著。

图3 不同干湿循环次数下泥质灰岩单轴压缩应力-应变曲线

2.4 力学参数分析

基于含泥灰岩单轴压缩应力-应变曲线，得到不同干湿循环次数下泥质灰岩单轴抗压强度、峰值点应变及弹性模量见表2。当干湿循环次数为0时，含泥灰岩的单轴抗压强度(σc)与弹性模量(Es)分别为78.05MPa、8.77GPa，随着干湿循环次数的增加，σc相比下降6.44%、18.84%及33.34%，Es则相比降低7.07%、35.46%及44.47%。由此可见，随着干湿循环次数的不断增加，泥质灰岩的抗压强度与弹性模量均逐渐降低，岩石的力学参数不断劣化。分析认为，在干湿循环过程中，水分的存在导致岩石内部泥质胶结成分被软化，且在水流冲刷过程中被冲走，因此岩石的力学性质变差。

表2 单轴压缩下不同干湿循环次数泥质灰岩力学参数

3 结论

对某水电站地下硐室的含泥灰岩进行了干湿循环力学试验研究，得出如下结论：

(1)干湿循环导致岩石内部胶结物变得松散，内部颗粒被冲走，岩石内部孔隙增多。30次干湿循环后岩石的质量损失率为7.03%，而试样的渗透性则增长了2个量级。

(2)随着干湿循环次数的增加，单轴抗压强度和弹性模量逐渐减小。当干湿循环次数为0时，含泥灰岩的单轴抗压强度与弹性模量分别为78.05MPa、8.77GPa，随着干湿循环次数的增加，灰岩的σc相比下降6.44%、18.84%及33.34%，Es则相比降低7.07%、35.46%及44.47%。

(3)本次研究受限于试验条件，未能对干湿循环条件下岩石力学性质损伤的内部机理展开研究，后续可以利用微观电镜扫描深入探讨岩石损伤的内部机理。