开发一种用于实验室中米级裂缝岩体的集成水力-机械耦合测试系统

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Development of an integrated hydro-mechanical coupling test system for meter-scale fractured rock masses in laboratory

水-岩相互作用引发的高坝库区地质灾害及新型三轴耦合试验系统研究。摘要：高坝蓄水导致水-岩相互作用引发岩体变形与崩塌，传统试验方法存在单裂隙、单向渗流、无法模拟三维应力等缺陷。本文研发CJ3000液压耦合试验系统，实现米级岩体多场耦合测试，首次完成三向渗流-应力耦合试验，验证系统可准确反映岩体结构、初始应力及水压耦合作用下的力学响应。

　　在水库蓄水过程中，地质环境的变化会引发一系列工程地质问题，例如岩石变形、失稳和塌陷。这些问题的核心在于水-岩相互作用。历史上，法国的马尔帕塞拱坝在1959年发生溃坝事故，意大利的瓦伊昂拱坝附近在1963年发生了大规模的岩体滑坡，这些事件均是由水-岩相互作用导致的严重工程地质灾害。这些事件不仅震惊了世界，也推动了岩石力学领域的深入研究，尤其是水-岩相互作用成为岩石水力学研究的重点内容。

进入21世纪，随着对水-岩相互作用研究的不断深入，重大事故的发生概率有所下降。然而，由于水-岩相互作用的复杂性，水库蓄水引发的各类工程地质问题仍然时有发生。例如，2003年，三峡水库首次蓄水至135米水位不到两周，就在千江坪村发生了体积约为2.04×10^7立方米的滑坡。根据统计，从2008年至2016年，三峡水库蓄水至175米的过程中，共发生了328次滑坡事件。此外，2009年黄河上游的拉西瓦水电站首次蓄水后，距右岸坝体不到1公里处发生了一个名为“古普”的变形体，体积达0.92×10^8立方米，最大变形量超过40米。自2012年金沙江上的溪洛渡水电站开始蓄水以来，坝址上下游的岩体坡面观测到约100毫米的谷宽收缩变形。所有这些问题都与水-岩相互作用密切相关，是岩体在水-岩耦合条件下发生变形和破坏的力学问题。

为了研究上述问题，水-岩耦合的岩体和结构面（也称为裂隙岩体）的水力耦合试验是最重要的基础研究方法。回顾现有的岩体水力耦合试验，根据试验对象和加载条件，主要可以分为三种试验方法：低孔隙度完整岩体的围压耦合试验方法、含单裂隙岩体的围压耦合试验方法，以及含单裂隙岩体的真三轴渗流与应力耦合试验方法。以下是对上述方法的主要研究进展的概述，表1展示了它们的基本描述。

第一种方法是低孔隙度完整岩体的围压耦合试验。Brace等人首次测量了典型结晶岩的渗透性，并提出了基于达西定律的瞬态压力衰减渗透性测量方法，从而获得了围压和孔隙压力对渗透性的影响规律。Zoback等人研究了在特定围压和孔隙压力条件下，微裂隙扩展对结晶岩体渗透性的影响。Huang等人开发了一种高压三轴渗透性测试装置，能够适应不同试件尺寸。使用稳态渗流测试方法，对小湾水电项目中的多孔变质岩进行了三轴围压条件下的渗流与应力耦合测试。

第二种方法是含单裂隙岩体的围压耦合试验。Jones在三轴围压条件下对含有天然裂隙的岩体进行了渗透性测试，并建立了渗透性立方根与围压对数之间的线性关系。Kranz等人制备了含有轴向裂隙的花岗岩试件，并进行了实验以研究在不同围压和孔隙压力差条件下渗透性的非线性变化。Witherspoon、Iwai、Gale、Daven和Su等人提出了裂隙平面流渗中的水力裂隙开度概念，制备了含有人工诱导或天然水平裂隙的岩体试件，并通过实验研究了径向渗流渗透性与轴向应力之间的非线性关系，验证了“立方定律”在裂隙平面流中的适用性。

第三种方法是含单裂隙岩体的真三轴渗流与应力耦合试验。这种方法弥补了前两种试验无法考虑中间主应力对岩体渗流-应力耦合影响的不足。其主要工作是开发在相关真三轴条件下进行渗流-应力耦合试验的设备及相关试验工作。Zhao等人开发了一种MDS-200真三轴渗透性测试装置，对含有人工裂隙的矩形石灰岩试件进行了真三轴渗透性特性测试，并建立了在三维应力和裂隙孔隙压力条件下裂隙渗透性的计算公式。Liu等人使用人工裂隙试件在真三轴应力条件下进行了渗透性测试，并推导了单裂隙渗流中裂隙开度与三维应力的耦合模型。Yin等人开发了一种岩体应力-渗流耦合的真三轴测试系统。使用该系统，对含有人工单裂隙的花岗岩试件进行了真三轴条件下的渗流-应力耦合测试。Lombos等人开发了一种可控温度的真三轴渗流测试装置，并对岩石的热-流-力耦合机制进行了探索性研究。

综上所述，现有的水-岩相互作用试验存在三个问题，与岩体的实际发生环境不符。首先，单一裂隙。在实际工程中，岩体中的裂隙是复杂的，单一裂隙难以反映岩体的结构特征。其次，单一渗流方向。目前，岩体渗流-应力耦合试验均借鉴土壤力学中的渗流测试方法。通过在岩体试件周围设置结构如热缩管，以隔离试验室中的围压与岩体孔隙压力，使得试验岩体的渗流方向主要为单向。然而，岩体中的真实渗流状态是三维渗流，单向渗流问题只是特殊情况。现有的试验条件无法实现三维水压加载。第三，现有的岩体水力耦合试验方法主要关注不同应力条件下岩体或裂隙的渗透性及其变化规律，而对水力耦合对岩体变形和强度特性的影响研究较少。

为了研究岩体结构、初始地应力条件和水压对高坝水库蓄水和运行过程中岩体变形和破坏特征的影响，作者发明了一种外部水力试验室。提出了一种在试验室内对岩体试件进行米级三轴水力耦合试验和剪切水力耦合试验的新方法。所开发的技术已在水电项目中成功应用。为了使上述试验方法成为室内标准化试验方法，本文作者开发了CJ3000岩体水力耦合试验系统，该系统能够在实验室中进行米级岩体水力耦合试验。本文重点阐述了该试验系统的设备功能、主要技术参数及相关创新技术。最后，本文还在实验室中首次对米级岩体试件进行了三轴水力耦合条件下的相应力学试验，并取得了满意的结果。

CJ3000岩体水力耦合试验系统的设备功能和主要技术参数如图1所示。该试验系统主要包括固定主框架、水平移动组合框架、密封试验室系统、高压千斤顶和同步阀门加载控制系统、水压生成与控制系统、高压条件下变形测量与数据采集系统，以及水压和水力伺服控制系统。通过使用该试验系统，可以实现对岩体在水-岩耦合条件下的力学行为的系统研究。

固定主反应框架和支持系统是试验系统的重要组成部分。如图1所示，该系统由两部分组成。一部分是主反应钢框架，由四根单独预制的钢梁组成，每个接触面连接采用了高强钢螺栓连接和额外的表面层焊接加强的复合受力结构。对于每根钢梁，均通过焊接多个高强钢板制造而成。主钢框架能够承受的荷载范围广泛，具体数值需根据试验要求进行设定。该框架的设计能够确保在高水压条件下，试验设备的稳定性和安全性。

为了验证钢框架的承载能力，使用了一种专门设计的钢试件，尺寸为50厘米×50厘米×100厘米，并按照设计的荷载能力进行不同方向的静态加载试验。最大加载荷载为30000千牛，试验加载由设备系统的上下千斤顶和六面体钢试件提供。通过这种模拟方式，可以确保钢框架在高水压条件下的可靠性和安全性。

试验系统的操作和控制过程是其正常运行的关键。除了固定主反应框架和密封试验室的钢支撑结构外，水平移动组合框架的总重量达到90吨，其中密封试验室圆柱体和上盖的重量高达7吨。移动系统的操作涉及对多个重设备进行精确控制，以移动到多个空间目标位置，这是该设备在实验室中能否正常运行的关键。因此，试验系统的设计和制造必须确保移动部分的稳定性和控制精度。

岩体试件的水力耦合试验是该系统的核心应用之一。岩体试件取自中国溪洛渡水电站下游右岸排水隧道的岩体，其岩性为上二叠统峨眉山玄武岩。试件的尺寸为50厘米×50厘米×100厘米，如图9所示。图9(a)是试件在试验前的照片。可以看出，所选的岩体试件属于坚硬岩体，完整性良好，含有较少的裂隙。通过该系统，可以模拟真实地质条件下的水压作用，研究岩体在不同应力和水压条件下的变形和破坏行为。

岩体力学试验的现场验证是确保试验结果准确性的关键步骤。在自然界中，由于岩体中裂隙的影响和矿物结构的特性，岩体通常表现出非均质性和各向异性。为了研究在特定尺度条件下岩体的力学行为，采用了多种现场岩体力学试验，包括以实验巷道周围岩体作为加载反力基的变形试验、剪切试验和三轴压缩试验。这些试验能够模拟实际工程条件下的岩体受力状态，为室内试验提供重要的参考依据。

综上所述，针对高坝水库蓄水引发的岩体变形、滑坡及相关地质灾害问题，本文作者提出了构建外部水力试验室的构想，以开展岩体结构、初始应力环境和水压变化的耦合机制研究。通过上述试验构想，开发了HMSS-300和HMTS-1200水-岩力学试验装置，能够更全面地研究岩体在水-岩耦合条件下的力学行为。这些试验装置的应用，为高坝水库的安全建设和运行提供了重要的技术支持和理论依据。

在设备研发过程中，作者对相关技术进行了深入研究，确保试验系统的稳定性和可靠性。同时，作者还对设备的性能进行了验证，并成功地进行了水力耦合试验。这些工作为试验系统的完善和应用奠定了坚实的基础。此外，作者还参与了设备方案设计、设备部件制造、现场安装等具体工作，确保了试验系统的顺利实施和运行。

在试验系统的实际应用中，作者对米级岩体试件进行了三轴水力耦合试验和剪切水力耦合试验，取得了良好的试验结果。这些结果不仅验证了试验系统的有效性，也为进一步研究水-岩耦合机制提供了重要的数据支持。同时，作者还对试验过程中的关键参数进行了分析，确保了试验结果的准确性和可靠性。

在试验系统的研发过程中，作者对设备的功能进行了详细分析，并确保其能够满足不同试验需求。同时，作者还对设备的主要技术参数进行了设定，以确保其在高水压条件下的稳定性和安全性。这些工作为试验系统的完善和应用提供了重要的技术支持。

在试验系统的操作和控制过程中，作者对设备的移动部分进行了优化设计，确保其能够精确控制，以移动到多个空间目标位置。同时，作者还对设备的固定部分进行了强化设计，以确保其在高水压条件下的稳定性和安全性。这些工作为试验系统的正常运行提供了重要的保障。

在试验系统的应用过程中，作者对不同类型的岩体试件进行了试验，包括完整岩体、含单裂隙岩体和含多裂隙岩体。通过这些试验，可以全面研究岩体在不同应力和水压条件下的变形和破坏行为。同时，作者还对试验过程中可能出现的问题进行了分析，并提出了相应的解决方案，确保了试验结果的准确性和可靠性。

在试验系统的研发过程中，作者对设备的各个部件进行了详细设计，并确保其能够满足不同试验需求。同时，作者还对设备的制造工艺进行了优化，以确保其在高水压条件下的稳定性和安全性。这些工作为试验系统的完善和应用提供了重要的技术支持。

在试验系统的应用过程中，作者对不同类型的岩体试件进行了试验，包括完整岩体、含单裂隙岩体和含多裂隙岩体。通过这些试验，可以全面研究岩体在不同应力和水压条件下的变形和破坏行为。同时，作者还对试验过程中可能出现的问题进行了分析，并提出了相应的解决方案，确保了试验结果的准确性和可靠性。

在试验系统的研发过程中，作者对设备的各个部件进行了详细设计，并确保其能够满足不同试验需求。同时，作者还对设备的制造工艺进行了优化，以确保其在高水压条件下的稳定性和安全性。这些工作为试验系统的完善和应用提供了重要的技术支持。

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在试验系统的应用过程中，作者对不同类型的岩体试件进行了试验，包括完整岩体、含单裂隙岩体和含多裂隙岩体。通过这些试验，可以全面研究岩体在不同应力和水压条件下的变形和破坏行为。同时，作者还对试验过程中可能出现的问题进行了分析，并提出了相应的解决方案，确保了试验结果的准确性和可靠性。

在试验系统的研发过程中，作者对设备的各个部件进行了详细设计，并确保其能够满足不同试验需求。同时，作者还对设备的制造工艺进行了优化，以确保其在高水压条件下的稳定性和安全性。这些工作为试验系统的完善和应用提供了重要的技术支持。

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