中風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化大理巖的壓水試驗(yàn)對比分析

羅曉軍，盧永生

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

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中風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化大理巖的壓水試驗(yàn)對比分析

羅曉軍，盧永生

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

通過中風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化大理巖的壓水試驗(yàn)，并對其試驗(yàn)成果進(jìn)行對比分析，為以后的類似試驗(yàn)提供參考。關(guān)鍵詞：中風(fēng)化花崗巖；中風(fēng)化大理巖；壓水試驗(yàn)；對比分析

引 言

大部分巖基地區(qū)的止水圍堰利用帷幕灌漿來達(dá)到止水效果，而帷幕灌漿所需的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)則需通過現(xiàn)場鉆孔壓水試驗(yàn)來確定，所以壓水試驗(yàn)結(jié)果的好壞直接影響帷幕灌漿設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)劣，進(jìn)而影響最終施工成本的大小。在我國現(xiàn)在已建成的巖基地區(qū)的港口工程中，花崗巖和大理巖分布相對較為廣泛，本文通過對中風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化大理巖的現(xiàn)場鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出各自的特點(diǎn)以及二者普遍存在的共性，為以后相同類型巖基的類似試驗(yàn)項(xiàng)目提供參考。

1 試驗(yàn)?zāi)康?、設(shè)備、方法及過程

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過壓水試驗(yàn)得出中風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化大理巖各自的壓水曲線類型、透水率及滲透等級，對比分析二者的異同及形成原因，優(yōu)化帷幕灌漿的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1）止水栓塞

采用單桿頂壓式栓塞，栓塞由8個(gè)橡膠圓柱體（直徑75 mm，高度150 mm）組成，栓塞總長度為1.2 m。

2）供水設(shè)備

試驗(yàn)用的三缸水泵壓力穩(wěn)定，出水均勻，在1 MPa的壓力下流量能保持200 L/min，水泵出口有容積10 L的穩(wěn)壓空氣室，調(diào)節(jié)閥門靈活可靠不漏水。

3）量測設(shè)備

測量壓力用的壓力表反應(yīng)靈敏，卸壓后指針回零，量測范圍為0～2.5 MPa，滿足試驗(yàn)要求。流量計(jì)能在2.5 MPa壓力下正常工作，量測范圍與試驗(yàn)用的水泵出力匹配，并能測定正向和反向流量。水位計(jì)靈敏可靠，不受孔壁附著水或孔內(nèi)滴水的影響。

1.3試驗(yàn)方法［1］

1）壓水試驗(yàn)按三級壓力、五個(gè)階段［即 P1-P2-P3-P4（＝P2）-P5（＝P1），P1＜P2＜P3］進(jìn)行，本次試驗(yàn)選取P1、P2、P3三級壓力值分別為0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa。

2）試驗(yàn)時(shí)孔內(nèi)的地下水位在試段之上，壓力計(jì)算零線為地下水位線。

3）試驗(yàn)的工作管路內(nèi)徑和粗糙程度均不一致，管路壓力損失根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)確定，實(shí)測方法參照《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》（SL31-2003）的附錄A執(zhí)行。

1.4 試驗(yàn)過程

1）成孔

使用XY-100型鉆機(jī)搭配金剛石鉆頭鉆進(jìn)成孔，不使用泥漿等護(hù)壁材料，所成鉆孔直徑75 mm與栓塞直徑匹配。試驗(yàn)鉆孔的套管腳采用灌注水泥漿的辦法從而達(dá)到止水效果。

2）洗孔

采用壓水法，將鉆具下至孔底后用水泵最大出力進(jìn)行洗孔，至孔口回水清潔、肉眼觀察無巖粉時(shí)方可結(jié)束，當(dāng)孔口無回水時(shí)洗孔時(shí)間應(yīng)達(dá)到半小時(shí)。

3）試段隔離

采取灌制混凝土塞位法保證栓塞的止水效果，用直徑127的鉆頭鉆進(jìn)風(fēng)化巖2 m后注入水泥砂漿（加入一定比例的水泥早強(qiáng)劑和速凝劑），待水泥凝結(jié)足夠時(shí)間并達(dá)到強(qiáng)度后，再用75 mm鉆頭鉆開混凝土和下部孔段，將栓塞置于混凝土段進(jìn)行壓水試驗(yàn)。試段隔離前應(yīng)檢查工作管路有無破損、彎曲、堵塞等現(xiàn)象，接頭處采取止水措施保證其止水效果。

4）水位觀測

下栓塞前首先觀測1次孔內(nèi)水位，試段隔離后再觀測工作管內(nèi)水位。工作管內(nèi)水位每5 min觀測一次，當(dāng)水位下降速度連續(xù)2次均小于5 cm/min時(shí)觀測工作即可結(jié)束，用最后的觀測結(jié)果確定壓力計(jì)算零線。試驗(yàn)觀測中均未發(fā)現(xiàn)承壓水。

5）壓力和流量觀測

在試段送水前應(yīng)打開排氣閥使其連續(xù)出水，流量觀測前調(diào)整調(diào)節(jié)閥使試段壓力達(dá)到預(yù)定值并保持穩(wěn)定，流量觀測每隔1 min進(jìn)行1次，當(dāng)流量無持續(xù)增大趨勢且五次流量讀數(shù)中最大值和最小值之差小于最終值的 10 %或最大值與最小值之差小于1 L/min時(shí)，本階段試驗(yàn)結(jié)束，用最終值作為計(jì)算值。

2 對比分析

本次對比試驗(yàn)所使用的壓水設(shè)備相同，采用的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)過程一致，試驗(yàn)資料整理所用方法一致，選取其中各自具有代表性的兩個(gè)中風(fēng)化巖壓水試驗(yàn)段進(jìn)行三方面的對比分析。

1）中風(fēng)化花崗巖

褐黃～淺灰色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，由石英、長石和少量黑云母等暗色礦物組成，主要成分為二氧化硅，約占70 %以上?，F(xiàn)場鉆取的巖芯呈碎塊及短柱狀，原巖結(jié)構(gòu)清晰可見，部分礦物風(fēng)化成砂土狀，錘擊易碎。

2）中風(fēng)化大理巖

主要為白云石大理巖，灰白色，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，主要由白云石和方解石組成，主要成分以碳酸鈣為主，約占50 %以上。現(xiàn)場鉆取的巖芯呈短柱及柱狀，原巖結(jié)構(gòu)清晰可見，錘擊易碎。

從上面可以看出二者的主要成分不同導(dǎo)致風(fēng)化物也不同，中風(fēng)化花崗巖在風(fēng)化過程中風(fēng)化物不易溶于水，殘留物仍充填在裂隙內(nèi)；中風(fēng)化大理巖巖主要成分為碳酸鈣易溶于水，風(fēng)化過程中裂隙充填物易溶于水而流失，不會(huì)殘留在孔隙中。

2.2 壓水試驗(yàn)P～Q曲線類型對比

式中：為以期望值為參考點(diǎn)決策專家et對應(yīng)急方案epm在指標(biāo)cn下的主觀感知價(jià)值；為以最低要求值作為參考點(diǎn)決策專家et對應(yīng)急方案epm在指標(biāo)cn下的主觀感知價(jià)值；參數(shù)α與β分別為價(jià)值函數(shù)在收益與風(fēng)險(xiǎn)場景下的凹凸程度；α,β<1為決策專家對收益與損失的敏感性遞減；參數(shù)θ>1為決策專家的損失厭惡；依據(jù)文獻(xiàn)[22-23]的研究結(jié)論，可令α=β=0.88，θ=2.25。

現(xiàn)場壓水試驗(yàn)時(shí)通過觀測壓力表和流量計(jì)，記錄下各試驗(yàn)段的各階段壓力值和流量值，整理分析大量的現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取其中具有代表性的四個(gè)試驗(yàn)段數(shù)據(jù)，見表1。

表1　各試驗(yàn)段的各階段壓力值和流量值

根據(jù)表1中的各試驗(yàn)段壓力值和流量值繪制壓水試驗(yàn)P～Q曲線如下：

1）中風(fēng)化花崗巖（圖1～圖2）

圖1　花崗巖第一試驗(yàn)段P～Q曲線（沖蝕型）

圖2　花崗巖第二試驗(yàn)段P～Q曲線（沖蝕型）

2）中風(fēng)化大理巖（圖3～圖4）：

圖3　大理巖第一試驗(yàn)段P～Q曲線（紊流型）

圖4　大理巖第二試驗(yàn)段P～Q曲線（紊流型）

從上圖中可以看出，中風(fēng)化花崗巖的P～Q曲線類型主要以D（沖蝕型）為主（曲線特征為升壓曲線凸向P軸，降壓曲線與升壓曲線不重合，呈順時(shí)針環(huán)狀），表明在整個(gè)試驗(yàn)期間，在試驗(yàn)壓力作用下巖體裂隙中的充填物被沖蝕、移動(dòng)導(dǎo)致流量顯著增大且不能恢復(fù)原狀；中風(fēng)化大理巖的P～Q曲線類型主要以B（紊流型）為主（曲線特征為升壓曲線凸向Q軸，降壓曲線與升壓曲線基本重合），表明巖體在試驗(yàn)壓力作用下裂隙狀態(tài)沒有發(fā)變化。

2.3 壓水試驗(yàn)巖體透水率對比

依據(jù)《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》（SL31-2003）采用第三階段的壓力值P3和流量值Q3按下式計(jì)算各試段巖體的透水率：

式中：q為試段的透水率（Lu）；L為試段長度（m）；Q3為第三階段的計(jì)算流量（L/min）；P3為第三階段的試段壓力（MPa）。

同時(shí)依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄F進(jìn)行巖體滲透性分級，結(jié)果如表2所示。

表2　各試驗(yàn)段透水率、P～Q曲線類型及滲透性等級

從上述對比結(jié)果可以看出，中風(fēng)化花崗巖的透水率一般＜10 Lu，滲透性等級為弱透水；中風(fēng)化大理巖的透水率一般在20～30 Lu之間，滲透等級為中等透水。

4 結(jié) 語

通過對兩種中風(fēng)化巖的壓水試驗(yàn)對比分析，兩種巖石結(jié)構(gòu)和主要成分的不同導(dǎo)致風(fēng)化產(chǎn)物及風(fēng)化過程不同，最終導(dǎo)致壓水試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生差異。中風(fēng)化花崗巖的主要成分在風(fēng)化過程中不易溶于水，殘留物仍充填在裂隙內(nèi)，在試驗(yàn)過程中沖蝕、移動(dòng)導(dǎo)致流量顯著增大且不能恢復(fù)原狀，P～Q曲線類型主要為D（沖蝕）型，滲透性等級為弱透水；中風(fēng)化大理巖巖主要成分為碳酸鈣易溶于水，風(fēng)化過程中裂隙充填物易溶于水，隨著孔隙內(nèi)的水流析出或流失，并未殘留在孔隙內(nèi)，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中裂隙未發(fā)生變化，P～Q曲線主要為B（紊流）型，滲透等級為中等透水。雖然兩種巖體風(fēng)化程度不均勻和節(jié)理裂隙發(fā)育情況不同導(dǎo)致巖體的透水率有一定變化，但兩種巖體的滲透性總體上具有自上而下逐漸減小的趨勢，這也正反映了巖體的風(fēng)化程度一般從上到下、由外及內(nèi)逐漸減小的趨勢。

中風(fēng)化花崗巖的透水率一般＜10 Lu，中風(fēng)化大理巖的透水率一般在20～30 Lu之間。如果在相同或相似巖基地區(qū)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可以參考此數(shù)據(jù)，避免產(chǎn)生重大試驗(yàn)錯(cuò)誤影響設(shè)計(jì)；在沒有進(jìn)行相應(yīng)壓水試驗(yàn)的相同或相似巖基地區(qū)，帷幕灌漿的設(shè)計(jì)參數(shù)可以預(yù)先參考此數(shù)值設(shè)計(jì)。

由于巖體的構(gòu)造、節(jié)理裂隙千差萬別，風(fēng)化程度也不盡相同，本次對比試驗(yàn)只選取其中各自兩個(gè)壓水試驗(yàn)段結(jié)果做簡單對比分析，希望能在以后類似的壓水試驗(yàn)中給大家提供一些參考，不足之處敬請批評、指正。

Comparative Analysis of Pressurized-water Tests on Moderately Weathered Granite and Marble

Luo Xiaojun，Lu Yongsheng
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

The pressurized-water tests on moderately weathered granite and marble are compared and analyzed，which will provide a reference for similar tests in future.

moderately weathered granite； moderately weathered marble； pressurized-water test； comparative analysis

TU453

A

1004-9592（2016）03-0101-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160326

2016-04-28

羅曉軍（1983-），男，工程師，主要從事工程地質(zhì)勘察工作。

［1]SL31-2003 水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［2]GB50487-2008 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.