中風化花崗巖和中風化大理巖的壓水試驗對比分析

羅曉軍，盧永生

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

?

中風化花崗巖和中風化大理巖的壓水試驗對比分析

羅曉軍，盧永生

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

通過中風化花崗巖和中風化大理巖的壓水試驗，并對其試驗成果進行對比分析，為以后的類似試驗提供參考。關鍵詞：中風化花崗巖；中風化大理巖；壓水試驗；對比分析

引 言

大部分巖基地區的止水圍堰利用帷幕灌漿來達到止水效果，而帷幕灌漿所需的各項設計參數則需通過現場鉆孔壓水試驗來確定，所以壓水試驗結果的好壞直接影響帷幕灌漿設計參數的優劣，進而影響最終施工成本的大小。在我國現在已建成的巖基地區的港口工程中，花崗巖和大理巖分布相對較為廣泛，本文通過對中風化花崗巖和中風化大理巖的現場鉆孔壓水試驗結果進行對比分析，得出各自的特點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項目提供參考。

1 試驗目的、設備、方法及過程

1.1 試驗目的

通過壓水試驗得出中風化花崗巖和中風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，優化帷幕灌漿的設計參數。

1.2 試驗設備

1）止水栓塞

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

2）供水設備

試驗用的三缸水泵壓力穩定，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的穩壓空氣室，調節閥門靈活可靠不漏水。

3）量測設備

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

1.3試驗方法［1］

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

2）試驗時孔內的地下水位在試段之上，壓力計算零線為地下水位線。

3）試驗的工作管路內徑和粗糙程度均不一致，管路壓力損失根據現場實測數據確定，實測方法參照《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》（SL31-2003）的附錄A執行。

1.4 試驗過程

1）成孔

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

2）洗孔

采用壓水法，將鉆具下至孔底后用水泵最大出力進行洗孔，至孔口回水清潔、肉眼觀察無巖粉時方可結束，當孔口無回水時洗孔時間應達到半小時。

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的鉆頭鉆進風化巖2 m后注入水泥砂漿（加入一定比例的水泥早強劑和速凝劑），待水泥凝結足夠時間并達到強度后，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行壓水試驗。試段隔離前應檢查工作管路有無破損、彎曲、堵塞等現象，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次孔內水位，試段隔離后再觀測工作管內水位。工作管內水位每5 min觀測一次，當水位下降速度連續2次均小于5 cm/min時觀測工作即可結束，用最后的觀測結果確定壓力計算零線。試驗觀測中均未發現承壓水。

5）壓力和流量觀測

在試段送水前應打開排氣閥使其連續出水，流量觀測前調整調節閥使試段壓力達到預定值并保持穩定，流量觀測每隔1 min進行1次，當流量無持續增大趨勢且五次流量讀數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，本階段試驗結束，用最終值作為計算值。

2 對比分析

本次對比試驗所使用的壓水設備相同，采用的試驗方法和試驗過程一致，試驗資料整理所用方法一致，選取其中各自具有代表性的兩個中風化巖壓水試驗段進行三方面的對比分析。

1）中風化花崗巖

褐黃～淺灰色，細粒結構，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場鉆取的巖芯呈碎塊及短柱狀，原巖結構清晰可見，部分礦物風化成砂土狀，錘擊易碎。

2）中風化大理巖

主要為白云石大理巖，灰白色，粒狀變晶結構，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。現場鉆取的巖芯呈短柱及柱狀，原巖結構清晰可見，錘擊易碎。

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

2.2 壓水試驗P～Q曲線類型對比

式中：為以期望值為參考點決策專家et對應急方案epm在指標cn下的主觀感知價值；為以最低要求值作為參考點決策專家et對應急方案epm在指標cn下的主觀感知價值；參數α與β分別為價值函數在收益與風險場景下的凹凸程度；α,β<1為決策專家對收益與損失的敏感性遞減；參數θ>1為決策專家的損失厭惡；依據文獻[22-23]的研究結論，可令α=β=0.88，θ=2.25。

現場壓水試驗時通過觀測壓力表和流量計，記錄下各試驗段的各階段壓力值和流量值，整理分析大量的現場試驗數據，選取其中具有代表性的四個試驗段數據，見表1。

表1　各試驗段的各階段壓力值和流量值

根據表1中的各試驗段壓力值和流量值繪制壓水試驗P～Q曲線如下：

1）中風化花崗巖（圖1～圖2）

圖1　花崗巖第一試驗段P～Q曲線（沖蝕型）

圖2　花崗巖第二試驗段P～Q曲線（沖蝕型）

2）中風化大理巖（圖3～圖4）：

圖3　大理巖第一試驗段P～Q曲線（紊流型）

圖4　大理巖第二試驗段P～Q曲線（紊流型）

從上圖中可以看出，中風化花崗巖的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，呈順時針環狀），表明在整個試驗期間，在試驗壓力作用下巖體裂隙中的充填物被沖蝕、移動導致流量顯著增大且不能恢復原狀；中風化大理巖的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），表明巖體在試驗壓力作用下裂隙狀態沒有發變化。

2.3 壓水試驗巖體透水率對比

依據《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》（SL31-2003）采用第三階段的壓力值P3和流量值Q3按下式計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為第三階段的計算流量（L/min）；P3為第三階段的試段壓力（MPa）。

同時依據《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008）附錄F進行巖體滲透性分級，結果如表2所示。

表2　各試驗段透水率、P～Q曲線類型及滲透性等級

從上述對比結果可以看出，中風化花崗巖的透水率一般＜10 Lu，滲透性等級為弱透水；中風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 語

通過對兩種中風化巖的壓水試驗對比分析，兩種巖石結構和主要成分的不同導致風化產物及風化過程不同，最終導致壓水試驗結果產生差異。中風化花崗巖的主要成分在風化過程中不易溶于水，殘留物仍充填在裂隙內，在試驗過程中沖蝕、移動導致流量顯著增大且不能恢復原狀，P～Q曲線類型主要為D（沖蝕）型，滲透性等級為弱透水；中風化大理巖巖主要成分為碳酸鈣易溶于水，風化過程中裂隙充填物易溶于水，隨著孔隙內的水流析出或流失，并未殘留在孔隙內，導致試驗過程中裂隙未發生變化，P～Q曲線主要為B（紊流）型，滲透等級為中等透水。雖然兩種巖體風化程度不均勻和節理裂隙發育情況不同導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化程度一般從上到下、由外及內逐漸減小的趨勢。

中風化花崗巖的透水率一般＜10 Lu，中風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進行壓水試驗，試驗結果可以參考此數據，避免產生重大試驗錯誤影響設計；在沒有進行相應壓水試驗的相同或相似巖基地區，帷幕灌漿的設計參數可以預先參考此數值設計。

由于巖體的構造、節理裂隙千差萬別，風化程度也不盡相同，本次對比試驗只選取其中各自兩個壓水試驗段結果做簡單對比分析，希望能在以后類似的壓水試驗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，主要從事工程地質勘察工作。

［1]SL31-2003 水利水電工程鉆孔壓水試驗規程［S］.

［2]GB50487-2008 水利水電工程地質勘察規范［S］.