某水利工程野外膨脹試驗探析

張小強

（華北有色工程勘察院有限公司，河北石家莊050021）

1 目的

為了確定某大壩基巖的力學特征，在壩址區域設置部分鉆孔進行鉆孔膨脹測試，并結合巖體工程地質環境與巖體級別，提出該工程不同區域、不同級別巖體的變形參數建議值。

2 測試與分析方法

（1）現場測試。在設計進行試驗的鉆孔中，按平均間距5m選擇的壩基基礎深度內，進行鉆孔變形測試，測試結果為測得巖性的彈性模量和變形模量。

測試采用國際巖石力學1996年推薦方法，即In?ternational Society of Rock Mechanics：Suggested Meth?od for Deformability Determination Using a Stiff Dila?tometer,Intern.Journ.Rock Mech.Mining Sci.&Geo?mech.Abstr.,1996,Vol.33,735-741.

根據現場鉆探，主要分布巖性為白云石大理巖、片麻巖、黑云母片麻巖等，因此在選用實驗測試所用的剛性鉆孔膨脹計必須完全滿足測試要求（精度0.001mm，量程4m）。

（2）測試結果分析。綜合工程地質條件、巖體分級和工程類比，提出該工程不同區域、不同級別巖體的變形參數建議值。

3 試驗設備

鉆孔膨脹測試設備，采用ROCHA（L.N.E.C.）測量系統。主要包含了定向安裝桿、膨脹計探頭、讀數儀器、壓力泵、鎧裝電纜、高壓水管、標定裝置等。

4 試驗基本操作要求

為更有效地取得測試數據，結合地層巖性情況，要求測試鉆孔的直徑為101mm。

該實驗主要用于巖石地層，試驗深度最深可達60m。試驗中通過施加給孔壁的的最大壓力不得小于150bar。試驗過程中的壓力變化范圍為40～50bar。

鉆孔中至少要用4個經校準的位移傳感器來測量鉆孔的膨脹變形。由于堅硬巖石的變形量很小，因此讀數的精確度應控制在0.001mm。

鉆探到達特定的試驗深度時要停止鉆進。停止鉆進后要徹底清洗鉆孔，以除去鉆孔孔底和孔壁附著的殘留物。

將探頭放置于指定的鉆孔深度處。試驗必須在未加套管的鉆孔段進行。如果必須下放套管，則套管必須放置于試驗深度以上1.5m處以便于安裝扁鏟探頭。

及時糾正探頭位置，調整基座的位置，如果需要的話還可在較小范圍內調整套管下放深度。

在試驗中，加壓和減壓將引起鉆孔的變形。加壓和減壓的步驟如下所示。通常情況下，每個周期內都要進行5次加壓和減壓。

硬巖的壓力變化順序如下：

第一周期：0-30-40-50-60-50-40-30-10bar；

第二周期：10-60-70-80-90-100-90-80-70-60-10bar；

第三周期：10-70-90-110-130-150-130-110-90-70-0bar。

軟巖同樣進行3輪變壓過程，每個周期都要進行5次加壓和減壓，壓力變化如下：

第一周期：0-5-7.5-10-12.5-15-12.5-10-7.5-5-2.5bar；

第二周期：2.5-10-15-17.5-21-25-21-17.5-15-10-2.5bar；

第三周期：2.5-10-15-21-25-32.5-25-21-15-10-0bar。

加壓過程中每一級加壓的持續時間不得少于2min，如果在2min末時變形量超過了此級加壓過程中總變形的5%，則這一級加壓時間應再持續2min。

卸載時每級荷載通常應持續2min。

連續的2級壓力之間進行加卸載間隔時間至少為2min。

5 現場試驗概況

在沿著舊壩軸線（參見表1）的壩區和泄洪道地區的3個鉆孔內進行了膨脹計測試。為了解在壩軸線附近的廠房和泄洪道的基層巖石的特性提供了有用的信息。在不同的深度總計進行了22次測試。

5.1 測試結果

膨脹計測試的結果以及所測試的巖石類型都歸納在表1中。

表1 大壩壩址的膨脹計測試結果

5.2 測試結果探析

從表1可以很明顯地看出，數據很分散，大部分的變形模量范圍在3～5GPa之間，這表明巖體質量從中等到劣質不一。

從鉆探和地震調查據中可知，大壩壩址中發現的為不同種類的巖石（白云石大理巖、片麻巖、黑云母片麻巖等）。此外，除了新的巖石區，也有其他的巖石，其特點是經過深層次風化以及強烈的熱液蝕變（由火山活動造成）。

形變會有隨深度而增加的趨勢。這通常是由于隨著深度的增加風化過程的影響減弱，同時巖體質量得到改善（節理閉合等）。

由于風化的影響，低形變被發現存在于表層附近，而且，由于熱液蝕變也可以沿著深處的節理或斷層發生，在熱液蝕變的作用下，低形變也存在于更深的巖區中。這樣，也正說明了關于形變的零散數據的范圍之廣的可能性。

從測試結果可以看出，數據的一般范圍大約在3.0～5.0GPa之間，而小于0.3GPa的值以及超過50.0MPa的最大值已經隨著膨脹計探頭的探測確定了。最低值體現出完整的熱液蝕變，即鉆井中構成巖石解體材料的部分，而最高值則代表新生的完整巖石。

從測試結果顯然可以得出形變的方向相關性。最大形變的方向指向東（約100°）。綜合所有的測試結果，可以得出相對于方向220°，340°和100°的比例一一對應為1∶1∶3∶1.6，這一各向異性是非常重要的。在東西方向上的低形變的各向異性的形成可以理解為與當地的構造和結構狀況有關。該方向是垂直于節理，并垂直于該地區的突出背斜中的主節理系的；同時該方向與褶皺軸平行或成銳角角度，因此也就與褶皺中的主節理系垂直。圖1的褶皺與節理的統計圖明顯表明了巖體形變的方向相關性（圖1）。

圖1 巖石質量變形依賴性的膨脹實驗變形模量關系圖

6 結論

巖體膨脹試驗不僅精確度要求高，而且對實驗人員及設備的要求極高，這些因素直接會影響到試驗結果的準確性，因此，我們在每個項目的膨脹試驗中，不僅在操作和報告分析上要嚴格要求，而且，在實驗設備及人員水平上也要重視，以便能夠通過膨脹試驗提供的數據更好地為工程服務。

[1]A.J.Whiteman,The Geology of the Sudan Republic,Clarendon Press.Oxford，1971.

[2]Long Term Power System Planning Study,ACRES Internation?al Ltd，March,1993.

[3]Geological Research Authority of the Sudan（GRAS）,Geophys?ical Investigation of Es-Sheriek Area,Mahmoud A.Mahmoud,GRAS Internal Press,Khartoum,October 1998.

[4]Implementation Unit（DIU）,DIU Internal Press,Khartoum,February 2007.

[5]North China Engineering Investigation Institute（NCEII）,Sheriek Hydropower Project Geotechnical Investigation Report,2008.