某船閘工程紅層砂巖巖體滲透特性探討

程煙鵬

摘 要：通過紅層砂巖鉆孔壓水試驗，結合工程物探及室內試驗從巖體裂隙、泥質含量，壓水試驗過程P-Q曲線等方面對紅層砂巖的滲透特性進行分析，提出了紅層砂巖壓水試驗試驗段壓力選擇的原則，得到了紅層砂巖滲透性受貫通性裂隙影響的特性以及不同泥質含量的紅層砂巖表現出的不同滲透破壞特性，并對其巖體滲透穩定性進行了定量分析。本文的研究方法及研究成果對相關工程中紅層砂巖的鉆孔壓水試驗及其他水文地質試驗均具有一定的參考價值。

關鍵詞：壓水試驗 紅層砂巖 透水率 滲透特性

1.前言

紅層是指形成于中生代、新生代的一套陸相及淺水湖相的紅色碎屑類沉積巖，主要巖性為泥巖、粉砂巖、砂巖等，是一種具有特殊地質力學性質的巖體，具有強度低、易變形、抗風化能力差、遇水易崩解、吸水軟化等特點。

某船閘工程場地巖性為紅層砂巖。船閘作為通航建筑物，對基礎的滲透特性有較高的要求。船閘依托樞紐大壩建成后，庫水位的上升，導致巖體中地下水的水頭抬高，致使巖體所受的托浮力增大，引起巖體的滲透變形和破壞。船閘工程基礎巖體結構被破壞后，容易引起船閘失穩而造成災害性后果。因此查明船閘工程基礎紅層砂巖的滲透特性是本工程必須解決的重要問題之一。

為查明某船閘工程紅層砂巖的滲透特性，采用巖體鉆孔壓水試驗，結合工程物探及室內試驗統一分析的研究方法，查明了本船閘工程紅層砂巖巖體的滲透特性。

2.鉆孔壓水試驗

2.1巖體水文條件

某船閘工程位于樞紐左側壩肩，場地紅層巖體中地下水類型主要為弱承壓型巖體裂隙水。現場用套管把巖層以上含水層隔離后，鉆孔水位普遍上升至孔口以上30～50cm后保持水位穩定，并高于江水位。該裂隙水主要通過巖體裂隙入滲、越流補給，消耗于地下徑流等，水量一般不大，水頭壓力較小。

2.2試驗原理及方法

根據試驗規程，鉆孔壓水試驗是用栓塞將鉆孔隔離出一定長度的孔段，并向該孔段壓水，根據壓力與流量的關系確定巖體滲透特性的一種原位滲透試驗。其主要任務是測定巖體的透水性，為評價巖體的滲透特性和設計滲控措施提供基本資料。試驗時隨鉆孔的加深自上而下地用單栓塞分段隔離進行，試段長度一般為5.0m左右，采用三級壓力、五個階段進行試驗。相鄰試段互相銜接，可少量重疊，但不能漏段，殘留巖芯計入試段長度之內。

2.3試驗壓力選擇

船閘依托樞紐建成后，閘前水位的升高，使船閘基礎所受的水壓力增大而形成拉應力，以致巖體結構面被拉裂，高壓水滲入形成的張裂隙在被隔水層阻斷后，致使裂隙內產生較高的水頭壓力，造成巖體結構被破壞而導致船閘基礎失穩。根據某船閘工程的水文特征及場地紅層巖體的工程地質及水文地質條件，主要通過以下幾個方面來確定巖體鉆孔壓水試驗的合理試驗壓力。

（1）樞紐的蓄水工況：根據設計方案，樞紐的設計蓄水深度分別為18.40m及24.90m。根據10m水柱壓力0.10 MPa計算，船閘建成后試驗段巖體以上的蓄水壓力為0.18～0.25MPa，取安全系數1.5，壓水試驗壓力在0.28～0.37MPa以上得出的巖體透水率即可滿足工程設計及工程運行的要求。

（2）試驗段巖體的強度：根據現場鉆探揭露紅層巖體的實際情況，選擇代表性巖樣進行室內巖礦分析（圖1及圖2）、飽和抗壓強度及飽和抗拉強度試驗，試驗結果統計見表1。由統計結果可知，泥質含量8～10%的紅層砂巖，試驗壓力不得大于1.69 MPa；泥質含量20%的紅層砂巖，試驗壓力不得大于0.74 MPa。

（3）進行現場試壓水：泥質含量8～10%的紅層砂巖，在試驗壓力P≥1.20MPa時，試段巖體較易被破壞。破壞后流量表流量突然增大，壓力計壓力突然變小，之后壓力無法提升至預定值；泥質含量20%的紅層砂巖，在試驗壓力P≥0.80MPa時，亦出現上述巖體被破壞的情況。

根據以上結果分析，在正式的現場鉆孔壓水試驗時，應根據實際工況、巖層承壓能力及現場試壓水試驗綜合確定，不宜盲目追求高壓力而造成巖體破壞，數據失真。泥質含量8～10%的紅層砂巖，試驗壓力采用規程推薦的0.30-0.60-1.0MPa；泥質含量為20%的紅層砂巖，試驗壓力采用0.20-0.40-0.60MPa的巖層實際可承受壓力進行試驗。

3.巖體滲透特性分析

3.1巖體透水率統計

根據某船閘工程紅層砂巖的鉆孔壓水試驗及工程物探試驗成果，統計分析結果見表2及表3。

3.2透水率影響因素分析

（1）根據表2可知，泥質含量8～10%的紅層砂巖，巖體透水率與巖體裂隙的發育程度有著密切的關系：

①巖體存在貫通型裂隙時，巖體透水率18.18～29.46Lu，滲透性等級為中等透水，不能滿足工程的防滲要求。由于巖體存在水力通道，裂隙中賦存弱承壓水。

②巖體裂隙較發育但不貫通時，巖體透水率1.22～4.84Lu，滲透性等級為弱透水，可滿足工程的防滲要求。由于巖體無水力通道存在，一般無裂隙水或裂隙水貧乏。

③巖體裂隙稍發育或發育少量閉合裂隙時，巖體透水率一般在0.06～0.98Lu，滲透性等級為極微透水～微透水，可滿足工程的防滲要求。

（2）根據表3可知，泥質含量20%的紅層砂巖，巖體透水率與巖體裂隙的貫通性及溶蝕孔洞密切相關，與巖體非貫通裂隙的發育程度及風化程度聯系不明顯：

①巖體存在貫通型裂隙及溶蝕孔洞時，巖體透水率41.50～60.28Lu，滲透性等級為中等透水，不能滿足工程的防滲要求。由于巖體存在水力通道，基巖裂隙水與上層孔隙潛水相通。

②巖體裂隙發育且風化嚴重、巖體破碎時，巖體透水率2.18Lu，滲透性等級為弱透水，可滿足工程的防滲要求。

③巖體裂隙發育且存在風化嚴重夾層時，巖體透水率0.09～0.90Lu，滲透性等級為極微透水～微透水，可滿足工程的防滲要求。

3.3 P-Q曲線特性分析

船閘工程紅層砂巖鉆孔壓水試驗過程典型P-Q曲線如圖3及圖4所示。

（1）根據圖3及圖4分析可知，紅層砂巖的滲透特性主要表現為以下幾點：

①壓力自0增大至P1及P2時，壓水試驗過程P-Q曲線表現為B（紊流）型，表明高壓水通過巖體的層理及節理裂隙滲流，流向紊亂，而且巖體裂隙在試驗壓力作用下沒有發生明顯地改變。

②壓力自P2增大至P3時，壓水試驗過程P-Q曲線表現為C（擴張）型，表明巖體在試驗壓力下裂隙發生擴張形成張裂隙，包括原有裂隙加寬、隱裂隙劈裂等。隨著試驗壓力的增大，流量迅速增大。

③在試驗降壓階段，巖體裂隙基本能恢復至原始狀態，表明巖體裂隙具有彈性擴張的特點，具體表現為升壓曲線與降壓曲線基本重合。

（2）圖4還表明，泥質含量20%的紅層砂巖具有明顯的吸水特性。其壓水試驗過程P-Q曲線表明，在裂隙吸水至飽和過程中，巖體裂隙逐漸膨脹致使裂隙被部分充填，主要表現為：

①試驗壓力自P1增大至P2時，穩定流量Q2

②降壓階段流量明顯小于升壓階段流量（Q5

③在每階段試驗壓力下，流量均逐漸減小至穩定。

3.4 巖體滲透穩定性分析

根據本工程鉆孔壓水試驗（包括鉆孔試壓水試驗）過程中巖體表現出的滲透特性，紅層砂巖的巖體滲透穩定性具有以下特點：

（1）紊流階段：泥質含量8～10%的紅層砂巖在水頭壓力0-0.3-0.6MPa及泥質含量20%的紅層砂巖在水頭壓力0-0.2-0.4MPa下，巖體原有裂隙及隱裂隙、軟弱結構面等未發生水力劈裂，滲透類型屬于巖體裂隙之間的接觸沖刷滲漏，巖體原有水力通道未發生變化，滲透穩定性良好。

（2）擴張階段：泥質含量8～10%的紅層砂巖在水頭壓力0.6 -1.0 -1.2MPa及泥質含量20%的紅層砂巖在水頭壓力0.4-0.6-0.8MPa下，巖體原有裂隙張開、軟弱泥化夾層展開或隱裂隙劈裂擴張，但是裂隙最終可以恢復到原有的接觸沖刷滲漏狀態，屬于彈性擴張。由于巖體裂隙中的水力通道未發生明顯變化，滲透穩定性較好。

（3）破壞階段：泥質含量8～10%的紅層砂巖在水頭壓力P>1.2MPa及泥質含量20%的紅層砂巖在水頭壓力P>0.8MPa下，巖體中的軟弱結構面發生水力劈裂（包括巖體中軟弱結構面產生張開及擴展，結構面內充填物被沖蝕等），導致軟弱結構面與原有結構面聯通引發大量滲漏而產生不可逆的滲透變形破壞。由于巖體中原有水力通道發生變形破壞，容易引起工程巖體基礎的滲透失穩風險，滲透穩定性差。

綜上所述可知，紅層砂巖在本工程設計水頭壓力工況條件下的滲透穩定性良好，巖體不會產生滲透變形破壞。

4.結論

（1）紅層砂巖鉆孔壓水試驗壓力選擇宜根據工況條件，巖層承壓能力及現場試壓水試驗綜合確定，不宜盲目追求高壓力而造成巖體破壞及數據失真。

（2）紅層砂巖存在貫通性裂隙時，其透水性顯著增大。泥質含量小（8～10%）的紅層砂巖，其透水特性與非貫通性裂隙發育程度有一定的正相關性；而泥質含量大（20%）的紅層砂巖，其透水特性與非貫通性裂隙發育程度無明顯相關性。

（3）紅層砂巖在鉆孔壓水試驗過程中表現為復雜的BC（紊流～擴張）型。在巖層可承受試驗壓力范圍內，其裂隙具有彈性擴張的特點。

（4）泥質含量20%的紅層砂巖在壓水試驗過程中表現出明顯的吸水特性。

（5）紅層砂巖在本工程設計工況條件下的巖體滲透穩定性良好。

（6）泥質含量8～10%的紅層砂巖在水頭壓力P>1.2MPa及泥質含量20%的紅層砂巖在水頭壓力P>0.8MPa下易產生滲透變形破壞，滲透穩定性差，可能引起工程巖體基礎的滲透失穩風險。

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