碧湖水庫工程帷幕灌漿鉆孔壓水試驗分析

李元平

（江西省水投建設集團有限公司,江西 南昌 330029）

1 問題的提出

碧湖水庫工程坐落在萍鄉市湘東區白竺鄉淥水河支流麻山水河中游,壩址位于張坑河出口下游230 m的峽谷區段,壩址區與萍鄉市距離約26.0 km,水庫壩址控制流域面積164.0 km2,水庫正常蓄水位達到184.0 m,總庫容2178 萬m3,為中型水庫,兼具供水、灌溉、養殖、發電等綜合功能,。碧湖水庫工程水工建筑物主要有混凝土重力壩、取水建筑物、下游消能設施等,壩軸線長191.5 m。導流洞地層主要為弱下～微風化狀震旦系下統江口組（Zaj）含礫凝灰質板巖。地勘資料顯示,隧洞沿線并不存在斷層和破碎帶,既有巖體節理裂隙發育,并呈較完整狀。隧洞洞室在地下水位以下,地下水水量少且連通性不良。

為進行碧湖水庫大壩導流洞帷幕灌漿防滲加固效果的檢驗,必須結合帷幕灌漿設計要求,在大壩灌漿區域設置檢查孔,并進行常規壓水試驗,其鉆孔、取芯、壓水試驗等均按照美國材料協會ASTM-D2113 標準和英國BS5930 標準進行。鉆孔鉆進施工所采用的雙層巖芯管直徑至少為Φ76 mm,鉆孔所取得的水泥結石充填巖芯必須妥善保存,此后嚴格按照壓水試驗規范及設計要求檢測巖芯容重、粘結力及抗滲性能。

2 試驗目的與原理

鉆孔壓水試驗主要在巖體中鉆孔,并將鉆孔分割成若干試驗段,將壓力水逐級壓入試驗段圍巖后,根據試驗期間所壓入水量及所施加壓力的大小,進行巖體滲透系數計算,并根據計算結果分析和判斷圍巖裂隙發育程度[1]。

2.1 壓水試驗階段

鉆孔壓水試驗是當前國內外水利水電工程地質勘查中常用的原位巖體滲透試驗,根據相關規范,按照試驗階段,應將壓水試驗分為單點法和五點法兩種,前者主要采用一級試驗壓力,后者則采用三級試驗壓力。碧湖水庫工程大壩導流洞帷幕灌漿先導孔和檢查孔均采用單點法壓水試驗,滲漏嚴重的重點加固區域等特殊部位則采用五點法壓水試驗。

按照規范要求,壓水試驗壓力應按照設計灌漿壓力的80%確定,當所確定的試驗壓力超出1 MPa時應按照1 MPa確定。在穩壓條件下每過3 min～5 min便進行1 次壓入流量實際值的測讀,如果連續4次所測讀到的結果中最大、最小讀數之差不超過1 L/min,則認為達到壓力試驗結束條件,應結束本階段壓力試驗,并以最終值為壓力試驗結果。

2.2 壓水試驗成果表示

對于具體工程而言,帷幕灌漿鉆孔壓水試驗段巖體透水率通常根據最大壓力階段壓力值和所對應的流量進行計算,具體公式如下：

式中：q為透水率,根據相關規范,試驗段透水率應取兩位有效數字,若透水率＜0.01 Lu,則以零計；Q3為第三階段（即最大壓力階段）壓入流量,L/min；l為試驗段長度,m；P3為最大壓力階段試驗壓力值,MPa。

在單點法壓水試驗階段：

式中：Q為穩定壓入流量,L/min；S為壓力水頭設計高度,m； ω為單位時間內的實際吸水量,m3/min,主要體現巖體結構透水性能,通常根據單位時間內,單位壓力下單位長度試驗段巖體實際吸水量確定, 1 Lu=0.01ω。

根據設計規范,對于高度在50 m以內的壩,其壩基巖體透水率應在1 Lu～5 Lu以內；高度在50 m～100 m的壩,壩基巖體相對隔水層透水率應在3 Lu～5 Lu以內；而高度在100 m以上的壩,壩基巖體透水率應為1 Lu～3 Lu。

2.3 試驗儀器及設備

為進行碧湖水庫壩基帷幕灌漿鉆孔壓水試驗,并簡化試驗過程,保證試驗結果精度,主要采用圖1所示現場鉆孔壓水試驗設備,該設備主要由壓水系統、量測系統和止水系統等構成。

圖1 現場鉆孔壓水試驗設備安裝示意圖

3 試驗要點及結果

3.1 試驗要點

在鉆孔壓水試驗開始前根據地勘結果做好地質記錄,根據地勘資料將透水性相差較大的試驗段嚴格區分開,并分別進行鉆孔壓水試驗,以保證各試驗段試驗結果的準確性。在水庫大壩巖石中鉆進時應采用清水鉆進方式,完成鉆孔后用高壓水徹底沖洗鉆孔。全面檢查鉆孔的垂直度和孔壁質量,孔壁傾斜度應不超出設計要求的1%,并確保孔壁呈平直光滑規整的圓柱狀,若基巖與覆蓋層間存在滲水情況,則應通過增設套管的方式止水。每完成一段鉆進和清孔后便停鉆并由上至下分段壓水,壓水試驗段長度應按5.0 m確定,對于節理裂隙發育、構造破碎以及巖溶洞穴等透水性較強的特殊區域,必須按照試驗設計要求縮短試驗段長度,并單獨完成壓水試驗。為保證試驗過程的可控性及試驗結果的準確性,同一試驗段巖體透水性應大致一致[2]。

3.2 試驗成果

碧湖水庫壩基帷幕灌漿鉆孔壓水試驗具體過程嚴格按照《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》（SL 31-2003）的相關要求執行,由于鉆孔壓水試驗屬于無損檢測,為此還應結合無損檢測技術規范,選擇有代表性的0+039.41 m、0+068 m及0+082 m樁號段為試驗段,共布置8 個檢查孔,試驗壓力均為1 MPa時,碧湖水庫壩基河床含礫凝灰質板巖體中檢查孔鉆孔壓水試驗成果見表1。

表1 壩基河床孔壓水試驗成果

由壓水試驗結果可知,碧湖水庫壩基深度60 m以下主要為弱透水性巖體,但并未出現透水率在1 Lu以下的巖體。對于侵入巖體及正變巖體等塊狀構造巖體多為裂隙性孔隙結構,其原生裂隙與風化裂隙呈網狀分布,其間巖塊多分割為塊體。通常情況下,塊狀巖體僅在風化帶潛水具有統一的地下水面并形成風化帶裂隙潛水,故滲透性差。而對于地下水分布不均的新鮮密實塊狀巖體,裂隙水僅存在于導水裂隙和構造帶,透水性微弱,基本可視為不透水巖體。根據分析,碧湖水庫壩基鉆孔壓水試驗中深度較大的密實段巖體透水率≤1 Lu或為0的情況幾乎不會出現。該水庫工程壩基基巖主要為塊狀含礫凝灰質板巖體,且壩基河床孔弱風化卸荷巖體深度在20 m以上,弱卸荷帶巖體以下主要為極微～不透水巖體,由此看來,表1中碧湖水庫壩基河床含礫凝灰質板巖體中鉆孔壓水試驗成果與水文地質學常規存在矛盾。

3.3 原因分析

根據對碧湖水庫壩基河床含礫凝灰質板巖體鉆孔全景圖像的分析,孔深90 m～100 m處裂隙發育數量僅為5 條,深度分別為87.5 m、86.4 m、88.2 m、90.4 m和98.6 m,且均屬于北東～北西向緩傾角新鮮閉合裂隙。根據碧湖水庫壩基水文地質條件,其淺表卸荷帶裂隙內通常包含不均勻承壓地下水,且壓力水頭比江水位略高,微新密實巖體中存在地下水的可能性較小。所以,在微新密實巖體內進行鉆孔水壓試驗時,不能單一地認為水頭壓力與江水一致,因為這種情況要求壓水試驗封閉段必須與外界連通,很顯然這種觀點對于壩基深部巖體并不適用。

在壩基一定深度下微新密實巖體內進行鉆孔壓水試驗,其壓水過程就是對裂隙充水的過程,應在對應壓力下保證裂隙巖體充滿。隨著壓力的不斷增大,巖體充水范圍持續擴大,若在卸荷過程中出現地表壓力表反轉或地下水回流等情況,則表明試驗段巖體具備相對封閉和獨立性,且初始水頭壓力接近零,試驗段無地下水。

現行水利水電工程壓水試驗規范中對這種特殊情形未有明確規定,既有規范中試驗段壓力值均從江水面起算,造成計算所用壓力值取值偏小,巖體透水率計算結果偏大,壩基一定深度微新密實巖體不會出現極微透水的情形。根據工程實際調整壓力[3]后重新進行的碧湖水庫壩基河床含礫凝灰質板巖體中鉆孔壓水試驗成果見表2。

表2 試驗壓力調整后壩基河床孔壓水試驗成果

根據表2 試驗壓力調整后壩基河床孔壓水試驗成果,孔深75 m以下微新密實含礫凝灰質板巖巖體存在微透水情況,則調整后的透水率試驗結果便與水文地質學觀點基本一致,也較為符合碧湖水庫壩基巖體實際情況。

4 結論

綜上所述,水庫大壩等水工建筑物的建設會引起區域環境水文地質條件劇烈變動,特別是高壓水頭會造成地下水面以下裂隙巖體滲透性能的改變,通常通過鉆孔壓水試驗了解地下水面以下巖土體滲透特性。在進行水庫大壩壩基帷幕灌漿鉆孔壓水試驗資料處理時,針對在一定深度內微新密實巖體壓水試驗中計算壓力所存在的偏差,其壓力值計算結果明顯偏小,且隨著深度的增大,壓力值計算偏差越大,由此所造成的巖體透水率偏差也越大,所以鉆孔壓水試驗便經常出現成果＜1 Lu的情況,很難滿足高大壩基巖體透水率以1 Lu為底限的防滲要求。本文以碧湖水庫高壩基為依托所提出的在河床處一定深度微新密實巖體壓水試驗中調整試驗壓力重新進行壩基河床孔壓水試驗的做法,主要基于深部壓水試驗段屬于與外界無水力聯系的獨立系統的假定,計算時必須充分考慮壓水試驗段中點至庫水面壓力水頭。本文針對現行規范中水利水電工程帷幕灌漿鉆孔壓水試驗方法的改進對于類似工程均具有一定適用性,在具體應用過程中必須結合工程實際進行試驗參數的相應調整,以保證試驗結果的準確適用。