壓水試驗(yàn)在石灰石礦山邊坡穩(wěn)定性分析的應(yīng)用

程 鈧

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東 濟(jì)南）

引言

滲透系數(shù)的確定是滲流分析及控制的基礎(chǔ)，對(duì)于邊坡巖土體分析工程而言，滲透系數(shù)的取值將直接影響滲流計(jì)算的精度，如果不能適當(dāng)取值，必將影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)方案的可靠性。在《巖土工程勘察規(guī)范 GB50021-2009》及《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-2019》中均明確了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在巖土體滲透系數(shù)確定中的重要地位，并給出室內(nèi)滲透試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)等可行的試驗(yàn)方法。其中，鉆孔壓水試驗(yàn)在巖體滲透性能評(píng)價(jià)等方面有著廣泛的應(yīng)用。為此，本文依托地質(zhì)條件復(fù)雜的某一礦山工程，以實(shí)現(xiàn)鉆孔壓水試驗(yàn)過程及巖體滲透系數(shù)的應(yīng)用[1]。

1 工程概況

（1）試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)概況：本次試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)地層發(fā)育，主要為太古代泰山巖群地層、寒武紀(jì)地層、奧陶紀(jì)地層以及新生代第四紀(jì)地層等；區(qū)域構(gòu)造以斷裂為主，規(guī)模較大的主要為馬牧池?cái)嗔眩瑪嗔殉时蔽飨颍缘V區(qū)北側(cè)邊緣通過。區(qū)域巖漿巖發(fā)育，以侵入巖為主，為新太古代晚期傲徠山序列松山單元中粒二長(zhǎng)花崗巖，為基底巖石。

（2）試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)地層概況：本次試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)出露的地層主要為奧陶系馬家溝群北庵莊組以及新生代第四系地層。由老至新分述如下：

①奧陶系馬家溝群地層：礦區(qū)內(nèi)廣泛分布，構(gòu)成普山寨、蘆山寨、臥牛山、龜山、官莊后山等，底部與東黃山段角礫狀白云巖整合接觸。總體產(chǎn)狀220°∠5°～40°。②第四系地層：為殘坡積物，由黃色黏土、粉質(zhì)黏土組成。主要分布于礦區(qū)西南部、蘆山寨西側(cè)低洼地段，厚度約0～5 m。

（3）試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)構(gòu)造概況：區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造形跡有褶皺構(gòu)造與斷裂構(gòu)造，并分布與之伴生的節(jié)理構(gòu)造。

①褶皺構(gòu)造：受區(qū)域構(gòu)造影響，特別是馬牧池?cái)嗔训挠绊懀V區(qū)及外圍分布數(shù)個(gè)向斜和背斜構(gòu)造，其中包括龜山背斜、普山寨向斜、臥牛山背斜、蘆山寨背斜和向斜構(gòu)造、前山向斜（斷裂）。②節(jié)理構(gòu)造：試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)靠近區(qū)域性大斷裂，多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不僅形成大規(guī)模的斷裂和褶皺，也有微觀的節(jié)理發(fā)育。

2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔結(jié)束后，利用已成形鉆孔進(jìn)行水文地質(zhì)測(cè)試即壓水試驗(yàn)，本次壓水試驗(yàn)采用機(jī)械法進(jìn)行三點(diǎn)壓水試驗(yàn)，即三級(jí)壓力、五個(gè)階段。采用設(shè)備有φ89 mm 的氣壓式止水塞（橡膠注水封孔器1 組）、高精度壓力表（1個(gè)）、流量表（1 個(gè)）、加壓泵、水箱、管線、閥門等（見圖1、圖2）[2]。

圖1 壓水試驗(yàn)設(shè)備組裝圖

圖2 壓水試驗(yàn)設(shè)備

3 試驗(yàn)過程

本次壓水試驗(yàn)采用三級(jí)壓力、五個(gè)壓力階段：P1-P2-P3-P4-P5，P1=P4=0.3 MPa，P2=P5=0.6 MPa，P3=1.0 MPa；試驗(yàn)過程中需保持各級(jí)壓力的穩(wěn)定，對(duì)壓力和流量同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，每1min 記錄一次，當(dāng)連續(xù)4 次流量讀數(shù)的最大和最小值之差小于平均值的10%或1 L/min 時(shí)，終止試驗(yàn)。壓力精度0.01 MPa，流量精度0.000 1 m3。

整個(gè)試驗(yàn)過程中有專人負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)記錄，并對(duì)所取得的數(shù)據(jù)及時(shí)匯總、整理，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算出滲透率（k）及滲透性系數(shù)（K），繪制P-Q 曲線，判斷壓水試驗(yàn)流態(tài)A（層流型）、B（紊流型）、C（擴(kuò)充型）、D（沖刷型）、E（充填型）。整個(gè)過程符合《水文地質(zhì)手冊(cè)（第二版）》的相關(guān)規(guī)范要求，取得數(shù)據(jù)真實(shí)可靠[3]。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)共布置2 個(gè)壓水試驗(yàn)鉆孔（鉆孔XK2-3、XK3-2 及XK4-2），采用三點(diǎn)壓水試驗(yàn)法，即三級(jí)壓力、五個(gè)階段。

根據(jù)水文地質(zhì)手冊(cè)第二版，本次壓水試驗(yàn)試驗(yàn)段透水率（k）計(jì)算公式為：

式中：k 為試段透水率（Lu）；L 為試段長(zhǎng)度（m）；Q3為第三級(jí)壓力階段壓入流量（L/min）；

P3為第三級(jí)壓力階段試驗(yàn)壓力（MPa）；K 為滲透系數(shù)（cm/s）。

試驗(yàn)詳見表1。

表1 鉆孔壓水試驗(yàn)成果表

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，邊坡巖體性質(zhì)決定了巖層本身的透水性，在構(gòu)造作用下，經(jīng)風(fēng)化后，裂隙較發(fā)育，巖體完整性受到破壞，風(fēng)化裂隙發(fā)育呈網(wǎng)狀，給地下水的運(yùn)移創(chuàng)造了有利空間和通道[4]。

據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，在構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育強(qiáng)烈的試驗(yàn)段，基巖透水性良好，在鉆孔壓水試驗(yàn)過程中因巖體透水率高，無法升壓，甚至不返水，透水率達(dá)31.6～116.27 Lu；在構(gòu)造裂隙發(fā)育較少或者裂隙閉合試段，透水性減弱，透水率多在3～7.6 Lu 之間（詳見壓水試驗(yàn)P-Q 曲線圖，圖3-圖8）[5]。

圖3 XK3-2 鉆孔P-Q 曲線圖

圖4 XK3-2 鉆孔P-Q 曲線圖

圖5 XK3-2 鉆孔P-Q 曲線圖

圖6 XK4-2 鉆孔P-Q 曲線圖

圖7 XK4-2 鉆孔P-Q 曲線圖

圖8 XK4-2 鉆孔P-Q 曲線圖

本礦區(qū)邊坡巖體透水率主要受其裂隙發(fā)育程度控制，垂直方向隨著埋藏深度增加巖體透水率逐漸變小，水平方向并無明顯變化規(guī)律[6]。

5 結(jié)論分析

結(jié)合本次試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)水文情況：大氣降水是區(qū)內(nèi)各種類型地下水的主要補(bǔ)給來源。松散巖類孔隙水和碳酸鹽類巖溶裂隙水還可以接受基巖風(fēng)化裂隙水側(cè)向補(bǔ)給[7]。受地形、地貌和構(gòu)造的控制，地下水流向與地形坡向基本一致，在礦區(qū)總體地下水流向自北向南、西南徑流。局部受地形及構(gòu)造影響，地下水流向有所改變[8]。松散巖類孔隙水主要的排泄途徑為人工開采、地下徑流及自然蒸發(fā)；碳酸鹽巖巖溶裂隙水主要的排泄途徑有：人工開采、地下徑流及泉排泄。如場(chǎng)區(qū)東南約1.5 km 的雙泉村（標(biāo)高+130 m）的泉水長(zhǎng)年噴涌，涌水量為150～300 m3／d。

地下水動(dòng)態(tài)主要受氣候、人工開采的影響，由于本區(qū)地形切割較淺及沒有大型的長(zhǎng)期開采水源地，地下水位變幅較小；碳酸鹽巖類巖溶裂隙水含水層分布區(qū)，地下水動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，二者變化趨勢(shì)基本一致，與降水關(guān)系密切，通過近幾年開采，礦區(qū)共形成多個(gè)采坑，坑內(nèi)干涸無水，礦山開采后水文地質(zhì)條件無變化。

根據(jù)上述試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，巖石透水率位于不同數(shù)量級(jí)之間，分別為：3～7.66 Lu 和31.6～116.27 Lu，對(duì)應(yīng)巖石滲透系數(shù)分別為：（K）4.61～11.49×10-5cm/s 和4.75～17.44×10-4cm/s，由此可以判斷：礦區(qū)地層透水率受裂隙發(fā)育程度控制，垂直方向隨著深度增加逐漸變小，水平方向無明顯規(guī)律。透水率較大的地方，巖石完整程度較差，巖石穩(wěn)定性較差，反之，透水率較小的地方，巖石完整程度較好，巖石穩(wěn)定性較好[9]。