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(xué)特征，在壩址區(qū)域設(shè)置部分鉆孔進(jìn)行鉆孔膨脹測試，并結(jié)合巖體工程地質(zhì)環(huán)境與巖體級別，提出該工程不同區(qū)域、不同級別巖體的變形參數(shù)建議值。

2 測試與分析方法

（1）現(xiàn)場測試。在設(shè)計進(jìn)行試驗的鉆孔中，按平均間距5m選擇的壩基基礎(chǔ)深度內(nèi)，進(jìn)行鉆孔變形測試，測試結(jié)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(xué)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(jù)現(xiàn)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(jié)果分析。綜合工程地質(zhì)條件、巖體分級和工程類比，提出該工程不同區(qū)域、不同級別巖體的變形參數(shù)建議值。

3 試驗設(shè)備

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

4 試驗基本操作要求

為更有效地取得測試數(shù)據(jù)，結(jié)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(dá)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(jīng)校準(zhǔn)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(shù)的精確度應(yīng)控制在0.001mm。

鉆探到達(dá)特定的試驗深度時要停止鉆進(jìn)。停止鉆進(jìn)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(jìn)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(diào)整基座的位置，如果需要的話還可在較小范圍內(nèi)調(diào)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(nèi)都要進(jìn)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(jìn)行3輪變壓過程，每個周期都要進(jìn)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(xù)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(yīng)再持續(xù)2min。

卸載時每級荷載通常應(yīng)持續(xù)2min。

連續(xù)的2級壓力之間進(jìn)行加卸載間隔時間至少為2min。

5 現(xiàn)場試驗概況

在沿著舊壩軸線（參見表1）的壩區(qū)和泄洪道地區(qū)的3個鉆孔內(nèi)進(jìn)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(jìn)行了22次測試。

5.1 測試結(jié)果

膨脹計測試的結(jié)果以及所測試的巖石類型都?xì)w納在表1中。

表1 大壩壩址的膨脹計測試結(jié)果

5.2 測試結(jié)果探析

從表1可以很明顯地看出，數(shù)據(jù)很分散，大部分的變形模量范圍在3～5GPa之間，這表明巖體質(zhì)量從中等到劣質(zhì)不一。

從鉆探和地震調(diào)查據(jù)中可知，大壩壩址中發(fā)現(xiàn)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(qū)，也有其他的巖石，其特點是經(jīng)過深層次風(fēng)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(fēng)化過程的影響減弱，同時巖體質(zhì)量得到改善（節(jié)理閉合等）。

由于風(fēng)化的影響，低形變被發(fā)現(xiàn)存在于表層附近，而且，由于熱液蝕變也可以沿著深處的節(jié)理或斷層發(fā)生，在熱液蝕變的作用下，低形變也存在于更深的巖區(qū)中。這樣，也正說明了關(guān)于形變的零散數(shù)據(jù)的范圍之廣的可能性。

從測試結(jié)果可以看出，數(shù)據(jù)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(jīng)隨著膨脹計探頭的探測確定了。最低值體現(xiàn)出完整的熱液蝕變，即鉆井中構(gòu)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(jié)果顯然可以得出形變的方向相關(guān)性。最大形變的方向指向東（約100°）。綜合所有的測試結(jié)果，可以得出相對于方向220°，340°和100°的比例一一對應(yīng)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(dāng)?shù)氐臉?gòu)造和結(jié)構(gòu)狀況有關(guān)。該方向是垂直于節(jié)理，并垂直于該地區(qū)的突出背斜中的主節(jié)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(jié)理系垂直。圖1的褶皺與節(jié)理的統(tǒng)計圖明顯表明了巖體形變的方向相關(guān)性（圖1）。

圖1 巖石質(zhì)量變形依賴性的膨脹實驗變形模量關(guān)系圖

6 結(jié)論

巖體膨脹試驗不僅精確度要求高，而且對實驗人員及設(shè)備的要求極高，這些因素直接會影響到試驗結(jié)果的準(zhǔn)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(yán)格要求，而且，在實驗設(shè)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(shù)據(jù)更好地為工程服務(wù)。

[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.