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(jié)合工程物探及室內(nèi)試驗從巖體裂隙、泥質(zhì)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(zhì)含量的紅層砂巖表現(xiàn)出的不同滲透破壞特性，并對其巖體滲透穩(wěn)定性進行了定量分析。本文的研究方法及研究成果對相關(guān)工程中紅層砂巖的鉆孔壓水試驗及其他水文地質(zhì)試驗均具有一定的參考價值。

關(guān)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(zhì)力學性質(zhì)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(chǔ)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(chǔ)巖體結(jié)構(gòu)被破壞后，容易引起船閘失穩(wěn)而造成災害性后果。因此查明船閘工程基礎(chǔ)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(jié)合工程物探及室內(nèi)試驗統(tǒng)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(cè)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?，F(xiàn)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(wěn)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(jù)試驗規(guī)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(jù)壓力與流量的關(guān)系確定巖體滲透特性的一種原位滲透試驗。其主要任務(wù)是測定巖體的透水性，為評價巖體的滲透特性和設(shè)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(nèi)。

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(chǔ)所受的水壓力增大而形成拉應(yīng)力，以致巖體結(jié)構(gòu)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(nèi)產(chǎn)生較高的水頭壓力，造成巖體結(jié)構(gòu)被破壞而導致船閘基礎(chǔ)失穩(wěn)。根據(jù)某船閘工程的水文特征及場地紅層巖體的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)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(jù)設(shè)計方案，樞紐的設(shè)計蓄水深度分別為18.40m及24.90m。根據(jù)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(shù)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(shè)計及工程運行的要求。

（2）試驗段巖體的強度：根據(jù)現(xiàn)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(nèi)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(jié)果統(tǒng)計見表1。由統(tǒng)計結(jié)果可知，泥質(zhì)含量8～10%的紅層砂巖，試驗壓力不得大于1.69 MPa；泥質(zhì)含量20%的紅層砂巖，試驗壓力不得大于0.74 MPa。

（3）進行現(xiàn)場試壓水：泥質(zhì)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(zhì)含量20%的紅層砂巖，在試驗壓力P≥0.80MPa時，亦出現(xiàn)上述巖體被破壞的情況。

根據(jù)以上結(jié)果分析，在正式的現(xiàn)場鉆孔壓水試驗時，應(yīng)根據(jù)實際工況、巖層承壓能力及現(xiàn)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(shù)據(jù)失真。泥質(zhì)含量8～10%的紅層砂巖，試驗壓力采用規(guī)程推薦的0.30-0.60-1.0MPa；泥質(zhì)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(tǒng)計

根據(jù)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(tǒng)計分析結(jié)果見表2及表3。

3.2透水率影響因素分析

（1）根據(jù)表2可知，泥質(zhì)含量8～10%的紅層砂巖，巖體透水率與巖體裂隙的發(fā)育程度有著密切的關(guān)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(fā)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(fā)育或發(fā)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(jù)表3可知，泥質(zhì)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(guān)，與巖體非貫通裂隙的發(fā)育程度及風化程度聯(lián)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(fā)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(fā)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(jù)圖3及圖4分析可知，紅層砂巖的滲透特性主要表現(xiàn)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(xiàn)為B（紊流）型，表明高壓水通過巖體的層理及節(jié)理裂隙滲流，流向紊亂，而且?guī)r體裂隙在試驗壓力作用下沒有發(fā)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(xiàn)為C（擴張）型，表明巖體在試驗壓力下裂隙發(fā)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(tài)，表明巖體裂隙具有彈性擴張的特點，具體表現(xiàn)為升壓曲線與降壓曲線基本重合。

（2）圖4還表明，泥質(zhì)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(xiàn)為：

①試驗壓力自P1增大至P2時，穩(wěn)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(wěn)定。

3.4 巖體滲透穩(wěn)定性分析

根據(jù)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(xiàn)出的滲透特性，紅層砂巖的巖體滲透穩(wěn)定性具有以下特點：

（1）紊流階段：泥質(zhì)含量8～10%的紅層砂巖在水頭壓力0-0.3-0.6MPa及泥質(zhì)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(jié)構(gòu)面等未發(fā)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(fā)生變化，滲透穩(wěn)定性良好。

（2）擴張階段：泥質(zhì)含量8～10%的紅層砂巖在水頭壓力0.6 -1.0 -1.2MPa及泥質(zhì)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(tài)，屬于彈性擴張。由于巖體裂隙中的水力通道未發(fā)生明顯變化，滲透穩(wěn)定性較好。

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

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

4.結(jié)論

（1）紅層砂巖鉆孔壓水試驗壓力選擇宜根據(jù)工況條件，巖層承壓能力及現(xiàn)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(shù)據(jù)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(zhì)含量?。?～10%）的紅層砂巖，其透水特性與非貫通性裂隙發(fā)育程度有一定的正相關(guān)性；而泥質(zhì)含量大（20%）的紅層砂巖，其透水特性與非貫通性裂隙發(fā)育程度無明顯相關(guān)性。

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

（4）泥質(zhì)含量20%的紅層砂巖在壓水試驗過程中表現(xiàn)出明顯的吸水特性。

（5）紅層砂巖在本工程設(shè)計工況條件下的巖體滲透穩(wěn)定性良好。

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

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