珊瑚礁灰?guī)r的透水特性和基坑降水措施研究

鄭建國 喬建偉 唐國藝

(1.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710043；2.陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點實驗室，陜西西安 710043)

0 引言

珊瑚礁灰?guī)r是造礁石珊瑚群體死亡后其遺骸經(jīng)過漫長的地質(zhì)作用形成的巖土體，廣泛分布在南北回歸線之間的熱帶海洋地區(qū)，其獨特的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征和發(fā)育環(huán)境的特殊性，導(dǎo)致其具有獨特的物理力學(xué)特性和工程地質(zhì)特性[1-5]。珊瑚群體死亡后堆積在原地的遺骸構(gòu)成的巖體稱為原生礁；死的或活的珊瑚體被波浪等外力破壞，其殘骸和各種附著生物及鈣質(zhì)藻類的遺骸，連同其它各種生物骨殼等碎屑經(jīng)過遷移堆積，被壓密膠結(jié)成的巖體為次生礁。原生礁和次生礁經(jīng)過長期的物理化學(xué)和生物化學(xué)作用后構(gòu)成了珊瑚礁巖土體(coral reef soil)，廣義上的珊瑚礁巖土包括珊瑚砂(coral sand)、鈣質(zhì)土(calcareous soil)以及珊瑚礁灰?guī)r(reef limestone)[6-7]。

與珊瑚砂和鈣質(zhì)土相比，珊瑚礁灰?guī)r的物理力學(xué)特性和工程地質(zhì)特性研究還比較少，尚處于起步探索階段。王新志[8-9]通過室內(nèi)試驗對南沙群島珊瑚礁灰?guī)r的聲學(xué)特性、密度、孔隙率、強度特性和變形破壞特征進行了綜合研究，根據(jù)礁灰?guī)r的結(jié)構(gòu)特征和組分劃分為珊瑚灰?guī)r、珊瑚礫塊灰?guī)r、生物砂礫塊灰?guī)r、珊瑚礫屑灰?guī)r、生物砂礫屑灰?guī)r、珊瑚藻石砂礫屑灰?guī)r、生物礫砂屑灰?guī)r、含礫砂屑灰?guī)r和生物砂屑灰?guī)r等9類。Zhu等[10]基于一系列的工程地質(zhì)勘探手段、室內(nèi)試驗和原位試驗研究了馬爾代夫珊瑚礁灰?guī)r的物理力學(xué)性質(zhì)，揭示了珊瑚礁灰?guī)r具有多孔洞的骨架結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不同位置珊瑚礁灰?guī)r的膠結(jié)程度或成巖程度不盡相同。任世鋒等[11]通過室內(nèi)滲透試驗和鉆孔抽水試驗，發(fā)現(xiàn)巴哈馬北阿巴科港地區(qū)珊瑚礁灰?guī)r的滲透特性與孔隙和裂隙的發(fā)育程度及其連通性有關(guān)，提出原位滲透試驗結(jié)果更能夠反映珊瑚礁灰?guī)r的滲透特性。

綜上，目前關(guān)于珊瑚礁灰?guī)r的研究特別是針對其透水特性和基坑止水降水措施的研究還相對較少。而珊瑚礁灰?guī)r主要分布在海島或沿海地帶，其地下水位淺，水量大，大規(guī)模工程建設(shè)過程中的基坑降水問題往往是決定工期和施工難度的關(guān)鍵問題。本文通過工程地質(zhì)鉆探和現(xiàn)場鉆孔壓水試驗揭示了印度尼西亞東爪哇島珊瑚礁灰?guī)r的結(jié)構(gòu)特征和透水特性，通過現(xiàn)場原型試驗分析了珊瑚礁灰?guī)r地區(qū)基坑工程的降水措施。

1 場地珊瑚礁灰?guī)r的結(jié)構(gòu)特征和透水特性

1.1 珊瑚礁灰?guī)r結(jié)構(gòu)特征

工程地質(zhì)鉆探結(jié)果揭示珊瑚礁灰?guī)r埋藏較淺，上部第四系覆蓋層①黏土厚度為1～2 m(見圖1)。珊瑚礁灰?guī)r按巖芯結(jié)構(gòu)類型可劃分為三層：②灰泥混珊瑚礁鈣質(zhì)結(jié)核；③塊狀珊瑚礁灰?guī)r；④柱狀珊瑚礁灰?guī)r。

圖1 研究區(qū)工程地質(zhì)剖面圖

②灰泥混珊瑚礁鈣質(zhì)結(jié)核：鉆孔巖芯顯示該層巖土由大量灰泥和珊瑚礁鈣質(zhì)結(jié)核組成(見圖2a)，未固結(jié)?；夷酁榛揖G色，軟塑。鈣質(zhì)結(jié)核含大量蜂窩狀溶蝕孔洞(見圖2b)，粒徑不均勻，最大粒徑超過10 cm；

③塊狀珊瑚礁灰?guī)r：灰白色，巖芯呈碎塊狀和散粒狀，固結(jié)一般。內(nèi)孔隙發(fā)育(見圖2c)，局部含純灰泥和具有大量蜂窩狀溶蝕孔洞的鈣質(zhì)結(jié)核；

圖2 zk1取樣點珊瑚礁灰?guī)r典型照片

④柱狀珊瑚礁灰?guī)r：灰白色，巖芯呈短柱狀，局部含有碎塊狀和散粒狀(見圖2d)，固結(jié)較好。單個最長柱狀巖芯約28 cm，巖芯斷面稍致密，內(nèi)孔隙發(fā)育，含少量溶蝕孔洞且局部充填灰泥。

因此，該區(qū)上部發(fā)育的珊瑚礁灰?guī)r按固結(jié)程度可分為未固結(jié)成巖的灰泥混珊瑚鈣質(zhì)結(jié)核層、固結(jié)一般的塊狀珊瑚礁灰?guī)r和固結(jié)較好的柱狀珊瑚礁灰?guī)r。此外，巖芯結(jié)果表明該區(qū)珊瑚礁灰?guī)r的固結(jié)程度隨著深度的增加而增加。

1.2 珊瑚礁灰?guī)r的透水特性

在研究區(qū)開展鉆孔壓水試驗，測得各試驗段的透水率如圖3所示。結(jié)果表明，珊瑚礁灰?guī)r的透水率隨著深度的增加而逐漸減小，其中②層灰泥混珊瑚礁鈣質(zhì)結(jié)核透水性最大，透水率為無窮大；③層塊狀珊瑚礁灰?guī)r的透水性次之，透水率為74～31 Lu，局部為無窮大；④層柱狀珊瑚礁灰?guī)r的透水性最小，透水率為17～2.25 Lu?；夷嗷焐汉鹘糕}質(zhì)結(jié)核層透水率無窮大，是由于該層鈣質(zhì)結(jié)核內(nèi)含大量的蜂窩狀溶蝕孔洞所致。塊狀珊瑚礁灰?guī)r局部透水率為無窮大，是由于局部發(fā)育含大量蜂窩狀溶蝕孔洞的鈣質(zhì)結(jié)核所致。40 m處柱狀珊瑚礁灰?guī)r的透水率降為2.25 Lu，是由于下部巖層固結(jié)較好，巖芯稍致密所致。

因此，該區(qū)珊瑚礁灰?guī)r的透水性強，透水率大小受固結(jié)程度和溶蝕孔洞發(fā)育程度控制。珊瑚礁灰?guī)r的固結(jié)程度越差，其滲透性越大；溶蝕孔洞的發(fā)育程度越高，其滲透性越大。

圖3 研究區(qū)鉆孔壓水試驗各試驗段和透水率分布圖

2 現(xiàn)場試驗

2.1 基坑概況及直接抽排水試驗

現(xiàn)場試驗的基坑設(shè)計深度13.5 m，基坑底面尺寸為29 m×38 m，距離海岸10 m(見圖4a)，地下水位埋深1 m，基坑開挖過程中采用1∶1放坡開挖。首先進行無止水帷幕的直接抽排水試驗，基坑開挖過程中采用16臺大功率抽水機直接抽排的方式降水(抽水量250 m3/h)，在基坑開挖至9 m時，基坑內(nèi)出現(xiàn)7個地下水突涌點(見圖4b)。把矩形基坑假想為一個半徑為r0的圓形大井, 其流入基坑內(nèi)的涌水量Q為從四周坑壁和坑底流入的水量之和，按公式(1)計算[12]：

(1)

式中：k為滲透系數(shù)，cm/s；H為含水層厚度,m；S為基坑水位降深,m；R為基坑降水影響半徑,m；r0為計算引用半徑,m；m0為基坑底部至含水層的距離,m。

圖4 基坑及直接抽排水試驗照片

根據(jù)抽水量反算整個基坑涌水量Q大于4000 m3/h，代入公式(1)計算滲透系數(shù)k大于3.0×10-2cm/s，表明珊瑚礁灰?guī)r的透水率大，直接抽排法無法降低地下水位到理想深度。

2.2 止水帷幕試驗

2.2.1 試驗設(shè)計

為滿足一般工程后續(xù)施工的要求，止水后須達(dá)到完全止水或剩余涌水量不超過50 m3/h，據(jù)此反算確定的灌漿后達(dá)到的設(shè)計要求指標(biāo)為：(1)帷幕深度伸入設(shè)計不透水層不少于2.0 m；(2)灌漿后珊瑚礁灰?guī)r的滲透系數(shù)k≤5×10-5cm/s，即透水率小于5 Lu。

止水帷幕按三排孔設(shè)計，孔距為2.0 m，排距為0.75 m，劃分為4個單元工程，灌漿孔位布置如圖5所示。

圖5 壓力灌漿止水帷幕試驗平面布置圖

2.2.2 止水帷幕施工

灌漿水泥采用普通硅酸鹽水泥，配合水玻璃等外加劑，帷幕灌漿的漿液由稀到濃，逐級變換。灌漿孔開灌水灰質(zhì)量比根據(jù)不同巖層透水率，采取5∶1～0.5∶1不等，透水率越大，水灰質(zhì)量比越小。

施工灌漿按分序加密的原則進行，先施工外排的灌漿孔，然后施工內(nèi)排的灌漿孔，最后施工中間排的灌漿孔。中間排灌漿孔分兩序施工，先施工I序孔(在I序孔中先施工先導(dǎo)孔)，再施工Ⅱ序孔。采用自下而上灌漿，在設(shè)計壓力下，注入率不大于1 L/min后繼續(xù)灌注時間30 min，灌漿即可結(jié)束。

2.3 試驗結(jié)果分析

對比止水帷幕試驗前后的鉆孔巖芯，如圖6所示。從圖6可以看出灌漿后珊瑚礁灰?guī)r的巖芯結(jié)構(gòu)改變顯著，巖芯的溶蝕孔洞消失，水泥結(jié)石體充盈密實；灌漿后珊瑚礁灰?guī)r由含大量溶蝕孔洞的巖體變?yōu)樗酀{充填密實的巖體。

(a)灌漿前 (b)灌漿后圖6 灌漿前后同一深度鉆孔巖芯圖

灌漿止水帷幕完成后，再次進行鉆孔壓水試驗測試其透水率，其灌漿前后的透水率如表1所示。

表1 止水帷幕前后珊瑚礁灰?guī)r透水率

從表1可以看出,試驗后珊瑚礁灰?guī)r的透水率均小于5 Lu，其平均透水率由試驗前的≥27.52 Lu降低為試驗后的2.91 Lu，滲透系數(shù)約為2.91×10-5cm/s，根據(jù)公式(1)計算基坑涌水量Q小于20 m3/h，在采用上述試驗所用的孔距、排距、設(shè)計灌漿壓力情況下，帷幕檢查孔各段透水率和據(jù)此計算的基坑涌水量均能滿足設(shè)計要求(透水率≤5 Lu， 滲透系數(shù)k≤5×10-5cm/s)。止水帷幕灌漿完成后采用4臺抽水機從基坑抽水，抽水過程中基坑再未出現(xiàn)明顯的突涌點，有效地降低了地下水位，可以滿足基坑降水及后續(xù)施工的要求。因此，采用灌漿止水帷幕方法對珊瑚礁灰?guī)r地區(qū)的基坑止水降水是合適的。

3 結(jié)論

(1)印度尼西亞東爪哇島地區(qū)上部發(fā)育的珊瑚礁灰?guī)r按結(jié)構(gòu)類型可劃分為灰泥混珊瑚礁鈣質(zhì)結(jié)核、塊狀珊瑚礁灰?guī)r和柱狀珊瑚礁灰?guī)r。

(2)受珊瑚礁灰?guī)r內(nèi)部發(fā)育的蜂窩狀溶蝕孔洞所控制，珊瑚礁灰?guī)r的透水率遠(yuǎn)大于一般巖體，最大透水率可達(dá)無窮大；透水率與固結(jié)程度成反比，固結(jié)程度越好，透水率越小。

(3)直接抽排水不能有效降低基坑地下水位；灌漿止水帷幕通過減小珊瑚礁灰?guī)r的內(nèi)孔隙從而大大降低透水率，可用于珊瑚礁灰?guī)r地區(qū)的基坑降水工程。