碧湖水庫工程帷幕灌漿鉆孔壓水試驗(yàn)分析

李元平

（江西省水投建設(shè)集團(tuán)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(xiāng)市湘東區(qū)白竺鄉(xiāng)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(qū)段,壩址區(qū)與萍鄉(xiāng)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(dá)到184.0 m,總庫容2178 萬m3,為中型水庫,兼具供水、灌溉、養(yǎng)殖、發(fā)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(shè)施等,壩軸線長191.5 m。導(dǎo)流洞地層主要為弱下～微風(fēng)化狀震旦系下統(tǒng)江口組（Zaj）含礫凝灰質(zhì)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(jié)理裂隙發(fā)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(jìn)行碧湖水庫大壩導(dǎo)流洞帷幕灌漿防滲加固效果的檢驗(yàn),必須結(jié)合帷幕灌漿設(shè)計(jì)要求,在大壩灌漿區(qū)域設(shè)置檢查孔,并進(jìn)行常規(guī)壓水試驗(yàn),其鉆孔、取芯、壓水試驗(yàn)等均按照美國材料協(xié)會(huì)ASTM-D2113 標(biāo)準(zhǔn)和英國BS5930 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。鉆孔鉆進(jìn)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(jié)石充填巖芯必須妥善保存,此后嚴(yán)格按照壓水試驗(yàn)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求檢測巖芯容重、粘結(jié)力及抗?jié)B性能。

2 試驗(yàn)?zāi)康呐c原理

鉆孔壓水試驗(yàn)主要在巖體中鉆孔,并將鉆孔分割成若干試驗(yàn)段,將壓力水逐級(jí)壓入試驗(yàn)段圍巖后,根據(jù)試驗(yàn)期間所壓入水量及所施加壓力的大小,進(jìn)行巖體滲透系數(shù)計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析和判斷圍巖裂隙發(fā)育程度[1]。

2.1 壓水試驗(yàn)階段

鉆孔壓水試驗(yàn)是當(dāng)前國內(nèi)外水利水電工程地質(zhì)勘查中常用的原位巖體滲透試驗(yàn),根據(jù)相關(guān)規(guī)范,按照試驗(yàn)階段,應(yīng)將壓水試驗(yàn)分為單點(diǎn)法和五點(diǎn)法兩種,前者主要采用一級(jí)試驗(yàn)壓力,后者則采用三級(jí)試驗(yàn)壓力。碧湖水庫工程大壩導(dǎo)流洞帷幕灌漿先導(dǎo)孔和檢查孔均采用單點(diǎn)法壓水試驗(yàn),滲漏嚴(yán)重的重點(diǎn)加固區(qū)域等特殊部位則采用五點(diǎn)法壓水試驗(yàn)。

按照規(guī)范要求,壓水試驗(yàn)壓力應(yīng)按照設(shè)計(jì)灌漿壓力的80%確定,當(dāng)所確定的試驗(yàn)壓力超出1 MPa時(shí)應(yīng)按照1 MPa確定。在穩(wěn)壓條件下每過3 min～5 min便進(jìn)行1 次壓入流量實(shí)際值的測讀,如果連續(xù)4次所測讀到的結(jié)果中最大、最小讀數(shù)之差不超過1 L/min,則認(rèn)為達(dá)到壓力試驗(yàn)結(jié)束條件,應(yīng)結(jié)束本階段壓力試驗(yàn),并以最終值為壓力試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 壓水試驗(yàn)成果表示

對(duì)于具體工程而言,帷幕灌漿鉆孔壓水試驗(yàn)段巖體透水率通常根據(jù)最大壓力階段壓力值和所對(duì)應(yīng)的流量進(jìn)行計(jì)算,具體公式如下：

式中：q為透水率,根據(jù)相關(guān)規(guī)范,試驗(yàn)段透水率應(yīng)取兩位有效數(shù)字,若透水率＜0.01 Lu,則以零計(jì)；Q3為第三階段（即最大壓力階段）壓入流量,L/min；l為試驗(yàn)段長度,m；P3為最大壓力階段試驗(yàn)壓力值,MPa。

在單點(diǎn)法壓水試驗(yàn)階段：

式中：Q為穩(wěn)定壓入流量,L/min；S為壓力水頭設(shè)計(jì)高度,m； ω為單位時(shí)間內(nèi)的實(shí)際吸水量,m3/min,主要體現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)透水性能,通常根據(jù)單位時(shí)間內(nèi),單位壓力下單位長度試驗(yàn)段巖體實(shí)際吸水量確定, 1 Lu=0.01ω。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)于高度在50 m以內(nèi)的壩,其壩基巖體透水率應(yīng)在1 Lu～5 Lu以內(nèi)；高度在50 m～100 m的壩,壩基巖體相對(duì)隔水層透水率應(yīng)在3 Lu～5 Lu以內(nèi)；而高度在100 m以上的壩,壩基巖體透水率應(yīng)為1 Lu～3 Lu。

2.3 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

為進(jìn)行碧湖水庫壩基帷幕灌漿鉆孔壓水試驗(yàn),并簡化試驗(yàn)過程,保證試驗(yàn)結(jié)果精度,主要采用圖1所示現(xiàn)場鉆孔壓水試驗(yàn)設(shè)備,該設(shè)備主要由壓水系統(tǒng)、量測系統(tǒng)和止水系統(tǒng)等構(gòu)成。

圖1 現(xiàn)場鉆孔壓水試驗(yàn)設(shè)備安裝示意圖

3 試驗(yàn)要點(diǎn)及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)要點(diǎn)

在鉆孔壓水試驗(yàn)開始前根據(jù)地勘結(jié)果做好地質(zhì)記錄,根據(jù)地勘資料將透水性相差較大的試驗(yàn)段嚴(yán)格區(qū)分開,并分別進(jìn)行鉆孔壓水試驗(yàn),以保證各試驗(yàn)段試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在水庫大壩巖石中鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)采用清水鉆進(jìn)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(zhì)量,孔壁傾斜度應(yīng)不超出設(shè)計(jì)要求的1%,并確?？妆诔势街惫饣?guī)整的圓柱狀,若基巖與覆蓋層間存在滲水情況,則應(yīng)通過增設(shè)套管的方式止水。每完成一段鉆進(jìn)和清孔后便停鉆并由上至下分段壓水,壓水試驗(yàn)段長度應(yīng)按5.0 m確定,對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育、構(gòu)造破碎以及巖溶洞穴等透水性較強(qiáng)的特殊區(qū)域,必須按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求縮短試驗(yàn)段長度,并單獨(dú)完成壓水試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)過程的可控性及試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,同一試驗(yàn)段巖體透水性應(yīng)大致一致[2]。

3.2 試驗(yàn)成果

碧湖水庫壩基帷幕灌漿鉆孔壓水試驗(yàn)具體過程嚴(yán)格按照《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》（SL 31-2003）的相關(guān)要求執(zhí)行,由于鉆孔壓水試驗(yàn)屬于無損檢測,為此還應(yīng)結(jié)合無損檢測技術(shù)規(guī)范,選擇有代表性的0+039.41 m、0+068 m及0+082 m樁號(hào)段為試驗(yàn)段,共布置8 個(gè)檢查孔,試驗(yàn)壓力均為1 MPa時(shí),碧湖水庫壩基河床含礫凝灰質(zhì)板巖體中檢查孔鉆孔壓水試驗(yàn)成果見表1。

表1 壩基河床孔壓水試驗(yàn)成果

由壓水試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)透水率在1 Lu以下的巖體。對(duì)于侵入巖體及正變巖體等塊狀構(gòu)造巖體多為裂隙性孔隙結(jié)構(gòu),其原生裂隙與風(fēng)化裂隙呈網(wǎng)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(fēng)化帶潛水具有統(tǒng)一的地下水面并形成風(fēng)化帶裂隙潛水,故滲透性差。而對(duì)于地下水分布不均的新鮮密實(shí)塊狀巖體,裂隙水僅存在于導(dǎo)水裂隙和構(gòu)造帶,透水性微弱,基本可視為不透水巖體。根據(jù)分析,碧湖水庫壩基鉆孔壓水試驗(yàn)中深度較大的密實(shí)段巖體透水率≤1 Lu或?yàn)?的情況幾乎不會(huì)出現(xiàn)。該水庫工程壩基基巖主要為塊狀含礫凝灰質(zhì)板巖體,且壩基河床孔弱風(fēng)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(zhì)板巖體中鉆孔壓水試驗(yàn)成果與水文地質(zhì)學(xué)常規(guī)存在矛盾。

3.3 原因分析

根據(jù)對(duì)碧湖水庫壩基河床含礫凝灰質(zhì)板巖體鉆孔全景圖像的分析,孔深90 m～100 m處裂隙發(fā)育數(shù)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(jù)碧湖水庫壩基水文地質(zhì)條件,其淺表卸荷帶裂隙內(nèi)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(shí)巖體中存在地下水的可能性較小。所以,在微新密實(shí)巖體內(nèi)進(jìn)行鉆孔水壓試驗(yàn)時(shí),不能單一地認(rèn)為水頭壓力與江水一致,因?yàn)檫@種情況要求壓水試驗(yàn)封閉段必須與外界連通,很顯然這種觀點(diǎn)對(duì)于壩基深部巖體并不適用。

在壩基一定深度下微新密實(shí)巖體內(nèi)進(jìn)行鉆孔壓水試驗(yàn),其壓水過程就是對(duì)裂隙充水的過程,應(yīng)在對(duì)應(yīng)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(xù)擴(kuò)大,若在卸荷過程中出現(xiàn)地表壓力表反轉(zhuǎn)或地下水回流等情況,則表明試驗(yàn)段巖體具備相對(duì)封閉和獨(dú)立性,且初始水頭壓力接近零,試驗(yàn)段無地下水。

現(xiàn)行水利水電工程壓水試驗(yàn)規(guī)范中對(duì)這種特殊情形未有明確規(guī)定,既有規(guī)范中試驗(yàn)段壓力值均從江水面起算,造成計(jì)算所用壓力值取值偏小,巖體透水率計(jì)算結(jié)果偏大,壩基一定深度微新密實(shí)巖體不會(huì)出現(xiàn)極微透水的情形。根據(jù)工程實(shí)際調(diào)整壓力[3]后重新進(jìn)行的碧湖水庫壩基河床含礫凝灰質(zhì)板巖體中鉆孔壓水試驗(yàn)成果見表2。

表2 試驗(yàn)壓力調(diào)整后壩基河床孔壓水試驗(yàn)成果

根據(jù)表2 試驗(yàn)壓力調(diào)整后壩基河床孔壓水試驗(yàn)成果,孔深75 m以下微新密實(shí)含礫凝灰質(zhì)板巖巖體存在微透水情況,則調(diào)整后的透水率試驗(yàn)結(jié)果便與水文地質(zhì)學(xué)觀點(diǎn)基本一致,也較為符合碧湖水庫壩基巖體實(shí)際情況。

4 結(jié)論

綜上所述,水庫大壩等水工建筑物的建設(shè)會(huì)引起區(qū)域環(huán)境水文地質(zhì)條件劇烈變動(dòng),特別是高壓水頭會(huì)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(yàn)了解地下水面以下巖土體滲透特性。在進(jìn)行水庫大壩壩基帷幕灌漿鉆孔壓水試驗(yàn)資料處理時(shí),針對(duì)在一定深度內(nèi)微新密實(shí)巖體壓水試驗(yàn)中計(jì)算壓力所存在的偏差,其壓力值計(jì)算結(jié)果明顯偏小,且隨著深度的增大,壓力值計(jì)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(yàn)便經(jīng)常出現(xiàn)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(shí)巖體壓水試驗(yàn)中調(diào)整試驗(yàn)壓力重新進(jìn)行壩基河床孔壓水試驗(yàn)的做法,主要基于深部壓水試驗(yàn)段屬于與外界無水力聯(lián)系的獨(dú)立系統(tǒng)的假定,計(jì)算時(shí)必須充分考慮壓水試驗(yàn)段中點(diǎn)至庫水面壓力水頭。本文針對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中水利水電工程帷幕灌漿鉆孔壓水試驗(yàn)方法的改進(jìn)對(duì)于類似工程均具有一定適用性,在具體應(yīng)用過程中必須結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的相應(yīng)調(diào)整,以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確適用。