王丹微，龐大鵬，喬艷紅

(1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118;2.東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130033；3.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000)

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壓水試驗(yàn)在工程巖體透水性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

王丹微1，龐大鵬2，喬艷紅3

(1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118;2.東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130033；3.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000)

在核電工程的可行性研究階段，客觀準(zhǔn)確評(píng)價(jià)工程巖體穩(wěn)定性極為必要。巖土工程勘察中，在了解場(chǎng)地基本工程地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，分別對(duì)3個(gè)待選廠址中一定數(shù)量的鉆孔內(nèi)巖體進(jìn)行了壓水試驗(yàn)，計(jì)算出各試驗(yàn)段的巖體透水性指標(biāo),得出壓水試驗(yàn)曲線，確定巖體的透水性等級(jí)。通過(guò)對(duì)3個(gè)待選廠址區(qū)內(nèi)4個(gè)鉆孔內(nèi)壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得出了巖體透水性相對(duì)較弱的廠址，為可行性研究階段的巖土工程勘察提供依據(jù)。

壓水試驗(yàn)；巖體透水性;核電廠選址

0 引言

在土木工程建設(shè)中，巖體、土體及地下水作為主要地質(zhì)體，其重要性不言而喻。巖體、土體是各類土木工程構(gòu)筑物的地基及介質(zhì)環(huán)境，而地下水的水質(zhì)及滲透性也會(huì)影響到土木工程的諸多方面。因此，必須對(duì)巖體、土體的穩(wěn)定性及地下水的特性進(jìn)行全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)。

對(duì)于大型土木工程構(gòu)筑物，如核電工程，巖體地基的穩(wěn)定性及地下水的滲流特征會(huì)直接決定最終工程構(gòu)筑物的安全性。為了對(duì)上述穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析，有必要選取適合一系列巖土工程原位測(cè)試的方法進(jìn)行試驗(yàn)。在評(píng)價(jià)工程巖體穩(wěn)定性及地下水滲透特征方面，壓水試驗(yàn)是一種比較適宜的方法。通過(guò)該試驗(yàn)，可對(duì)工程建設(shè)范圍內(nèi)巖體的單位吸水率、透水率及滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而取得工程巖體中節(jié)理張開度及巖體的滲透系數(shù)等定量參數(shù)，并獲得裂隙充填物特征[1]。在此基礎(chǔ)上，為核電工程最優(yōu)場(chǎng)址的選擇提供依據(jù)。

1 壓水試驗(yàn)

1.1 基本原理

在壓水試驗(yàn)中，一般運(yùn)用氣囊法，該氣囊也稱為止水栓塞。將止水栓塞放入鉆孔內(nèi)，此時(shí)試驗(yàn)段將被氣囊隔離。運(yùn)用鉆機(jī)及活塞式復(fù)泵將巖體裂隙中的地下水吸入試驗(yàn)段，在此基礎(chǔ)上，可利用地面的外接量測(cè)設(shè)備得出在不同水壓力作用下壓入巖體節(jié)理中的水量。測(cè)試結(jié)束后，可進(jìn)一步計(jì)算出巖體的透水率和滲透系數(shù)等指標(biāo)[2]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)備

在壓水試驗(yàn)過(guò)程中，主要需要的設(shè)備有止水栓塞即氣囊，供水設(shè)備(一般采用BW-150型活塞式往復(fù)泵，其最大流量為150L/min，最大壓力為1.8MPa)，量測(cè)設(shè)備(主要包括壓力表、水表、測(cè)鐘、萬(wàn)用表電測(cè)水位計(jì)等)。

1.2.2 試驗(yàn)方法

壓水試驗(yàn)應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)操作，如《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》(SL31-2003)和《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(50287-99)[3]。具體試驗(yàn)步驟如下。

(1)清洗鉆孔。一般運(yùn)用壓水法，清孔的深度應(yīng)延伸至孔底，清洗鉆孔的流量應(yīng)為試驗(yàn)水泵的最大出力。

(2)仔細(xì)檢查試驗(yàn)設(shè)備及儀表是否滿足試驗(yàn)要求，質(zhì)量是否合格，將各部分連接。

(3)試驗(yàn)設(shè)備連接好之后，首先觀測(cè)鉆孔內(nèi)的初見水位，然后將止水栓塞下放至鉆孔試驗(yàn)段，其中隔離段長(zhǎng)度為5m左右。在此基礎(chǔ)上，再次觀測(cè)鉆孔內(nèi)水位，水位需每隔5min觀測(cè)一次，在水位變化過(guò)程中，若水位的下降速度連續(xù)兩次均小于5cm/min，可將該出的水位深度作為水壓力的起始計(jì)算點(diǎn)。

(4)運(yùn)用相關(guān)設(shè)備將水注入試驗(yàn)段，并觀測(cè)水位變化。在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格將進(jìn)入巖體裂隙的水壓力控制在5個(gè)壓力值等級(jí)，5個(gè)壓力值依次為0.30MPa、0.60MPa、1.00MPa、0.60MPa、0.30MPa。在試驗(yàn)壓力達(dá)到指定壓力值后，保持5-10min，即可測(cè)得不同水壓力下進(jìn)入巖體裂隙的水量。

2 某核電工程壓水試驗(yàn)結(jié)果及分析

以某核電工程可行性研究階段的巖土工程勘察為例，進(jìn)行了3個(gè)待選廠址的巖體壓水試驗(yàn)。具體試驗(yàn)的巖性特征為：(1)點(diǎn)將臺(tái)廠址，花崗巖強(qiáng)風(fēng)化和中等風(fēng)化；(2)松江廠址，花崗巖強(qiáng)風(fēng)化；(3)四方山廠址，玄武巖強(qiáng)風(fēng)化和微風(fēng)化。

2.1 計(jì)算步驟

壓水試驗(yàn)過(guò)程中，按以下計(jì)算公式計(jì)算試驗(yàn)壓力[4]：

P=Pp+Pz-Ps

(1)

式中：P——試驗(yàn)壓力(MPa)；Pp——壓力表壓力(MPa)；Pz——壓力表中心壓力計(jì)算零線的水柱壓力(MPa)；Ps——管路壓力損失(MPa)。

根據(jù)式(2),(3)可計(jì)算巖體的透水率和滲透系數(shù)：

(2)

(3)

式中：q——試驗(yàn)段透水率(Lu)；K——巖體的滲透系數(shù)(cm/s)；L——試驗(yàn)段長(zhǎng)度(m)；P——試驗(yàn)壓力階段的壓力，即為該階段最大壓力值(MPa)；Q——試驗(yàn)壓力階段的壓入流量，即為該階段最大流量值(L/min)；H——試驗(yàn)水頭(m)；r——鉆孔半徑(m)。

2.2 試驗(yàn)成果分析

2.2.1 壓水試驗(yàn)計(jì)算成果

在對(duì)3個(gè)待選廠址區(qū)的巖體進(jìn)行壓水試驗(yàn)后，得出3個(gè)廠址中4個(gè)鉆孔內(nèi)的壓水試驗(yàn)結(jié)果，即透水率、滲透系數(shù)、透水性等級(jí)。具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中，編號(hào)為DJ2代表點(diǎn)將臺(tái)廠址2號(hào)鉆孔，編號(hào)DJ6代表點(diǎn)將臺(tái)廠址6號(hào)鉆孔，編號(hào)SJ1代表松江廠址1號(hào)鉆孔，編號(hào)SF5代表四方山廠址的5號(hào)鉆孔。在對(duì)壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，得出了各鉆孔的P-Q曲線，如圖1-圖4所示。

表1 壓水試驗(yàn)成果表

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)表1中的數(shù)據(jù)及圖1-圖4中P-Q曲線的分析可知，點(diǎn)將臺(tái)廠址的花崗巖中風(fēng)化段透水性為中等透水，滲透系數(shù)為1.094×10-4～1.272×10-4cm/s，結(jié)合鉆孔資料，可知巖芯較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。松江廠址的花崗巖強(qiáng)風(fēng)化段透水性為中等透水，滲透系數(shù)為1.101×10-4cm/s，結(jié)合鉆孔資料可知，巖芯較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。四方山廠址的花崗巖中等風(fēng)化段巖體透水性為弱透水：滲透系數(shù)分別為1.219×10-4cm/s，結(jié)合鉆孔資料可知，巖芯較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育；微風(fēng)化段巖體的滲透系數(shù)為5.315×10-5cm/s，結(jié)合鉆孔資料可知，巖芯較破碎，節(jié)理較發(fā)育。

依據(jù)對(duì)上述計(jì)算結(jié)果及曲線的分析可知，在3個(gè)待選廠址中，巖體結(jié)構(gòu)面均較發(fā)育，滲透系數(shù)差距不大，但從巖體透水性上看，四方山廠址的巖體透水性屬弱透水性，巖體性質(zhì)略優(yōu)于其他兩個(gè)廠址。

3 結(jié)論

(1)作為一種巖土工程原位測(cè)試手段，壓水試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為客觀，因此，可將該試驗(yàn)更多地應(yīng)用到工程巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中。

(2)在大型土木工程建設(shè)中，如核電工程、水利水電工程的可行性研究階段，準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)待選場(chǎng)地的巖土工程性質(zhì)是極為必要的。在該階段的巖土工程勘察中，主要應(yīng)通過(guò)適宜的巖土工程測(cè)試手段，選取適宜的場(chǎng)地。

(3)通過(guò)壓水試驗(yàn)，得出該擬建核電工程3個(gè)待選廠址的巖體透水率、滲透系數(shù)及透水性等級(jí)，為最優(yōu)廠址的選擇提供了有力依據(jù)。

[1] 李金軒，余修日.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)[J].2004，23(9):1476-1480.

[2] 殷黎明，楊春和，羅超文，等.高壓壓水試驗(yàn)在深鉆孔中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2005,26(10)：1692-1694.

[3] 王錦國(guó)，周志芳，黃勇.基于壓水試驗(yàn)資料的巖體透水性分形特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003,22(4)：562-565.

[4] 周敏，王忠福，張旭柱.高壓壓水試驗(yàn)在呼和浩特抽水蓄能電站中的應(yīng)用[J].工程勘察，2011,39(8)：55-59.

Application of Water Pressure Tests tothe Permeability Evaluation of Engineering Rock Mass

WANGDan-wei1,PANGDa-peng2,QIAOYan-hong3

(1.JilinJianzhuUniversity，Changchun130118，China;2.NortheastElectricPowerDesignInstituteCO.,Ltd，Changchun130033,China;3.LangfangTeachersUniversity,Langfang065000,China)

In the feasibility stage of the nuclear power engineering, it is very important to evaluate the stability of the engineering rock mass. In the process of geotechnical engineering investigation, water pressure tests have been done based on the engineering geological conditions. The tests were finished in the boreholes of 3 waiting selecting plant sites. The permeability indexes of the rock mass and water pressure curves have been obtained, and then, the grades of permeability of rock mass have also been determined. By analyzing the data of the tests, the plant site with low permeability has been chosen. In this way, the important parameters of the permeability properties were provided for the geotechnical investigation.

water pressure test; permeability of engineering rock mass; site selection of nuclear power plant

2017-02-25

王丹微(1982-)，女，工學(xué)碩士，吉林建筑大學(xué)測(cè)繪與勘查學(xué)院講師，研究方向：巖土工程。

TU195

A

1674-3229(2017)02-0073-03