某水利工程野外膨胀试验探析

张小强

（华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄050021）

1 目的

为了确定某大坝基岩的力学特征，在坝址区域设置部分钻孔进行钻孔膨胀测试，并结合岩体工程地质环境与岩体级别，提出该工程不同区域、不同级别岩体的变形参数建议值。

2 测试与分析方法

（1）现场测试。在设计进行试验的钻孔中，按平均间距5m选择的坝基基础深度内，进行钻孔变形测试，测试结果为测得岩性的弹性模量和变形模量。

测试采用国际岩石力学1996年推荐方法，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.

根据现场钻探，主要分布岩性为白云石大理岩、片麻岩、黑云母片麻岩等，因此在选用实验测试所用的刚性钻孔膨胀计必须完全满足测试要求（精度0.001mm，量程4m）。

（2）测试结果分析。综合工程地质条件、岩体分级和工程类比，提出该工程不同区域、不同级别岩体的变形参数建议值。

3 试验设备

钻孔膨胀测试设备，采用ROCHA（L.N.E.C.）测量系统。主要包含了定向安装杆、膨胀计探头、读数仪器、压力泵、铠装电缆、高压水管、标定装置等。

4 试验基本操作要求

为更有效地取得测试数据，结合地层岩性情况，要求测试钻孔的直径为101mm。

该实验主要用于岩石地层，试验深度最深可达60m。试验中通过施加给孔壁的的最大压力不得小于150bar。试验过程中的压力变化范围为40～50bar。

钻孔中至少要用4个经校准的位移传感器来测量钻孔的膨胀变形。由于坚硬岩石的变形量很小，因此读数的精确度应控制在0.001mm。

钻探到达特定的试验深度时要停止钻进。停止钻进后要彻底清洗钻孔，以除去钻孔孔底和孔壁附着的残留物。

将探头放置于指定的钻孔深度处。试验必须在未加套管的钻孔段进行。如果必须下放套管，则套管必须放置于试验深度以上1.5m处以便于安装扁铲探头。

及时纠正探头位置，调整基座的位置，如果需要的话还可在较小范围内调整套管下放深度。

在试验中，加压和减压将引起钻孔的变形。加压和减压的步骤如下所示。通常情况下，每个周期内都要进行5次加压和减压。

硬岩的压力变化顺序如下：

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。

软岩同样进行3轮变压过程，每个周期都要进行5次加压和减压，压力变化如下：

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。

加压过程中每一级加压的持续时间不得少于2min，如果在2min末时变形量超过了此级加压过程中总变形的5%，则这一级加压时间应再持续2min。

卸载时每级荷载通常应持续2min。

连续的2级压力之间进行加卸载间隔时间至少为2min。

5 现场试验概况

在沿着旧坝轴线（参见表1）的坝区和泄洪道地区的3个钻孔内进行了膨胀计测试。为了解在坝轴线附近的厂房和泄洪道的基层岩石的特性提供了有用的信息。在不同的深度总计进行了22次测试。

5.1 测试结果

膨胀计测试的结果以及所测试的岩石类型都归纳在表1中。

表1 大坝坝址的膨胀计测试结果

5.2 测试结果探析

从表1可以很明显地看出，数据很分散，大部分的变形模量范围在3～5GPa之间，这表明岩体质量从中等到劣质不一。

从钻探和地震调查据中可知，大坝坝址中发现的为不同种类的岩石（白云石大理岩、片麻岩、黑云母片麻岩等）。此外，除了新的岩石区，也有其他的岩石，其特点是经过深层次风化以及强烈的热液蚀变（由火山活动造成）。

形变会有随深度而增加的趋势。这通常是由于随着深度的增加风化过程的影响减弱，同时岩体质量得到改善（节理闭合等）。

由于风化的影响，低形变被发现存在于表层附近，而且，由于热液蚀变也可以沿着深处的节理或断层发生，在热液蚀变的作用下，低形变也存在于更深的岩区中。这样，也正说明了关于形变的零散数据的范围之广的可能性。

从测试结果可以看出，数据的一般范围大约在3.0～5.0GPa之间，而小于0.3GPa的值以及超过50.0MPa的最大值已经随着膨胀计探头的探测确定了。最低值体现出完整的热液蚀变，即钻井中构成岩石解体材料的部分，而最高值则代表新生的完整岩石。

从测试结果显然可以得出形变的方向相关性。最大形变的方向指向东（约100°）。综合所有的测试结果，可以得出相对于方向220°，340°和100°的比例一一对应为1∶1∶3∶1.6，这一各向异性是非常重要的。在东西方向上的低形变的各向异性的形成可以理解为与当地的构造和结构状况有关。该方向是垂直于节理，并垂直于该地区的突出背斜中的主节理系的；同时该方向与褶皱轴平行或成锐角角度，因此也就与褶皱中的主节理系垂直。图1的褶皱与节理的统计图明显表明了岩体形变的方向相关性（图1）。

图1 岩石质量变形依赖性的膨胀实验变形模量关系图

6 结论

岩体膨胀试验不仅精确度要求高，而且对实验人员及设备的要求极高，这些因素直接会影响到试验结果的准确性，因此，我们在每个项目的膨胀试验中，不仅在操作和报告分析上要严格要求，而且，在实验设备及人员水平上也要重视，以便能够通过膨胀试验提供的数据更好地为工程服务。

[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.