碧湖水库工程帷幕灌浆钻孔压水试验分析

李元平

（江西省水投建设集团有限公司,江西 南昌 330029）

1 问题的提出

碧湖水库工程坐落在萍乡市湘东区白竺乡渌水河支流麻山水河中游,坝址位于张坑河出口下游230 m的峡谷区段,坝址区与萍乡市距离约26.0 km,水库坝址控制流域面积164.0 km2,水库正常蓄水位达到184.0 m,总库容2178 万m3,为中型水库,兼具供水、灌溉、养殖、发电等综合功能,。碧湖水库工程水工建筑物主要有混凝土重力坝、取水建筑物、下游消能设施等,坝轴线长191.5 m。导流洞地层主要为弱下～微风化状震旦系下统江口组（Zaj）含砾凝灰质板岩。地勘资料显示,隧洞沿线并不存在断层和破碎带,既有岩体节理裂隙发育,并呈较完整状。隧洞洞室在地下水位以下,地下水水量少且连通性不良。

为进行碧湖水库大坝导流洞帷幕灌浆防渗加固效果的检验,必须结合帷幕灌浆设计要求,在大坝灌浆区域设置检查孔,并进行常规压水试验,其钻孔、取芯、压水试验等均按照美国材料协会ASTM-D2113 标准和英国BS5930 标准进行。钻孔钻进施工所采用的双层岩芯管直径至少为Φ76 mm,钻孔所取得的水泥结石充填岩芯必须妥善保存,此后严格按照压水试验规范及设计要求检测岩芯容重、粘结力及抗渗性能。

2 试验目的与原理

钻孔压水试验主要在岩体中钻孔,并将钻孔分割成若干试验段,将压力水逐级压入试验段围岩后,根据试验期间所压入水量及所施加压力的大小,进行岩体渗透系数计算,并根据计算结果分析和判断围岩裂隙发育程度[1]。

2.1 压水试验阶段

钻孔压水试验是当前国内外水利水电工程地质勘查中常用的原位岩体渗透试验,根据相关规范,按照试验阶段,应将压水试验分为单点法和五点法两种,前者主要采用一级试验压力,后者则采用三级试验压力。碧湖水库工程大坝导流洞帷幕灌浆先导孔和检查孔均采用单点法压水试验,渗漏严重的重点加固区域等特殊部位则采用五点法压水试验。

按照规范要求,压水试验压力应按照设计灌浆压力的80%确定,当所确定的试验压力超出1 MPa时应按照1 MPa确定。在稳压条件下每过3 min～5 min便进行1 次压入流量实际值的测读,如果连续4次所测读到的结果中最大、最小读数之差不超过1 L/min,则认为达到压力试验结束条件,应结束本阶段压力试验,并以最终值为压力试验结果。

2.2 压水试验成果表示

对于具体工程而言,帷幕灌浆钻孔压水试验段岩体透水率通常根据最大压力阶段压力值和所对应的流量进行计算,具体公式如下：

式中：q为透水率,根据相关规范,试验段透水率应取两位有效数字,若透水率＜0.01 Lu,则以零计；Q3为第三阶段（即最大压力阶段）压入流量,L/min；l为试验段长度,m；P3为最大压力阶段试验压力值,MPa。

在单点法压水试验阶段：

式中：Q为稳定压入流量,L/min；S为压力水头设计高度,m； ω为单位时间内的实际吸水量,m3/min,主要体现岩体结构透水性能,通常根据单位时间内,单位压力下单位长度试验段岩体实际吸水量确定, 1 Lu=0.01ω。

根据设计规范,对于高度在50 m以内的坝,其坝基岩体透水率应在1 Lu～5 Lu以内；高度在50 m～100 m的坝,坝基岩体相对隔水层透水率应在3 Lu～5 Lu以内；而高度在100 m以上的坝,坝基岩体透水率应为1 Lu～3 Lu。

2.3 试验仪器及设备

为进行碧湖水库坝基帷幕灌浆钻孔压水试验,并简化试验过程,保证试验结果精度,主要采用图1所示现场钻孔压水试验设备,该设备主要由压水系统、量测系统和止水系统等构成。

图1 现场钻孔压水试验设备安装示意图

3 试验要点及结果

3.1 试验要点

在钻孔压水试验开始前根据地勘结果做好地质记录,根据地勘资料将透水性相差较大的试验段严格区分开,并分别进行钻孔压水试验,以保证各试验段试验结果的准确性。在水库大坝岩石中钻进时应采用清水钻进方式,完成钻孔后用高压水彻底冲洗钻孔。全面检查钻孔的垂直度和孔壁质量,孔壁倾斜度应不超出设计要求的1%,并确保孔壁呈平直光滑规整的圆柱状,若基岩与覆盖层间存在渗水情况,则应通过增设套管的方式止水。每完成一段钻进和清孔后便停钻并由上至下分段压水,压水试验段长度应按5.0 m确定,对于节理裂隙发育、构造破碎以及岩溶洞穴等透水性较强的特殊区域,必须按照试验设计要求缩短试验段长度,并单独完成压水试验。为保证试验过程的可控性及试验结果的准确性,同一试验段岩体透水性应大致一致[2]。

3.2 试验成果

碧湖水库坝基帷幕灌浆钻孔压水试验具体过程严格按照《水利水电工程钻孔压水试验规程》（SL 31-2003）的相关要求执行,由于钻孔压水试验属于无损检测,为此还应结合无损检测技术规范,选择有代表性的0+039.41 m、0+068 m及0+082 m桩号段为试验段,共布置8 个检查孔,试验压力均为1 MPa时,碧湖水库坝基河床含砾凝灰质板岩体中检查孔钻孔压水试验成果见表1。

表1 坝基河床孔压水试验成果

由压水试验结果可知,碧湖水库坝基深度60 m以下主要为弱透水性岩体,但并未出现透水率在1 Lu以下的岩体。对于侵入岩体及正变岩体等块状构造岩体多为裂隙性孔隙结构,其原生裂隙与风化裂隙呈网状分布,其间岩块多分割为块体。通常情况下,块状岩体仅在风化带潜水具有统一的地下水面并形成风化带裂隙潜水,故渗透性差。而对于地下水分布不均的新鲜密实块状岩体,裂隙水仅存在于导水裂隙和构造带,透水性微弱,基本可视为不透水岩体。根据分析,碧湖水库坝基钻孔压水试验中深度较大的密实段岩体透水率≤1 Lu或为0的情况几乎不会出现。该水库工程坝基基岩主要为块状含砾凝灰质板岩体,且坝基河床孔弱风化卸荷岩体深度在20 m以上,弱卸荷带岩体以下主要为极微～不透水岩体,由此看来,表1中碧湖水库坝基河床含砾凝灰质板岩体中钻孔压水试验成果与水文地质学常规存在矛盾。

3.3 原因分析

根据对碧湖水库坝基河床含砾凝灰质板岩体钻孔全景图像的分析,孔深90 m～100 m处裂隙发育数量仅为5 条,深度分别为87.5 m、86.4 m、88.2 m、90.4 m和98.6 m,且均属于北东～北西向缓倾角新鲜闭合裂隙。根据碧湖水库坝基水文地质条件,其浅表卸荷带裂隙内通常包含不均匀承压地下水,且压力水头比江水位略高,微新密实岩体中存在地下水的可能性较小。所以,在微新密实岩体内进行钻孔水压试验时,不能单一地认为水头压力与江水一致,因为这种情况要求压水试验封闭段必须与外界连通,很显然这种观点对于坝基深部岩体并不适用。

在坝基一定深度下微新密实岩体内进行钻孔压水试验,其压水过程就是对裂隙充水的过程,应在对应压力下保证裂隙岩体充满。随着压力的不断增大,岩体充水范围持续扩大,若在卸荷过程中出现地表压力表反转或地下水回流等情况,则表明试验段岩体具备相对封闭和独立性,且初始水头压力接近零,试验段无地下水。

现行水利水电工程压水试验规范中对这种特殊情形未有明确规定,既有规范中试验段压力值均从江水面起算,造成计算所用压力值取值偏小,岩体透水率计算结果偏大,坝基一定深度微新密实岩体不会出现极微透水的情形。根据工程实际调整压力[3]后重新进行的碧湖水库坝基河床含砾凝灰质板岩体中钻孔压水试验成果见表2。

表2 试验压力调整后坝基河床孔压水试验成果

根据表2 试验压力调整后坝基河床孔压水试验成果,孔深75 m以下微新密实含砾凝灰质板岩岩体存在微透水情况,则调整后的透水率试验结果便与水文地质学观点基本一致,也较为符合碧湖水库坝基岩体实际情况。

4 结论

综上所述,水库大坝等水工建筑物的建设会引起区域环境水文地质条件剧烈变动,特别是高压水头会造成地下水面以下裂隙岩体渗透性能的改变,通常通过钻孔压水试验了解地下水面以下岩土体渗透特性。在进行水库大坝坝基帷幕灌浆钻孔压水试验资料处理时,针对在一定深度内微新密实岩体压水试验中计算压力所存在的偏差,其压力值计算结果明显偏小,且随着深度的增大,压力值计算偏差越大,由此所造成的岩体透水率偏差也越大,所以钻孔压水试验便经常出现成果＜1 Lu的情况,很难满足高大坝基岩体透水率以1 Lu为底限的防渗要求。本文以碧湖水库高坝基为依托所提出的在河床处一定深度微新密实岩体压水试验中调整试验压力重新进行坝基河床孔压水试验的做法,主要基于深部压水试验段属于与外界无水力联系的独立系统的假定,计算时必须充分考虑压水试验段中点至库水面压力水头。本文针对现行规范中水利水电工程帷幕灌浆钻孔压水试验方法的改进对于类似工程均具有一定适用性,在具体应用过程中必须结合工程实际进行试验参数的相应调整,以保证试验结果的准确适用。