压水试验在石灰石矿山边坡稳定性分析的应用

程 钪

（中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南）

引言

渗透系数的确定是渗流分析及控制的基础，对于边坡岩土体分析工程而言，渗透系数的取值将直接影响渗流计算的精度，如果不能适当取值，必将影响分析结果的准确性和设计方案的可靠性。在《岩土工程勘察规范 GB50021-2009》及《土工试验方法标准GB/T 50123-2019》中均明确了室内试验和现场试验在岩土体渗透系数确定中的重要地位，并给出室内渗透试验、注水试验、抽水试验、压水试验等可行的试验方法。其中，钻孔压水试验在岩体渗透性能评价等方面有着广泛的应用。为此，本文依托地质条件复杂的某一矿山工程，以实现钻孔压水试验过程及岩体渗透系数的应用[1]。

1 工程概况

（1）试验场区地质概况：本次试验场区地层发育，主要为太古代泰山岩群地层、寒武纪地层、奥陶纪地层以及新生代第四纪地层等；区域构造以断裂为主，规模较大的主要为马牧池断裂，断裂呈北西向，自矿区北侧边缘通过。区域岩浆岩发育，以侵入岩为主，为新太古代晚期傲徕山序列松山单元中粒二长花岗岩，为基底岩石。

（2）试验场区地层概况：本次试验区域内出露的地层主要为奥陶系马家沟群北庵庄组以及新生代第四系地层。由老至新分述如下：

①奥陶系马家沟群地层：矿区内广泛分布，构成普山寨、芦山寨、卧牛山、龟山、官庄后山等，底部与东黄山段角砾状白云岩整合接触。总体产状220°∠5°～40°。②第四系地层：为残坡积物，由黄色黏土、粉质黏土组成。主要分布于矿区西南部、芦山寨西侧低洼地段，厚度约0～5 m。

（3）试验场区构造概况：区内主要构造形迹有褶皱构造与断裂构造，并分布与之伴生的节理构造。

①褶皱构造：受区域构造影响，特别是马牧池断裂的影响，矿区及外围分布数个向斜和背斜构造，其中包括龟山背斜、普山寨向斜、卧牛山背斜、芦山寨背斜和向斜构造、前山向斜（断裂）。②节理构造：试验场区靠近区域性大断裂，多次构造运动不仅形成大规模的断裂和褶皱，也有微观的节理发育。

2 试验方法

本次试验采用液压钻机进行钻孔施工，钻孔结束后，利用已成形钻孔进行水文地质测试即压水试验，本次压水试验采用机械法进行三点压水试验，即三级压力、五个阶段。采用设备有φ89 mm 的气压式止水塞（橡胶注水封孔器1 组）、高精度压力表（1个）、流量表（1 个）、加压泵、水箱、管线、阀门等（见图1、图2）[2]。

图1 压水试验设备组装图

图2 压水试验设备

3 试验过程

本次压水试验采用三级压力、五个压力阶段：P1-P2-P3-P4-P5，P1=P4=0.3 MPa，P2=P5=0.6 MPa，P3=1.0 MPa；试验过程中需保持各级压力的稳定，对压力和流量同时进行观测，每1min 记录一次，当连续4 次流量读数的最大和最小值之差小于平均值的10%或1 L/min 时，终止试验。压力精度0.01 MPa，流量精度0.000 1 m3。

整个试验过程中有专人负责现场记录，并对所取得的数据及时汇总、整理，现场计算出渗透率（k）及渗透性系数（K），绘制P-Q 曲线，判断压水试验流态A（层流型）、B（紊流型）、C（扩充型）、D（冲刷型）、E（充填型）。整个过程符合《水文地质手册（第二版）》的相关规范要求，取得数据真实可靠[3]。

4 试验结果与分析

本次试验共布置2 个压水试验钻孔（钻孔XK2-3、XK3-2 及XK4-2），采用三点压水试验法，即三级压力、五个阶段。

根据水文地质手册第二版，本次压水试验试验段透水率（k）计算公式为：

式中：k 为试段透水率（Lu）；L 为试段长度（m）；Q3为第三级压力阶段压入流量（L/min）；

P3为第三级压力阶段试验压力（MPa）；K 为渗透系数（cm/s）。

试验详见表1。

表1 钻孔压水试验成果表

由上述试验数据可知，边坡岩体性质决定了岩层本身的透水性，在构造作用下，经风化后，裂隙较发育，岩体完整性受到破坏，风化裂隙发育呈网状，给地下水的运移创造了有利空间和通道[4]。

据钻孔资料统计，在构造节理裂隙发育强烈的试验段，基岩透水性良好，在钻孔压水试验过程中因岩体透水率高，无法升压，甚至不返水，透水率达31.6～116.27 Lu；在构造裂隙发育较少或者裂隙闭合试段，透水性减弱，透水率多在3～7.6 Lu 之间（详见压水试验P-Q 曲线图，图3-图8）[5]。

图3 XK3-2 钻孔P-Q 曲线图

图4 XK3-2 钻孔P-Q 曲线图

图5 XK3-2 钻孔P-Q 曲线图

图6 XK4-2 钻孔P-Q 曲线图

图7 XK4-2 钻孔P-Q 曲线图

图8 XK4-2 钻孔P-Q 曲线图

本矿区边坡岩体透水率主要受其裂隙发育程度控制，垂直方向随着埋藏深度增加岩体透水率逐渐变小，水平方向并无明显变化规律[6]。

5 结论分析

结合本次试验场区内水文情况：大气降水是区内各种类型地下水的主要补给来源。松散岩类孔隙水和碳酸盐类岩溶裂隙水还可以接受基岩风化裂隙水侧向补给[7]。受地形、地貌和构造的控制，地下水流向与地形坡向基本一致，在矿区总体地下水流向自北向南、西南径流。局部受地形及构造影响，地下水流向有所改变[8]。松散岩类孔隙水主要的排泄途径为人工开采、地下径流及自然蒸发；碳酸盐岩岩溶裂隙水主要的排泄途径有：人工开采、地下径流及泉排泄。如场区东南约1.5 km 的双泉村（标高+130 m）的泉水长年喷涌，涌水量为150～300 m3／d。

地下水动态主要受气候、人工开采的影响，由于本区地形切割较浅及没有大型的长期开采水源地，地下水位变幅较小；碳酸盐岩类岩溶裂隙水含水层分布区，地下水动态稳定，二者变化趋势基本一致，与降水关系密切，通过近几年开采，矿区共形成多个采坑，坑内干涸无水，矿山开采后水文地质条件无变化。

根据上述试验所得数据，岩石透水率位于不同数量级之间，分别为：3～7.66 Lu 和31.6～116.27 Lu，对应岩石渗透系数分别为：（K）4.61～11.49×10-5cm/s 和4.75～17.44×10-4cm/s，由此可以判断：矿区地层透水率受裂隙发育程度控制，垂直方向随着深度增加逐渐变小，水平方向无明显规律。透水率较大的地方，岩石完整程度较差，岩石稳定性较差，反之，透水率较小的地方，岩石完整程度较好，岩石稳定性较好[9]。