岩体裂隙统计分析在防渗设计中的应用研究

2023-10-30李春林

四川水利 2023年5期

关键词：覆盖率帷幕岩层

王曦,黄强,李春林

(四川水发勘测设计研究有限公司,成都 610072)

0 引言

裂隙是岩石受力后断开并沿断裂面无显著位移的断裂构造,按成因可分为风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙,其中构造裂隙是岩石在地壳构造运动过程中,在构造应力作用下形成,具有分布广泛,延伸范围较广,可切穿不同的岩层,成组出现等特点。

吴沛沛等[1]根据内江高铁北站路堑边坡岩体裂隙数据,通过宏观、中观、细观分组统计分析,提出裂隙平均长度和裂隙发育数存在各自的函数关系,并建立了相应的数学模型,应用于边坡稳定研究。

王子忠[2]认为构造改造作用与红层岩体透水带主要表现之一为:砂岩等相对较硬的岩体,在构造作用下易形成裂隙,砂岩岩体中的构造裂隙为剪性共轭裂隙,其特性是与层面近于垂直,裂面平直,闭合性较好。这种裂隙在表生改造的作用下,透水性增加,形成岩体透水带。

各类地层中各种裂隙相互交叉贯通,是水库渗漏的主要路径,如何有效阻断或削弱这些路径,是工程防渗处理研究的主要问题。在水利水电工程中,水库库盆岩体通常采用帷幕灌浆进行防渗处理。目前,帷幕灌浆大多以竖直钻孔为主,当面临较陡倾角裂隙时,在有限的岩层范围内,钻孔贯穿裂隙的概率较小,导致部分裂隙无法被浆液充填,影响灌浆防渗效果。

高学通等[3]通过对钻探岩芯裂隙发育的统计整理,分析了水平、斜向和垂向3种裂隙产状对注浆扩散效果的影响,同时结合矿区构造发育特征,评价了帷幕线与裂隙之间组合形式对注浆施工及工程质量的影响。

脱云飞等[4]通过斜孔帷幕灌浆对酥油口水库坝肩进行防渗处理,对减小水库渗漏的作用和效果显著,达到了预期的目的。

考虑到红层软岩具有典型的代表性,可以利用取得的裂隙统计特性指导帷幕灌浆设计,通过对坝区岩体裂隙数据的统计分析,采取适当的灌浆孔布置参数(孔距及孔倾斜角),以达到理论上较优的防渗设计方案。

1 边界条件拟定及研究方法

1.1 边界条件拟定

(1)鉴于各种裂隙分布广泛,目前统计的手段仅限于地表观测和钻孔揭示。根据构造裂隙成组出现的特性,假定一定数量下裂隙数据能近似反映岩层中裂隙分布的规律,即统计裂隙的特征参数只与走向、倾向、倾角相关,与其具体位置和相互间距无关。

(2)裂隙相对帷幕灌浆范围足够长,即其层面均能与帷幕灌浆轴线形成的竖直面相交。

(3)工程措施需兼顾效果和经济性,统计分析范围应针对主要的渗透岩层。

1.2 研究方法

(1)通过现场勘察,根据岩层的实际情况,收集足够数量的裂隙数据样本。数据根据走向、倾向、倾角进行统计,倾角倾向山内为正,倾向山外为负。

(2)裂隙面真倾角和裂隙面与灌浆面视倾角的换算。

如图1所示,面ABCD为裂隙面,其真倾角为α,其走向线为AB,面BDF为灌浆面,其走向线为BF,为竖直面。裂隙走向与灌浆轴线走向往往会有一定的夹角(图1中β),因此需在灌浆面对裂隙进行研究。

图1 裂隙面真倾角、视倾角关系

如图1所示裂隙面ABCD相对帷幕面FBD的视倾角为γ,两个面在水平面的交线夹角为β。通过几何推算可得:tanγ=tanαsinβ。可计算各裂隙面与灌浆面的视倾角γ。

(3)灌浆孔角度、裂隙倾角与灌浆间距的关系。

如图2所示,某一岩层为主要渗漏途径,厚度为h,对其进行帷幕灌浆防渗处理,该岩层中某一裂隙与灌浆面的视倾角为γ,帷幕灌浆孔的角度为δ(竖直孔δ=0)。理论上能保证有1条帷幕贯穿该裂隙的最小灌浆间距B(水平距离),当帷幕倾角与裂隙倾角相反时候为B=a+b,反之则为B=a-b(如图中虚线所示);其中a=h·cotγ,b=h·tanδ。

图2 灌浆孔角度、裂隙倾角与灌浆间距关系

(4)灌浆方案裂隙覆盖率的计算和较优方案的选择。

对统计裂隙进行灌浆面视倾角换算后,拟定灌浆方案,计算保证至少1条灌浆线贯穿的裂隙最大视倾角,对各裂隙进行判断统计,计算灌浆方案的裂隙覆盖率,结合经济性和可行性选择较优方案。

2 案例分析

经勘察,川中盆地某水库:(1)左、右岸岩性为砂岩和粉砂质泥岩不等厚互层,岩层较水平;岩体以较完整、完整岩体为主,完整性差次之,局部岩体较破碎;砂岩中陡倾角裂隙发育。(2)左坝肩高程336.61～354.00 m(J2sn④)、317.36～327.78 m(J2sn②)存在中等～强透水带,组成岩性为砂岩或砂岩夹粉砂质泥岩;右坝肩高程330.50～351.07 m(J2sn④)、319.00～331.47 m(J2sn②)存在中等～强透水带,组成岩性为砂岩或砂岩夹粉砂质泥岩。

由此,左、右岸坝肩主要的渗漏途径为J2sn②、J2sn④岩层,该两层岩层内,左岸共统计裂隙137条,详见图3,右岸共统计裂隙166条,详见图4(倾向山内为正,山外为负)。