中风化花岗岩和中风化大理岩的压水试验对比分析

罗晓军，卢永生

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）



中风化花岗岩和中风化大理岩的压水试验对比分析

罗晓军，卢永生

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

通过中风化花岗岩和中风化大理岩的压水试验，并对其试验成果进行对比分析，为以后的类似试验提供参考。关键词：中风化花岗岩；中风化大理岩；压水试验；对比分析

引 言

大部分岩基地区的止水围堰利用帷幕灌浆来达到止水效果，而帷幕灌浆所需的各项设计参数则需通过现场钻孔压水试验来确定，所以压水试验结果的好坏直接影响帷幕灌浆设计参数的优劣，进而影响最终施工成本的大小。在我国现在已建成的岩基地区的港口工程中，花岗岩和大理岩分布相对较为广泛，本文通过对中风化花岗岩和中风化大理岩的现场钻孔压水试验结果进行对比分析，得出各自的特点以及二者普遍存在的共性，为以后相同类型岩基的类似试验项目提供参考。

1 试验目的、设备、方法及过程

1.1 试验目的

通过压水试验得出中风化花岗岩和中风化大理岩各自的压水曲线类型、透水率及渗透等级，对比分析二者的异同及形成原因，优化帷幕灌浆的设计参数。

1.2 试验设备

1）止水栓塞

采用单杆顶压式栓塞，栓塞由8个橡胶圆柱体（直径75 mm，高度150 mm）组成，栓塞总长度为1.2 m。

2）供水设备

试验用的三缸水泵压力稳定，出水均匀，在1 MPa的压力下流量能保持200 L/min，水泵出口有容积10 L的稳压空气室，调节阀门灵活可靠不漏水。

3）量测设备

测量压力用的压力表反应灵敏，卸压后指针回零，量测范围为0～2.5 MPa，满足试验要求。流量计能在2.5 MPa压力下正常工作，量测范围与试验用的水泵出力匹配，并能测定正向和反向流量。水位计灵敏可靠，不受孔壁附着水或孔内滴水的影响。

1.3试验方法［1］

1）压水试验按三级压力、五个阶段［即 P1-P2-P3-P4（＝P2）-P5（＝P1），P1＜P2＜P3］进行，本次试验选取P1、P2、P3三级压力值分别为0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa。

2）试验时孔内的地下水位在试段之上，压力计算零线为地下水位线。

3）试验的工作管路内径和粗糙程度均不一致，管路压力损失根据现场实测数据确定，实测方法参照《水利水电工程钻孔压水试验规程》（SL31-2003）的附录A执行。

1.4 试验过程

1）成孔

使用XY-100型钻机搭配金刚石钻头钻进成孔，不使用泥浆等护壁材料，所成钻孔直径75 mm与栓塞直径匹配。试验钻孔的套管脚采用灌注水泥浆的办法从而达到止水效果。

2）洗孔

采用压水法，将钻具下至孔底后用水泵最大出力进行洗孔，至孔口回水清洁、肉眼观察无岩粉时方可结束，当孔口无回水时洗孔时间应达到半小时。

3）试段隔离

采取灌制混凝土塞位法保证栓塞的止水效果，用直径127的钻头钻进风化岩2 m后注入水泥砂浆（加入一定比例的水泥早强剂和速凝剂），待水泥凝结足够时间并达到强度后，再用75 mm钻头钻开混凝土和下部孔段，将栓塞置于混凝土段进行压水试验。试段隔离前应检查工作管路有无破损、弯曲、堵塞等现象，接头处采取止水措施保证其止水效果。

4）水位观测

下栓塞前首先观测1次孔内水位，试段隔离后再观测工作管内水位。工作管内水位每5 min观测一次，当水位下降速度连续2次均小于5 cm/min时观测工作即可结束，用最后的观测结果确定压力计算零线。试验观测中均未发现承压水。

5）压力和流量观测

在试段送水前应打开排气阀使其连续出水，流量观测前调整调节阀使试段压力达到预定值并保持稳定，流量观测每隔1 min进行1次，当流量无持续增大趋势且五次流量读数中最大值和最小值之差小于最终值的 10 %或最大值与最小值之差小于1 L/min时，本阶段试验结束，用最终值作为计算值。

2 对比分析

本次对比试验所使用的压水设备相同，采用的试验方法和试验过程一致，试验资料整理所用方法一致，选取其中各自具有代表性的两个中风化岩压水试验段进行三方面的对比分析。

1）中风化花岗岩

褐黄～浅灰色，细粒结构，由石英、长石和少量黑云母等暗色矿物组成，主要成分为二氧化硅，约占70 %以上。现场钻取的岩芯呈碎块及短柱状，原岩结构清晰可见，部分矿物风化成砂土状，锤击易碎。

2）中风化大理岩

主要为白云石大理岩，灰白色，粒状变晶结构，主要由白云石和方解石组成，主要成分以碳酸钙为主，约占50 %以上。现场钻取的岩芯呈短柱及柱状，原岩结构清晰可见，锤击易碎。

从上面可以看出二者的主要成分不同导致风化物也不同，中风化花岗岩在风化过程中风化物不易溶于水，残留物仍充填在裂隙内；中风化大理岩岩主要成分为碳酸钙易溶于水，风化过程中裂隙充填物易溶于水而流失，不会残留在孔隙中。

2.2 压水试验P～Q曲线类型对比

式中：为以期望值为参考点决策专家et对应急方案epm在指标cn下的主观感知价值；为以最低要求值作为参考点决策专家et对应急方案epm在指标cn下的主观感知价值；参数α与β分别为价值函数在收益与风险场景下的凹凸程度；α,β<1为决策专家对收益与损失的敏感性递减；参数θ>1为决策专家的损失厌恶；依据文献[22-23]的研究结论，可令α=β=0.88，θ=2.25。

现场压水试验时通过观测压力表和流量计，记录下各试验段的各阶段压力值和流量值，整理分析大量的现场试验数据，选取其中具有代表性的四个试验段数据，见表1。

表1　各试验段的各阶段压力值和流量值

根据表1中的各试验段压力值和流量值绘制压水试验P～Q曲线如下：

1）中风化花岗岩（图1～图2）

图1　花岗岩第一试验段P～Q曲线（冲蚀型）

图2　花岗岩第二试验段P～Q曲线（冲蚀型）

2）中风化大理岩（图3～图4）：

图3　大理岩第一试验段P～Q曲线（紊流型）

图4　大理岩第二试验段P～Q曲线（紊流型）

从上图中可以看出，中风化花岗岩的P～Q曲线类型主要以D（冲蚀型）为主（曲线特征为升压曲线凸向P轴，降压曲线与升压曲线不重合，呈顺时针环状），表明在整个试验期间，在试验压力作用下岩体裂隙中的充填物被冲蚀、移动导致流量显著增大且不能恢复原状；中风化大理岩的P～Q曲线类型主要以B（紊流型）为主（曲线特征为升压曲线凸向Q轴，降压曲线与升压曲线基本重合），表明岩体在试验压力作用下裂隙状态没有发变化。

2.3 压水试验岩体透水率对比

依据《水利水电工程钻孔压水试验规程》（SL31-2003）采用第三阶段的压力值P3和流量值Q3按下式计算各试段岩体的透水率：

式中：q为试段的透水率（Lu）；L为试段长度（m）；Q3为第三阶段的计算流量（L/min）；P3为第三阶段的试段压力（MPa）。

同时依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录F进行岩体渗透性分级，结果如表2所示。

表2　各试验段透水率、P～Q曲线类型及渗透性等级

从上述对比结果可以看出，中风化花岗岩的透水率一般＜10 Lu，渗透性等级为弱透水；中风化大理岩的透水率一般在20～30 Lu之间，渗透等级为中等透水。

4 结 语

通过对两种中风化岩的压水试验对比分析，两种岩石结构和主要成分的不同导致风化产物及风化过程不同，最终导致压水试验结果产生差异。中风化花岗岩的主要成分在风化过程中不易溶于水，残留物仍充填在裂隙内，在试验过程中冲蚀、移动导致流量显著增大且不能恢复原状，P～Q曲线类型主要为D（冲蚀）型，渗透性等级为弱透水；中风化大理岩岩主要成分为碳酸钙易溶于水，风化过程中裂隙充填物易溶于水，随着孔隙内的水流析出或流失，并未残留在孔隙内，导致试验过程中裂隙未发生变化，P～Q曲线主要为B（紊流）型，渗透等级为中等透水。虽然两种岩体风化程度不均匀和节理裂隙发育情况不同导致岩体的透水率有一定变化，但两种岩体的渗透性总体上具有自上而下逐渐减小的趋势，这也正反映了岩体的风化程度一般从上到下、由外及内逐渐减小的趋势。

中风化花岗岩的透水率一般＜10 Lu，中风化大理岩的透水率一般在20～30 Lu之间。如果在相同或相似岩基地区进行压水试验，试验结果可以参考此数据，避免产生重大试验错误影响设计；在没有进行相应压水试验的相同或相似岩基地区，帷幕灌浆的设计参数可以预先参考此数值设计。

由于岩体的构造、节理裂隙千差万别，风化程度也不尽相同，本次对比试验只选取其中各自两个压水试验段结果做简单对比分析，希望能在以后类似的压水试验中给大家提供一些参考，不足之处敬请批评、指正。

Comparative Analysis of Pressurized-water Tests on Moderately Weathered Granite and Marble

Luo Xiaojun，Lu Yongsheng
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

The pressurized-water tests on moderately weathered granite and marble are compared and analyzed，which will provide a reference for similar tests in future.

moderately weathered granite； moderately weathered marble； pressurized-water test； comparative analysis

TU453

A

1004-9592（2016）03-0101-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160326

2016-04-28

罗晓军（1983-），男，工程师，主要从事工程地质勘察工作。

［1]SL31-2003 水利水电工程钻孔压水试验规程［S］.

［2]GB50487-2008 水利水电工程地质勘察规范［S］.