CN106053319A - 一种各向异性岩体渗透梯度测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种各向异性岩体渗透梯度测试装置，包括混凝土底板、压水孔，压水孔和底板之间设有卡塞，压水孔周围环向布置有渗压孔，渗压孔底部设有渗压计，渗压孔外围布置有帷幕灌浆孔。本发明还提供一种各向异性岩体渗透梯度测试方法，包括：选择测试场地；布置场地场地；钻孔施工；埋设渗压计；压水试验和成果计算。本发明克服了原有单孔压水测试局限于各向同性岩体的不足，同时也避免了进行区域大范围压水测试的弊端，减少了技术难度和测试费用。
Description
技术领域
本发明涉及高水头作用下岩体各向异性突出的地下工程。
背景技术
裂隙岩体是一种极其复杂的介质，经过复杂的构造运动、风化作用、溶蚀作用及卸荷作用等循环往复改造后形成的地质体，由完整岩块和不连续结构面组成。结构面包括断层、错动带、节理、裂隙等宏观非连续结构面以及岩石内部的微裂隙(隐裂隙)。与沙土等孔隙介质不同，裂隙岩体的渗透性主要受结构面控制，完整岩块虽然也是孔隙介质，但其由细小颗粒组成，其物质结构坚硬、致密，孔隙率很小，渗透性十分微弱。而岩体中裂隙的导水能力极强，是岩体的主要渗透通道，因此裂隙岩体的渗透系数远高于岩块。
裂隙岩体介质的复杂成因和赋存环境是其渗透特性表现出各向异性特征的主要原因。因此，裂隙岩体的结构组成也决定了其各向异性渗透特性。不连续的微裂纹、节理、裂隙等结构面的空间分布成组性(如优势节理组)和不均匀性以及裂隙中水流运动的方向性是裂隙岩体渗透各向异性的主要原因。裂隙岩体的非连续性、非均质性及非饱和性等水力学特性与其各向异性特性紧密相关，相互作用、相互影响。
在高水头作用下，岩体中的微裂隙、节理等软弱结构面张开、扩展，将改变岩体的原始透水特性，因此相比常规压力条件下的渗透特性有很大差别，更容易发生渗透破坏。大量工程实践及科学研究也表明，岩体渗流对地下工程的稳定性影响巨大，是岩土工程失事的主要诱发原因之一，渗透稳定直接决定了工程的经济性、安全性和可靠性，但目前的测试方法尚未实现对各向异性岩体渗透梯度的准确测试。现有的各向异性岩体中的渗透梯度测试中，常规的压水试验由于将岩体视为各向同性，没有考虑到岩体的各向异性，已经不能满足要求。如果进行区域测试，不但试验步骤较为复杂，而且成本也较高，在工程中很难推广应用。如果采用室内试验的方法，不能够反映岩体的真实裂隙网络，测试的结果不能够代表现场岩体的渗透特性。
发明内容
本发明首先要解决的技术问题是提供一种各向异性岩体渗透梯度测试装置，利用帷幕灌浆形成一个相对密封的测试区域，然后在压水孔周边布置环形的渗压计，测试不同方向的渗透梯度，检验各向异性岩体渗透梯度的分布特征，评估岩体的渗透性，为工程设计提供依据。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种各向异性岩体渗透梯度测试装置，包括布置在测试场地上的混凝土底板（1），所述测试场地的中心布置有压水孔（2），所述压水孔（2）的孔口和底板（1）之间设有卡塞（3），所述压水孔（2）的周围间隔45°环向布置有渗压孔（4），所述渗压孔（4）的底部设有渗压计（5），所述渗压孔（4）的外围布置有帷幕灌浆孔（6），所述帷幕灌浆孔（6）呈环状分布。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：
所述渗压孔（4）的深度小于所述压水孔（2）的深度，所述渗压孔（4）与所述压水孔（2）的间距D为2-3m。
所述帷幕灌浆孔（6）与所述压水孔（2）之间的距离为渗压孔（4）与所述压水孔（2）之间的距离的2倍，所述帷幕灌浆孔（6）的深度大于所述压水孔（2）的深度。
所述压水孔（2）、渗压孔（4）和所述帷幕灌浆孔（6）的上部均贯穿所述底板（1）。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种各向异性岩体渗透梯度测试方法，包括以下步骤：
（1）选择测试场地；
（2）布置场地场地；
完成底板1的钢筋混凝土衬砌施工，在测试场地中心布置压水孔（2），并在孔口和衬砌之间布置卡塞（3），在中心压水孔（2）周边布置渗压孔（4），在孔底布置渗压计（5）
在渗压孔（4）周边成环向布置帷幕灌浆孔（5），帷幕灌浆孔（5）深要超过中心压水孔（2）和渗压孔（4）。
（3）钻孔施工；
（4）埋设渗压计；
（5）压水试验：
对中心压水孔2进行3~5次压水，压水压力要将工程中可能出现的水压囊括在内，并分级压水，通过多级压力的施加，
在稳定压力下，每5min测读一次压入流量，连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，即可结束压水，取最终值作为渗压计测值；
（6）成果计算：假设S x 为某个渗压孔与中心压水孔之间的渗透梯度，P 0 为中心压水孔压力，P x 为某个渗压计读数，则S x =(P 0 -P x )/D，如此可以获得不同压力不同位置处受各向异性影响岩体的渗透梯度。
进一步地，所述步骤（1）中对场地选择的具体要求是：根据现场施工条件和岩体特点，选取具有代表性洞段开展测试，尽量避开长大裂隙和结构面，以尽可能反映岩体本身各向异性对渗透梯度的影响。
进一步地，所述步骤（3）中钻孔施工的工艺要求是：
A．钻孔孔位需逐孔布置，并且做好记录，现场按照钻孔孔位偏差不大于10cm，孔深偏差不大于5cm，孔底偏差不大于5cm；
B．钻孔过程中严格控制孔深、孔向、孔斜等钻孔参数，遇岩层、岩性变化、回水颜色等情况应详细记录。
C．每钻完一孔后须及时进行压水试验检查，以保证该孔没有长大裂隙，待该孔压水结束后，方可进行相邻孔的钻孔施工。压水检查采用单点法，压力为1.0 MPa。
进一步地，在所述步骤（4）中埋设渗压计的具体步骤是：
A．所述仪器安装埋设前，先进行检验率定，合格后进行埋设；
B．将渗压计（5）用砂袋包裹后置于设计指定位置，砂袋由干净的中粗砂组成，然后向孔内填入1.0m深的中粗砂，再先后填入1.0m深的膨润土、2.0m深的水泥砂浆。渗压计5埋设前应在水中浸泡2小时以上，使仪器的滤水石和中粗砂呈完成饱和状态；
C．仪器电缆引出时以双层热缩套管做好止水。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种各向异性岩体渗透梯度测试装置，克服了原有单孔压水测试局限于各向同性岩体的不足，同时也避免了进行区域大范围压水测试的弊端，减少了技术难度和测试费用。利用本发明的测试方法可以获得各向异性岩体代表性方向的渗透梯度，能够实现岩体各向异性对于渗透性的影响评价，并且能够对岩体渗透破坏模式分析和工程渗透稳定控制提供参考依据。
附图说明
图1是本发明的立面图。
图2是本发明的俯视图。
具体实施方式
参照附图。
本发明的各向异性岩体渗透梯度测试装置，包括布置在测试场地上的钢筋混凝土底板1，所述测试场地的中心布置有压水孔2，压水孔2的深度为8-10m，在本实施例中采用8m，所述压水孔2的孔口和底板1之间设有卡塞3，所述压水孔2的周围间隔45°布置有渗压孔4，所述渗压孔4的底部设有渗压计5，所述渗压孔4的外围布置有帷幕灌浆孔6，所述帷幕灌浆孔6呈环状分布。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：所述渗压孔4的深度小于所述压水孔2的深度，所述渗压孔4与所述压水孔2的间距D为2-3m。
所述帷幕灌浆孔6与所述压水孔2之间的距离为渗压孔4与所述压水孔2之间的距离的2倍，所述帷幕灌浆孔6的深度大于所述压水孔2的深度，在本实施例中，帷幕灌浆孔6的深度采用10m。
所述压水孔2、渗压孔4和所述帷幕灌浆孔6的上部均贯穿所述混凝土底板1。
本发明在现场的具体实施方案是：
（1）场地选择
根据现场施工条件和岩体特点，选取具有代表性洞段开展测试，尽量避开长大裂隙和结构面，以尽可能反映岩体本身各向异性对渗透梯度的影响。
（2）场地布置
在测试场地完成底板1的钢筋混凝土衬砌施工，以保证在中心压水孔2中能够施加足够高的压力，确保岩体的各向异性特征能够充分显现，同时也能够保证帷幕灌浆的效果。
在测试场地中心布置压水孔2，本实施案例中压水孔2深度为8m，并在孔口和衬砌之间布置卡塞3，确保水压不会把钢筋混凝土衬砌的底板1劈裂。
在中心压水孔2周边间隔45°布置渗压孔4，渗压孔4共布置8个，在孔底布置渗压计5，基本能够保证对压水孔2周边岩体的全方位监测。
为了保证监测效果，渗压孔4的深度要小于中心压水孔2。渗压孔4与中心压水孔2的间距为D，D一般为2~3m，既可以保证能够捕捉到地下水流动特征，也能够保证渗压孔不会被高水压破坏。
在渗压孔4周边成环向布置帷幕灌浆孔5，与渗压孔4之间的间距同样为D，基本能够保证渗压孔4附近没有受到灌浆的影响，保持原有的各向异性渗透特征。帷幕灌浆孔5深要超过中心压水孔2和渗压孔5，以保证深层岩体的灌浆效果和阻水效果，本实施案例中帷幕灌浆孔5的深度为10m。
（3）钻孔施工
钻孔孔位需逐孔布置，并且做好记录，现场按照钻孔孔位偏差不大于10cm，孔深偏差不大于5cm，孔底偏差不大于5cm。
钻孔过程中严格控制孔深、孔向、孔斜等钻孔参数，遇岩层、岩性变化、回水颜色等情况应详细记录。
每钻完一孔后须及时进行压水试验检查，以保证该孔没有长大裂隙，待该孔压水结束后，方可进行相邻孔的钻孔施工。压水检查采用单点法，压力为1.0 MPa。
（4）渗压计埋设
仪器安装埋设前，先进行检验率定，合格后进行埋设。
渗压计5埋设时，应将渗压计5用砂袋包裹后置于设计指定位置，砂袋由干净的中粗砂组成，然后向孔内填入1.0m深的中粗砂，再先后填入1.0m深的膨润土、2.0m深的水泥砂浆。渗压计5埋设前应在水中浸泡2小时以上，使仪器的滤水石和中粗砂呈完成饱和状态。
仪器电缆引出时以双层热缩套管做好止水。
在压水开始前，所有监测仪器均应测读 1 次，取得初始读数，在压水试验过程中，各级稳定压力下，所有监测仪器测读 1 次，压水试验结束后测读 1 次。封孔结束后所有监测仪器测读 1 次，对渗压计读数进行对比分析。
（5）成果分析
压水过程中应缓慢逐级升压，并严密观察试验区域有无渗漏、有无抬动等异常情况。按照各压力段进行压水测试，观察和记录渗压计读数变化。
对中心压水孔2进行3~5次压水，压水压力要将工程中可能出现的水压囊括在内，并分级压水，通过多级压力的施加，能够获得对岩体的渗透特性更清晰的认识。本实施案例中分别进行了2MPa、5MPa和10MPa三级压水。
在稳定压力下，每5min测读一次压入流量，连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，即可结束压水，取最终值作为渗压计测值。
假设S x 为某个渗压孔与中心压水孔之间的渗透梯度，P 0 为中心压水孔压力，P x 为某个渗压计读数，则S x =(P 0 -P x )/D，如此可以获得不同压力不同位置处受各向异性影响岩体的渗透梯度。
Claims (8)
1.一种各向异性岩体渗透梯度测试装置，其特征在于：包括布置在测试场地上的混凝土底板（1），所述测试场地的中心布置有压水孔（2），所述压水孔（2）的孔口和底板（1）之间设有卡塞（3），所述压水孔（2）的周围间隔45°环形布置有渗压孔（4），所述渗压孔（4）的底部设有渗压计（5），所述渗压孔（4）的外围布置有帷幕灌浆孔（6），所述帷幕灌浆孔（6）呈环状分布。
2.根据权利要求1所述的一种各向异性岩体渗透梯度测试装置，其特征在于：所述渗压孔（4）的深度小于所述压水孔（2）的深度，所述渗压孔（4）与所述压水孔（2）的间距D为2-3m。
3.根据权利要求1所述的一种各向异性岩体渗透梯度测试装置，其特征在于：所述帷幕灌浆孔（6）与所述压水孔（2）之间的距离为渗压孔（4）与所述压水孔（2）之间的距离的2倍，所述帷幕灌浆孔（6）的深度大于所述压水孔（2）的深度。
4.根据权利要求1所述的一种各向异性岩体渗透梯度测试装置，其特征在于：所述压水孔（2）、渗压孔（4）和所述帷幕灌浆孔（6）的上部均贯穿所述底板（1）。
5.一种各向异性岩体渗透梯度的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）选择测试场地；
（2）布置场地场地；
完成底板1的钢筋混凝土衬砌施工，在测试场地中心布置压水孔（2），并在孔口和衬砌之间布置卡塞（3），在中心压水孔（2）周边布置渗压孔（4），在孔底布置渗压计（5）
在渗压孔（4）周边成环向布置帷幕灌浆孔（5），帷幕灌浆孔（5）深要超过中心压水孔（2）和渗压孔（4）；
（3）钻孔施工；
（4）埋设渗压计；
（5）压水试验：
对中心压水孔2进行3~5次压水，压水压力要将工程中可能出现的水压囊括在内，并分级压水，通过多级压力的施加，
在稳定压力下，每5min测读一次压入流量，连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，即可结束压水，取最终值作为渗压计测值；
（6）成果计算：假设S x 为某个渗压孔与中心压水孔之间的渗透梯度，P 0 为中心压水孔压力，P x 为某个渗压计读数，则S x =(P 0 -P x )/D，如此可以获得不同压力不同位置处受各向异性影响岩体的渗透梯度。
6.根据权利要求5所述的一种各向异性岩体渗透梯度的测试方法，其特征在于：所述步骤（1）中对场地选择的具体要求是：根据现场施工条件和岩体特点，选取具有代表性洞段开展测试，尽量避开长大裂隙和结构面，以尽可能反映岩体本身各向异性对渗透梯度的影响。
7.根据权利要求5所述的一种各向异性岩体渗透梯度的测试方法，其特征在于：所述步骤（3）中钻孔施工的工艺要求是：
A．钻孔孔位需逐孔布置，并且做好记录，现场按照钻孔孔位偏差不大于10cm，孔深偏差不大于5cm，孔底偏差不大于5cm；
B．钻孔过程中严格控制孔深、孔向、孔斜等钻孔参数，遇岩层、岩性变化、回水颜色等情况应详细记录；
C．每钻完一孔后须及时进行压水试验检查，以保证该孔没有长大裂隙，待该孔压水结束后，方可进行相邻孔的钻孔施工，压水检查采用单点法，压力为1.0 MPa。
8.根据权利要求5所述的一种各向异性岩体渗透梯度的测试方法，其特征在于：在所述步骤（4）中埋设渗压计的具体步骤是：
A．所述仪器安装埋设前，先进行检验率定，合格后进行埋设；
B．将渗压计（5）用砂袋包裹后置于设计指定位置，砂袋由干净的中粗砂组成，然后向孔内填入1.0m深的中粗砂，再先后填入1.0m深的膨润土、2.0m深的水泥砂浆，渗压计5埋设前应在水中浸泡2小时以上，使仪器的滤水石和中粗砂呈完成饱和状态；
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