CN109682950B - 一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,所述方法包括形成两个揭穿错动带结构面的钻孔,通过在两个钻孔中做微水试验获取错动带线性流渗透系数,根据压水试验和获取的错动带线性流渗透系数,计算错动带非线性流渗透参数,根据错动带发生渗透破坏的破坏阶段的加压时间、错动带的线性流渗透系数、错动带的非线性流渗透参数,获取错动带非线性流渗透破坏水力坡降值;本发明提供的确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法理论严密,且具有试验过程简单、易操作,获取的参数齐全、精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,属于土木、水利水电工程技术领域。
背景技术
错动带主要是指地质历史时期由于构造运动在坚硬岩层中形成的软弱结构面。错动带又可分为层间错动带和层内错动带,在自然界普遍存在,尺度上远远大于岩体工程结构物尺寸,给许多工程带来了渗流控制、岩体稳定性问题和地质灾害。其中金沙江下游已建的溪洛渡水电工程和在建的白鹤滩水电工程坝址区玄武岩中就广泛发育有缓倾角的层间和层内错动带。这些错动带内一般充填有夹泥、碎石,透水性远大于原岩。溪洛渡、白鹤滩水电工程都是250m以上坝高的高坝大库,水库蓄水后上下游水头差在200m以上,坝址区地下水工建筑物工程承受着巨大的错动带渗透力作用问题、渗透破坏问题和疏干排水问题,渗流场中水力梯度变化大的区域都将出现非线性流状态,因此错动带渗透性大小、非线性渗透破坏水力坡降值直接影响到坝址区地下厂房、隧洞、坝基防排水方案的设计。
对于错动带渗透性以往一般可以通过室内或现场渗透试验基于达西定律确定渗透系数。也可以根据常规压水试验,通过经验公式计算出渗透系数。但是问题在于大坝上下游水头差200m以上作用下,错动带渗透大都处于非线性流状态。对于岩体结构面非线性流及渗透参数的确定成果也不少,但这些成果几乎都是在室内小尺度岩样试验基础获得的,如何在现场通过简单、可行的原位试验获取错动带非线性流渗透参数,尤其是错动带非线性流渗透破坏水力坡降值是一个非常有实用价值的问题,因此需要一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值,以解决在现场通过简单、可行的试验获取错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的问题。
为达到上述目的,本发明是采用下述技术方案实现的:
本发明提供了一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,所述方法包括如下步骤:
形成两个垂直于错动带结构面的钻孔,所述钻孔揭穿错动带结构面;
优选的,所述两个钻孔之间的径向距离为1-2m;
对形成的两个钻孔进行洗孔;
在所述的两个钻孔中做微水试验,获取错动带线性流渗透系数;
选取所述两个钻孔中的一个为试验孔,另一个为观测孔,逐级增大水压对所述试验孔做压水试验,直至错动带发生渗透破坏;在逐级增加水压对所述试验孔做压水试验时,当观测孔中出现带有泥沙的浑水时,说明错动带发生渗透破坏;
记录错动带发生渗透破坏的破坏阶段的加压时间,记录不同水压对应的试验孔的压水流量和观测孔的水压力变化值;
根据所述错动带线性流渗透系数、不同水压对应的试验孔的压水流量和观测孔的水压力变化值,获取不同水压对应的错动带非线性流渗透参数,计算不同水压对应的错动带非线性流渗透参数的平均值;
根据错动带线性流渗透系数、不同水压对应的错动带非线性流渗透参数的平均值、错动带发生渗透破坏的破坏阶段的加压时间,计算错动带非线性流渗透破坏水力坡降值。
不同水压对应的错动带非线性流渗透参数使用非线性流的Forchheimer公式计算;
所述错动带非线性流渗透破坏水力坡降值使用改进的非线性流的Forchheimer公式计算;所述非线性流的Forchheimer公式使用Theis公式进行改进。
微水试验结束后,在试验孔中设置和错动带上端齐平的第一栓塞、和错动带下端齐平的第二栓塞,以隔离出试验段用于压水试验测试。
本发明提供的一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,所述方法包括形成两个钻孔,在所述的两个钻孔中做微水试验,获取错动带线性流渗透系数,选取所述两个钻孔中的一个为试验孔,另一个为观测孔,逐级增大水压对所述试验孔做压水试验,直至错动带发生渗透破坏,根据错动带线性流渗透系数及压水试验,计算出不同水压对应的错动带非线性流渗透参数的平均值,获取错动带非线性流渗透破坏水力坡降值;本发明提出了一种规范化的试验技术方法确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值,这一方法不仅理论严密,而且具有试验过程简单、易操作,获取的参数齐全、精度高等优点,有很好的推广应用价值。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值方法的流程图;
图2是根据本发明实施例提供的一种压水试验示意图;
图3是根据本发明实施例提供的一种试验现场示意图;
图中:1、压力表;2、流量表;3、栓塞;4、错动带;5、试验孔;6、观测孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供的一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值方法流程图如图1所示,所述方法包括如下步骤:
步骤1:形成两个垂直于错动带结构面的钻孔:
步骤11:在现场选定要做试验的错动带,通过错动带露头或勘探资料掌握错动带的产状,估计试验点错动带的埋深,确定钻孔的深度;
步骤12:形成两个垂直于错动带结构面的钻孔,所述两个钻孔揭穿错动带的结构面后再伸入0.5m-1.0m,两个钻孔的径向距离为1-2m,两个钻孔的直径为75mm或127mm,所述两个钻孔的直径可以相同,也可以不同。
步骤2:对步骤1中形成的两个钻孔洗孔。
步骤3:洗孔结束待孔中地下水位稳定后,在两个钻孔中做微水试验,获取错动带的平均渗透系数K,将获取错动带的平均渗透系数K作为错动带线性流渗透系数。
步骤4:计算错动带非线性流渗透参数:
步骤41:选取两个钻孔中的一个为试验孔,另一个为观测孔,微水试验结束后,在试验孔中设置和错动带上端齐平的第一栓塞、和错动带下端齐平的第二栓塞,以隔离出试验段用于压水试验测试,压水试验示意图如图2所示;
步骤42:待两个钻孔中的水压稳定后,使用普通压水试验装置通过和错动带上端齐平的第一栓塞向试验孔内按Δp1=0.3MPa、Δp2=0.5MPa、…、Δpi=Δpi MPa的压力变化值逐级压水做压水试验,直至错动带发生渗透破坏,相当于对错动带做渗透破坏试验,错动带发生渗透破坏时的水压Δpi=Δpi;判断错动带发生渗透破坏的方法是:在压水试验过程中,当观测孔中水出现带有泥沙的浑水时,说明错动带发生渗透破坏,记录错动带发生渗透破坏的破坏阶段的加压时间Δti;错动带每级压水时间以压水流量达到稳定为止,记录不同水压对应的试验孔的压水流量Q1、Q2、…、Qi和观测孔的水压力变化值Δp1′、Δp2′、…、Δpi′。
步骤43:使用非线性流的Forchheimer公式计算错动带非线性流渗透参数,非线性流的Forchheimer公式为:
J=av+bv2 (1)
其中a为第一非线性流渗透参数,b为第二非线性流渗透参数;V为渗透速度,且
K为根据步骤1至步骤3获取的错动带线性流渗透系数;
由公式(1)得:
其中,M为错动带透水介质厚度;Q为压水试验测试时压水流量达到稳定时的压水流量,所述压水流量等于以试验孔轴心为原点、半径为r的圆柱形过水断面流量等于钻孔的注水流量,在本实施例中,r1等于两钻孔之间的径向距离;H为以试验孔轴心为原点、半径为r处的水头;
由公式(3)得:
积分后得
rw为试验孔的半径,hw为试验孔的水头;r1为观测孔到试验孔的距离,h1为观测孔的水头;
由公式(4)可以求得错动带第二非线性流渗透参数为:
根据公式(5),可以得出使用第i组水压做压水试验的错动带第二非线性流渗透参数bi为:
其中,h1i为使用第i组水压做压水试验时获取的观测孔的水头,hwi为使用第i组水压做压水试验时获取的试验孔的水头;
Δp=Hr0 (7)
其中,其中r0为水的容重,等于9.8kN/m3;根据1MPa=106N/m2,可以推算出1MPa的压强对应的水头H约等于100m;根据公式(7),可得出:hwi=100Δpi(m);h1i=100Δp′i(m)。根据步骤1至步骤4,可以获取不同水压对应的错动带第二非线性流渗透参数的平均值。
步骤5:计算错动带非线性流渗透破坏水力坡降值:
由公式(3)得:
其中,Jp为错动带非线性流渗透破坏水力坡降值。
值得注意的是,式(8)是在水流稳定状态下的计算式,而在Δpi=Δpi MPa,对应的流量为Qi,距离试验孔距离r1处的观测孔中水发生混浊变化时,试验形成的径向流未必已经达到稳定。在径向水流达到稳定之前,通过不同径向距离r圆柱形断面的流量Qir是不相等的,由Theis公式可以得到:
式中μ*为错动带贮水系数,t为时间。
因此
按照Theis公式假定,时间t为从压水开始计算总的试验延续时间tp。而实际上以流量Qi试验的时间Δti远小于tp,且破坏阶段的加压时间应以Δti为准,所以式中t=Δti,可通过压水试验计算得到非线性非稳定流情况下,错动带的破坏水力坡降值。
本实施例选取白鹤滩水电站C4层间错动带为试验对象,进行错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的计算。如图3所示的试验现场示意图,CZK88-0为试验孔,CZK88-1为观测孔,在试验孔CZK88-0和观测孔CZK88-1中做微水试验,计算错动带线性流渗透系数K,试验使用的相关参数值及使用相关参数计算出的错动带线性流渗透系数K的值如表1所示。
表1
结合表1所示的错动带线性流渗透系数K的值,根据公式(2)求得错动带第一非线性流渗透参数a=5.32(s/cm)。
使用逐级增大的水压对试验孔CZK88-0做压水试验,逐级增大的水压值如表2所示,当水压增加至3.0MPa后360s观测孔出现混浊的地下水,说明错动带发生渗透破坏,错动带发生渗透破坏的破坏阶段的加压时间Δti为360s。
试验孔CZK88-0的半径rw=3.75cm,试验孔CZK88-0与观测孔CZK88-1之间间距r1=200cm,试验段错动带透水介质平均厚度M=40(cm);记录不同水压对应的试验孔CZK88-0的压水流量和观测孔CZK88-1的水压力变化值如表2所示,根据步骤1至步骤4计算的不同水压对应的错动带的第一非线性流渗透参数和不同水压对应的错动带第二非线性流渗透参数的平均值计算结果如表2所示。
表2
根据步骤5,将如表3所示的相关参数代入公式(10)中,求得错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的结果。由于C4层间错动带的贮水系数μ*未知,现给出不同贮水系数情况下在3.0MPa加压至360s时的破坏水力坡降值计算结果如表3,C4层间错动带的渗透破坏水力坡降值Jp范围为14.06~15.13。
表3
本发明实施例提供的一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,所述方法包括形成两个钻孔,在所述的两个钻孔中做微水试验,获取错动带线性流渗透系数,选取所述两个钻孔中的一个为试验孔,另一个为观测孔,逐级增大水压对所述试验孔做压水试验,直至错动带发生渗透破坏,根据错动带线性流渗透系数及压水试验,计算出不同水压对应的错动带非线性流渗透参数的平均值,获取错动带非线性流渗透破坏水力坡降值;本发明提出了一种规范化的试验技术方法确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值;本发明实施例提供的一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,在白鹤滩水电工程现场进行了验证,这一方法不仅理论严密,而且具有试验过程简单、易操作,获取的参数齐全、精度高等优点,因此有很好的推广应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
形成两个垂直于错动带结构面的钻孔,所述钻孔揭穿错动带结构面;
在两个所述的钻孔中做微水试验,获取错动带线性流渗透系数;
选取两个所述钻孔中的一个为试验孔,另一个为观测孔:逐级增大水压对所述试验孔做压水试验,直至错动带发生渗透破坏,获取错动带发生渗透破坏的破坏阶段的加压时间、不同水压对应的试验孔的压水流量和观测孔的水压力变化值;
根据所述错动带线性流渗透系数、不同水压对应的试验孔的压水流量和观测孔的水压力变化值,获取不同水压对应的错动带非线性流渗透参数,计算不同水压对应的错动带非线性流渗透参数的平均值;
不同水压对应的错动带非线性流渗透参数使用非线性流的Forchheimer公式计算,在Forchheimer公式中,使用第i组水压做压水试验的错动带第二非线性流渗透参数b i 为:
其中,为使用第i组水压做压水试验时获取的观测孔的水头,h wi 为使用第i组水压做压水试验时获取的试验孔的水头,为第一非线性流渗透参数,M为错动带透水介质厚度;为使用第i组水压做压水试验时压水流量达到稳定时的压水流量,等于两钻孔之间的径向距离,为试验孔的半径;
其中,为错动带贮水系数,为错动带线性流渗透系数,为第一非线性流渗透参数,M为错动带透水介质厚度;为使用第i组水压做压水试验时压水流量达到稳定时的压水流量,等于两钻孔之间的径向距离;b为错动带第二非线性流渗透参数;
2.根据权利要求1所述的确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,其特征在于,所述方法还包括对形成的两个钻孔进行洗孔。
3.根据权利要求1所述的确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,其特征在于,判断错动带发生渗透破坏的方法包括:在逐级增加水压对所述试验孔做压水试验时,当观测孔中出现带有泥沙的浑水时,说明错动带发生渗透破坏。
4.根据权利要求1所述的确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,其特征在于,两个钻孔之间的径向距离为1-2m。
5.根据权利要求1所述的确定错动带非线性流渗透破坏水力坡降值的方法,其特征在于,所述方法还包括:微水试验结束后,在试验孔中设置和错动带上端齐平的第一栓塞、和错动带下端齐平的第二栓塞,以隔离出试验段用于压水试验测试。
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