CN110542635A - 一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，该方法用于坚硬岩中软弱结构面大型原位高压渗透变形试验试样制备，施工方便、安全可靠、对试样干扰较小。所述方法包括以下步骤：步骤1，支洞及连通洞爆破，在主洞壁的选定原位试样的位置两侧各开设一支洞，在两个支洞尾部之间沿软弱结构走向方向开设连通洞，所述支洞和连通洞的开设时采用相同的爆破方式；步骤2，试样表面平整，支洞及连通洞爆破完成后，对试样表面进行修样，修样完毕后，立即用塑料胶布罩设试样的软弱夹层部位；步骤3，设置进水仓和出水仓，在试样的两侧分别设置进水仓和出水仓，所述进水仓和出水仓用于对试样进行高压渗透变形试验。

Description

一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法

技术领域

本发明涉及水电水利枢纽工程地下工程勘测试验技术领域，尤其涉及一种用于坚硬岩中软弱结构面大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法。

背景技术

在抗体于玄武岩地区中布置的水电水利枢纽工程，地层总体产状平缓，岩质坚硬，工程地质条件总体较好，但普遍发育有不同规模的层间、层内错动带、陡倾角断层等软弱结构面，它们互相交切组合，在很大程度上控制了坝区岩体质量的优劣，是构成坝区各类工程地质问题的重要边界条件。工程蓄水后在高坝高水头作用下，平行这些软弱结构面方向将产生巨大的渗透作用，对水工建筑物的正常运行产生很大的影响，此外，高渗透水压力也会对工程区围岩产生潜在的渗透变形破坏或者弱化其强度指标，危及建筑物及边坡安全。因此，有必要开展软弱结构面渗透变形的试验研究工作，为工程的防渗处理提供依据。

玄武岩中的软弱层(带)因其成因和构造的复杂性，透水性有别于一般土体。在渗流作用下，其表现与一般砂、砂砾石以及粘土等也不相同。目前，层内(间)错动带渗透变形参数的获取主要是通过现场和室内试验。除此以外，工程上也常参照土类多孔介质渗透变形参数的确定方法，采用经验公式或土的渗透变形判别法来简化计算。但多孔介质的渗透变形判断方法对全土质的允许水力比降较易判断，对结构面的渗透稳定判别，有待商榷；室内试验尽管简单易行，但其试验成果通常与现场试验出入较大；现场试验分压水试验和平硐试验，压水试验孔隙间距难以控制，且钻孔中水流方向呈半无限元，而观测槽仅观测到部分水流，平硐渗透变形试验是求取特定小尺度岩体结构面的渗透特性的水力试验，局限性较大，且原状样的制备方法对结果的可靠性有较大影响，因此，目前国内对类似地质条件下现场原位高压渗透变形试验试样的制备尚无较好的方法。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的用于大型原位高压渗透变形试验方法及相应试样制备方法的上述不足之处，提供施工方便、安全可靠、干扰较小的用于坚硬岩中软弱结构面大型原位高压渗透变形试验试样制备的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，支洞及连通洞爆破，在主洞壁的选定原位试样的位置两侧各开设一支洞，在两个支洞尾部之间沿软弱结构走向方向开设连通洞，所述支洞和连通洞的开设时采用相同的爆破方式；

步骤2，试样表面平整，支洞及连通洞爆破完成后，对试样表面进行修样，修样完毕后，立即用塑料胶布罩设试样的软弱夹层部位；

步骤3，设置进水仓和出水仓，在试样的两侧分别设置进水仓和出水仓，所述进水仓和出水仓用于对试样进行高压渗透变形试验。

作为优选，在步骤1中支洞和连通洞的爆破方式具体包括以下步骤：

步骤101，在选定原位试样的位置边缘各钻设竖直的两排预裂孔，每排预裂孔的上下相邻两个预裂孔之间的间距相等，位于同一侧的两排预裂孔交错布置；

步骤102，在主洞壁的拟定支洞位置，阵列设置爆破孔，间隔选取爆破孔隔空装药。

步骤103，自远离试样位置的一竖直列爆破孔开始由远及近依次延时引爆各竖直列的爆破孔，每个竖直列爆破孔的引爆方式为从中部的爆破孔开始向两侧的爆破孔依次对称引爆。

作为优选，在步骤2具体包括以下步骤：

步骤201，试样四周向内修样，软弱结构部位修整成表面凹凸度小于2cm 的平面，使软弱夹层的新鲜面暴露出来；

步骤202，对上下层岩体有明显裂缝部位，可用风镐修去，当无明显裂隙时，人工用钻子修平，形成试体；

步骤203，修整完毕后，立即用塑料胶布罩设试样的软弱夹层部位，注意防止洞内渗水使试样表面软化。

作为优选，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤301，根据试验进水面的尺寸制作进水仓内置模具，将所述进水仓内置模具安装在试样的进水面，在进水仓内置模具内放置冲洗干净的砂砾石保护层；

步骤302，根据试验出水面的尺寸制作进出水仓内置模具，在试验的出水面一侧横竖交叉绑扎钢筋网，在钢筋网内放置冲洗干净的砂砾石保护层，将出水仓内置模具安装在试样的出水面；

步骤303，在进水仓内置模具上安装进水管，进水管一端伸入进水仓内置模具内的砂砾石保护层内且不直接与试样进水面连接；在进水仓内置模具上安装排气管，所述排气管底面略高于试样顶；在出水仓内置模具上安装出水管，所述出水管底面略低于试样顶；

步骤304，沿渗径方向，在试样侧面的岩体结构面合适部位安装测压管，所述测压管口包裹细铁丝网；

步骤305，在进水仓内置模具、出水仓内置模具及试样外侧一次性整体浇筑混凝土封堵层，所述混凝土封堵层包裹进水仓内置模具、出水仓内置模具及整个试样。

作为优选，所述进水仓内置模具形状为单面无侧盖长方形盒体，进水仓内置模具的无侧盖面朝向试样进水面，进水仓内置模具的无侧盖面面积大于原位试样进水面的面积，进水仓内置模具设置进水管预留孔和排气管预留孔。

作为优选，所述出水仓内置模具形状为立方体形框体，其面积大于原位试样出水面的面积，出水仓内置模具远离试样一侧的中部设置透明钢化玻璃。

作为优选，所述砂砾石保护层中的砂砾石粒径大于2cm。

作为优选，所述混凝土封堵层的厚度不小于50cm。

作为优选，在步骤3之后，还包括以下步骤：

步骤4，裂隙处理，在距试样顶部以上20cm范围外钻设两排孔，并修通整个试样的上表面，然后再用加入微膨胀剂的混凝土浇筑，平整试样顶面。

作为优选，所述方法还包括步骤5：

步骤5，现场描述，试样表面平整后，对试样进行详细的地质描述，描述内容包括：试样位置；结构面的产状、宽度；结构面填充物的颜色、物质、湿度、紧密程度、风化情况。本发明申请提供的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法是适用于坚硬岩中软弱结构面大型原位高压渗透变形试验的试样制备。通过该方法制备的试样，可以在原位试样上直接进行现场高压渗透变形试验工作，能够准确反应有软弱结构面渗透变形情况，为工程的防渗处理提供依据。其中支洞及连通洞的爆破方式中，通过设置预裂孔以及特定顺序的延时爆破方式，能够尽量减少支洞和连通洞开设过程中对原位试样的扰动，使最终试验结果准确可靠。用于高压渗透变形试验进水仓和出水仓，是通过结构简易的进水仓内置模具和水仓内置模具在现场安装，不仅施工操作方便，而且能够保证后续试验准确反应现场情况。同时还考虑到试样顶部岩体裂隙发育，有可能导致过大岩体裂隙渗流量时，对试样顶部进行封堵。

附图说明

图1为发明的支洞和连通洞结构示意图。

图2为发明的支洞爆破示意图。

图3为发明的进水仓内置模具结构示意图。

图4为发明的出水仓内置模具结构示意图。

图5为通过本发明制备大型原位高压渗透变形试验试样的俯视剖面图。

图6为通过本发明制备大型原位高压渗透变形试验试样的侧视剖面图。

图中：1、原位试样；2、进水仓；201进水仓内置模具；202进水管预留孔； 203排气管预留孔；3、出水仓；301、出水仓内置模具；4、测压管；5、压力仪； 6、混凝土封堵层；7、进水管；8、出水管；9、砂砾石保护层；10、钢筋网； 11、流量表；12、稳压水箱；13、调压阀；14、水泵；15、蓄水池；16、透明钢化玻璃；17、量水桶；18、主洞；19、支洞；20、连通洞；21、预裂孔；22、爆破孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

本发明实施例的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，本实施例是以缓倾角层间错动带为例对本方法的详细说明。

所述方法包括以下步骤：

步骤1，支洞19及连通洞20爆破，在主洞18壁的选定原位试样1的位置两侧各开设一支洞19，在两个支洞19尾部之间沿软弱结构走向方向开设连通洞 20，所述支洞19和连通洞20的开设时采用相同的爆破方式。

图1是支洞19和连通洞20结构示意图，两个支洞19垂直于主洞18壁打入，间距为2.5m、高度为2m、宽度为2m、深度为5m。为了试验备样、观测方便，支洞19可向上或向下略微倾斜。连通洞20的高度为2m、宽度为2m、长度为2.5m。

步骤2，试样表面平整，支洞19及连通洞20爆破完成后，对试样表面进行修样，修样完毕后，立即用塑料胶布罩设试样的软弱夹层部位。

步骤3，设置进水仓2和出水仓3，在试样的两侧分别设置进水仓2和出水仓3，所述进水仓2和出水仓3用于对试样进行高压渗透变形试验。

步骤4，裂隙处理，在距试样顶部以上20cm范围外钻设两排孔，并修通整个试样的上表面，然后再用加入微膨胀剂的混凝土浇筑，平整试样顶面。

所述步骤4是考虑到，当试样顶部岩体裂隙发育，有可能导致过大岩体裂隙渗流量时，必须对试样顶部进行封堵。

步骤5，现场描述，试样表面平整后，对试样进行详细的地质描述，描述内容包括：试样位置；结构面的产状、宽度；结构面填充物的颜色、物质、湿度、紧密程度、风化情况。

现场原位试样1的尺寸根据试验点结构面具体尺寸、走向、渗透性并结合该位置供水能力、仪器安装及施工方便等综合确定。为保证具有代表性，原则上原位试样1平均渗径不得小于150cm，宽度不得小于100cm，高度不得小于 50cm。试样必须完整包括岩体结构面，缓倾角层间错动带在高度方向、陡倾角断层在宽度方向，至少保留不小于20cm厚度的完整原状破碎带。通常情况下，缓倾角层间错动带的原位样尺寸确定为200cm×150cm×50cm(渗径×宽×高)，陡倾角断层原位样尺寸为200cm×150cm×100cm(渗径×宽×高)。实际制备时，可以综合考虑现场取样点岩石裂隙发育情况、软弱夹层的渗透性和试验点的供水量等情况略做修改。

优选的，在步骤1中支洞19和连通洞20的爆破方式具体包括以下步骤：

步骤101，在选定原位试样1的位置边缘各钻设竖直的两排预裂孔21，每排预裂孔21的上下相邻两个预裂孔21之间的间距为8cm，位于同一侧的两排预裂孔21交错布置，位于同一侧的两排预裂孔21的孔心水平距离为8cm，每个预裂孔21孔径为4cm，深度为2m；

步骤102，在主洞18壁的拟定支洞19位置，阵列设置爆破孔22，间隔选取爆破孔22隔空装药，所述爆破的钻取深度为50cm，孔径为4cm。

步骤103，自远离试样位置的一竖直列爆破孔22开始由远及近依次延时引爆各竖直列的爆破孔22，每个竖直列爆破孔22的引爆方式为从中部的爆破孔 22开始向两侧的爆破孔22依次对称引爆。

图2是本实施例一个应用举例中支洞19爆破示意图。在选定的原位试样1 的边缘竖直设置两排预裂孔21。上下相邻两个预裂孔21之间的间距为8cm，两排预裂孔21的孔心水平距离为8cm，每个预裂孔21孔径为4cm，深度为2m。在支洞19开设位置设置三列爆破孔22，间隔选取爆破孔22隔空装药，图中实心标注的为装药的爆破孔22，空心标注的为非装药的爆破孔22。从距离原位试样1最远的竖直列的中部的一个爆破孔22开始引爆，然后逐步向两侧对称引爆这一竖直列上引爆孔。在完成一个竖直列上的爆破孔22后，再按照这样的方式向靠近原位试样1方向逐步引爆各竖直列上的爆破孔22。具体的顺序按图2标号a-i号的顺序延时引爆。连通洞20爆破采用与支硐爆破相同的方式。

优选的，在步骤2具体包括以下步骤：

步骤201，试样四周向内修样30cm-50cm，软弱结构部位修整成表面凹凸度小于2cm的平面，使软弱夹层的新鲜面暴露出来；

步骤202，对上下层岩体有明显裂缝部位，可用风镐修去，当无明显裂隙时，人工用钻子修平，形成试体；

步骤203，修整完毕后，立即用塑料胶布罩设试样的软弱夹层部位，注意防止洞内渗水使试样表面软化。

优选的，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤301，根据试验进水面的尺寸制作进水仓内置模具201，将所述进水仓内置模具201安装在试样的进水面，在进水仓内置模具201内放置冲洗干净的砂砾石保护层9。所述砂砾石保护层9中的砂砾石粒径大于2cm。

步骤302，根据试验出水面的尺寸制作进出水仓内置模具301，在试验的出水面一侧横竖交叉绑扎钢筋网10，在钢筋网10内放置冲洗干净的砂砾石保护层 9，将出水仓内置模具301安装在试样的出水面；

步骤303，在进水仓内置模具201上安装进水管7，进水管7一端伸入进水仓内置模具201内的砂砾石保护层9内5cm且不直接与试样进水面连接；在进水仓内置模具201上安装排气管，所述排气管底面略高于试样顶；在出水仓内置模具301上安装出水管8，所述出水管8底面略低于试样顶；

步骤304，步骤304，沿渗径方向，在试样侧面的岩体结构面合适部位安装测压管4，所述测压管4口包裹细铁丝网；

具体的，沿渗径方向，在试样侧面的岩体结构面合适部位，等距离钻取2-3 个直径6-8mm、深10cm的小孔，用以安装测压管4。测压管4口包裹二层孔径 2mm的细铁丝网，起过滤保护作用，防止岩体结构面中的填充物堵塞测压管4。压力仪5连接各测压管4，用于测量各测压管4的水压。

步骤305，在进水仓内置模具201、出水仓内置模具301及试样外侧一次性整体浇筑混凝土封堵层6，所述混凝土封堵层6包裹进水仓内置模具201、出水仓内置模具301及整个试样。所述混凝土封堵层6的厚度不小于50cm。

如图3所示，所述进水仓内置模具201形状为用木板加工制作的单面无侧盖长方形盒体，宽度为40cm。进水仓内置模具201的无侧盖面朝向试样进水面，进水仓内置模具201的无侧盖面面积大于原位试样1进水面的面积，进水仓内置模具201设置进水管预留孔202和排气管预留孔203。

如图4所示，所述出水仓内置模具301为用木板加工制作的立方体形框体，宽度为40cm。其面积大于原位试样1出水面的面积，出水仓内置模具301远离试样一侧的中部设置透明钢化玻璃16，所述透明钢化玻璃16作为观察窗可以观察出水仓内部的试样试验情况。

进水管7为DN25型不锈钢管，出水管8为DN40型不锈钢管，排气管为 DN15的不锈钢管。进水管7连接注水加压装置，所述注水加压装置包括流量表 11、稳压水箱12、调压阀13、水泵14和蓄水池15，蓄水池15依次连接水泵 14、调压阀13、稳压水箱12和进水管7，稳压水箱12设置流量表11。出水管 8一侧设置量水桶17，用于测量某段时间内的出水量。

如图5、图6所示，本发明申请提供的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法是适用于坚硬岩中软弱结构面大型原位高压渗透变形试验的试样制备。通过该方法制备的试样，可以在原位试样1上直接进行现场高压渗透变形试验工作，能够准确反应有软弱结构面渗透变形情况，为工程的防渗处理提供依据。其中支洞19及连通洞20的爆破方式中，通过设置预裂孔21以及特定顺序的延时爆破方式，能够尽量减少支洞19和连通洞20开设过程中对原位试样1的扰动，使最终试验结果准确可靠。用于高压渗透变形试验进水仓2和出水仓3，是通过结构简易的进水仓内置模具201和水仓内置模具在现场安装，不仅施工操作方便，而且能够保证后续试验准确反应现场情况。同时还考虑到试样顶部岩体裂隙发育，有可能导致过大岩体裂隙渗流量时，对试样顶部进行封堵。

Claims (10)

1.一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

步骤1，支洞及连通洞爆破，在主洞壁的选定原位试样的位置两侧各开设一支洞，在两个支洞尾部之间沿软弱结构走向方向开设连通洞，所述支洞和连通洞的开设时采用相同的爆破方式；

步骤2，试样表面平整，支洞及连通洞爆破完成后，对试样表面进行修样，修样完毕后，立即用塑料胶布罩设试样的软弱夹层部位；

步骤3，设置进水仓和出水仓，在试样的两侧分别设置进水仓和出水仓，所述进水仓和出水仓用于对试样进行高压渗透变形试验。

2.根据权利要求2所述的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，其特征是，在步骤1中支洞和连通洞的爆破方式具体包括以下步骤：

步骤101，在选定原位试样的位置边缘各钻设竖直的两排预裂孔，每排预裂孔的上下相邻两个预裂孔之间的间距相等，位于同一侧的两排预裂孔交错布置；

步骤102，在主洞壁的拟定支洞位置，阵列设置爆破孔，间隔选取爆破孔隔空装药。

步骤103，自远离试样位置的一竖直列爆破孔开始由远及近依次延时引爆各竖直列的爆破孔，每个竖直列爆破孔的引爆方式为从中部的爆破孔开始向两侧的爆破孔依次对称引爆。

3.根据权利要求2所述的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，其特征是，在步骤2具体包括以下步骤：

步骤201，试样四周向内修样，软弱结构部位修整成表面凹凸度小于2cm的平面，使软弱夹层的新鲜面暴露出来；

步骤202，对上下层岩体有明显裂缝部位，可用风镐修去，当无明显裂隙时，人工用钻子修平，形成试体；

步骤203，修整完毕后，立即用塑料胶布罩设试样的软弱夹层部位，注意防止洞内渗水使试样表面软化。

4.根据权利要求1所述的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，其特征是，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤301，根据试验进水面的尺寸制作进水仓内置模具，将所述进水仓内置模具安装在试样的进水面，在进水仓内置模具内放置冲洗干净的砂砾石保护层；

步骤302，根据试验出水面的尺寸制作进出水仓内置模具，在试验的出水面一侧横竖交叉绑扎钢筋网，在钢筋网内放置冲洗干净的砂砾石保护层，将出水仓内置模具安装在试样的出水面；

步骤303，在进水仓内置模具上安装进水管，进水管一端伸入进水仓内置模具内的砂砾石保护层内且不直接与试样进水面连接；在进水仓内置模具上安装排气管，所述排气管底面略高于试样顶；在出水仓内置模具上安装出水管，所述出水管底面略低于试样顶；

步骤304，沿渗径方向，在试样侧面的岩体结构面合适部位安装测压管，所述测压管口包裹细铁丝网；

步骤305，在进水仓内置模具、出水仓内置模具及试样外侧一次性整体浇筑混凝土封堵层，所述混凝土封堵层包裹进水仓内置模具、出水仓内置模具及整个试样。

5.根据权利要求4所述的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，其特征是，所述进水仓内置模具形状为单面无侧盖长方形盒体，进水仓内置模具的无侧盖面朝向试样进水面，进水仓内置模具的无侧盖面面积大于原位试样进水面的面积，进水仓内置模具设置进水管预留孔和排气管预留孔。

6.根据权利要求4所述的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，其特征是，所述出水仓内置模具形状为立方体形框体，其面积大于原位试样出水面的面积，出水仓内置模具远离试样一侧的中部设置透明钢化玻璃。

7.根据权利要求4所述的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，其特征是，所述砂砾石保护层中的砂砾石粒径大于2cm。

8.根据权利要求4所述的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，其特征是，所述混凝土封堵层的厚度不小于50cm。

9.根据权利要求1所述的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，其特征是，在步骤3之后，还包括以下步骤：

步骤4，裂隙处理，在距试样顶部以上20cm范围外钻设两排孔，并修通整个试样的上表面，然后再用加入微膨胀剂的混凝土浇筑，平整试样顶面。

10.根据权利要求1所述的一种用于大型原位高压渗透变形试验试样的制备方法，其特征是，所述方法还包括步骤5：

步骤5，现场描述，试样表面平整后，对试样进行详细的地质描述，描述内容包括：试样位置；结构面的产状、宽度；结构面填充物的颜色、物质、湿度、紧密程度、风化情况。