CN110646329A - 缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形现场试验方法及其试样装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形现场试验方法及其试样装置，包括采自工程现场的具有软弱结构面的岩石试样块并经灌浆处理，岩石试样块内部设置测压管；岩石试样块的两侧分别作为进水和出水面，软弱结构面出露在进水面和出水面上；进水面侧和出水面侧分别配置进水仓和出水仓，在进水仓和出水仓中填满鹅卵石，岩石试样块、进水仓和出水仓外浇筑钢筋混凝土密封，所述试样装置对于进水仓的进水管和排气管，对于出水仓设置出水管，进水仓的进水管口高度和所述岩石试样块的底部一致，排水仓的出水管口高度和所述岩石试样块的顶部一致。本发明可实现对模拟灌浆处理的原状样进行渗透变形试验，测定软弱结构面灌后渗透变形参数，供大坝设计计算使用。

Description

缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形现场试验方法及其试样 装置

技术领域

本发明涉及缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形现场试验方法及其试样装置。

背景技术

随着水利、水电行业技术发展，现代大坝高度越来越高、水库库容越来越大，对大坝地基要求越来越高，特别是一些大型拱坝，高度高、坝体薄，库水压力主要由坝体传至拱座及地基承载，坝基需选在完整稳定基岩上，而基岩内往往发育各类地质构造，这些构造带内岩体破碎，多充填泥质、岩屑、角砾等，如在大坝地基出露，对大坝稳定性及大坝渗漏影响极大。

西南某水电站枢纽区挡水建筑为混凝土拱坝，坝基为玄武岩，为火山喷出岩，各岩流层顶部的分布有凝灰岩层，在构造作用下错动强烈，形成厚度5～30cm不等的软弱结构面，构成缓倾角的层间错动带，带内充填泥质条带，性状软弱，结构面类型为泥夹岩屑性。这些结构面从水库延续到坝基下游边坡，在坝基、拱肩槽内都有出露，为提高坝基稳定性及承载力，坝基开挖后需采用灌浆处理，如何在勘察阶段准确的提出结构面灌浆后渗透变形参数，如灌后渗透系数、灌后临界坡降、灌后破坏坡降等，是地质专业需要解决的主要问题。

现行结构面渗透变形试验方法主要为室内原状试验和现场试验。室内原状试验是取结构面内软弱物质在室内进行小尺寸试样的渗透变形试验，简单易行，但试验成果通常与现场试验出入较大；现场试验法是在现场进行试验，可以分为钻孔压水试验法和平硐原位试验法，钻孔压水试验法仅能观测到部分水流，试验成果可靠性尚不能得到完全认可，平硐原位试验法成果较为准确，试验方法复杂，投入成本较大。上述试验方法在一定程度上解决了结构面的渗透变形参数取值问题，但均无法解决大坝坝基更为关注的结构面灌浆后的参数取值问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形试验方法，可实现对模拟灌浆处理的原状样进行渗透变形试验，测定软弱结构面灌后渗透变形参数，供大坝设计计算使用。为此，本发明采用以下技术方案：

缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形现场试验方法，其特征在于其采用的试样装置包括以下结构：

试样为采自工程现场的具有软弱结构面的岩石试样块，所述岩石试样块经灌浆处理，并且在岩石试样块内部设置测压管；所述岩石试样块的两侧分别作为进水面和出水面，并且所述软弱结构面出露在进水面和出水面上。

岩石试样块的进水面侧和出水面侧分别配置进水仓和出水仓，在进水仓和出水仓中填满鹅卵石，岩石试样块、进水仓和出水仓外浇筑钢筋混凝土密封，所述试样装置对于进水仓设置进水管和排气管，对于出水仓设置出水管，进水仓的进水管口高度和所述岩石试样块的底部一致，排水仓的出水管口高度和所述岩石试样块的顶部一致；

试样采用低水头分级饱和，在试验前确定水头递增的加压策略，按渗透初始坡降及递增值，逐次升高进水仓水头，每次升高水头后，应使出水管的出水口出水30min～60min，待水流稳定后，测记测压管水位并测读出水口流出水量作为渗水量，并测量出口仓的水温；当测读的水位及渗水量基本稳定，即可提升到下一级水头；

观察试验过程中出现的各种现象，包括：出水的浑浊程度、气泡冒出、细颗粒跳动、移动或被水流带出、土体悬浮、渗流量及测压管水位的变化，并进行详细描述记录；当出现临界坡降或破坏坡降前兆时，应及时调整坡降递增值；在进行试验的同时，绘制渗流坡降与渗流速度关系曲线，必要时还需绘制渗透速度与时间关系曲线，根据曲线变化，及时调整每级水头的持续时间和水头的级差；当试样发生破坏或水头无法再继续增加时，结束试验；

所述试验方法的渗透特性参数选取准则为：

(1)临界水力坡降判断准则：当现场绘制的水力坡降-渗流速度(i-v)关系曲线首次出现拐点时或试验现象出现异常情况时，此时坡降即定为临界坡降；所述异常情况包括冒浑水、细颗粒析出、上下水位波动异常；

(2)破坏水力坡降判断准则：当试样完全破坏，渗透压力无法加载时，取最高点坡降值；

(3)渗透系数判断准则：遵循达西(H.darcy)定律v＝KI，根据水力坡降-渗流速度(i-v)关系曲线，取渗透坡降达到临界值之前的直线段斜率为渗透系数。

进一步地，所述试样装置采用以下步骤制备：

(1)在现场洞内取样的过程，取样后的岩石试样块的进水面和出水面被用塑料布包裹和钢模板固定，底面被用塑料布包裹，其余三面被用钢筋混凝土浇筑保护层，并且，岩石试样块被埋入测压管；并以底部朝上的状态移出洞；

(2)原状样制备过程

2-1)凿毛岩石试样块洞内浇筑的混凝土，并绑扎好钢筋；

2-2)取下岩石试样块进、出水面上的塑料布和钢板，根据岩石试样块进、出水面大小，安装好进水仓内置模具和出水仓内置模具；进水仓和出水仓内置模具是用木板加工制作而成的单面无侧盖长方形盒，面积分别略大于进、出水面的面积，无侧盖面朝向试样，有侧盖面向外，仓顶面预留填砂槽；

2-3)以岩石试样块底部朝上的状态，在岩石试样块、进水仓内置模具和出水仓内置模具四周立模，使模板与岩石试样块之间保持一定间隙，一次性浇筑混凝土，包裹住岩石试样块及进水仓、出水仓内置模具，并用振捣棒捣实，养护后，形成钢筋混凝土密封层，将其翻转，使岩石试样块的顶面朝上；

2-4)进水仓、出水仓内装满洗净的密实砂，进水仓、出水仓的仓顶部安装排浆管，并在排浆口处配备阀门；

2-5)凿毛试样顶面原洞内浇筑混凝土，并把原预留的钢筋绑扎好，立模补浇顶部混凝土保护层，洒水养护3-5天后，可对样品进行灌浆处理；

2-6)自上而下开一个钻孔作为灌浆孔，孔深为穿过软弱结构面而不贯穿底面，完成钻孔后，安装灌浆管，孔口用止浆环封闭；

2-7)通过灌浆管向灌浆孔内压水，排浆管阀门打开，进行简易压水试验，至排浆管出水，压水结束；

2-8)向灌浆孔内进行纯压式灌浆，灌浆最大压力值可根据灌浆区灌浆参数进行调整；

2-9)灌浆过程中，应缓慢加压，根据注入率的变化来抬升压力，待进出水仓顶部排浆管均出现浆液，关闭阀门；或单边排浆管出现浆液，立即关闭该排浆管阀门，待另一边排浆管出现浆液后也关闭其阀门；继续灌注一段时间再结束灌浆；

2-10)养护完成后，切割顶面混凝土，露出进水仓、出水仓，掏空砂层，装满直径大于2cm的鹅卵石，并在进水仓安装好进水管，在出水仓安装出水管，进水仓安装排气管，并在排气口处配备阀门；

2-11)修补并浇筑，使混凝土包裹整个试验装置外形，养护完成后构成所述试样装置。

本发明的另一个目的是提供一种缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形现场试验的试样装置，可实现对模拟灌浆处理的原状样进行渗透变形试验，测定软弱结构面灌后渗透变形参数，供大坝设计计算使用。为此，本发明采用以下技术方案：

一种缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形现场试验的试样装置，其特征在于它包括以下结构：

试样为采自工程现场的具有软弱结构面的岩石试样块，所述岩石试样块经灌浆处理，并且在岩石试样块内部设置测压管；所述岩石试样块的两侧分别作为进水面和出水面，并且所述软弱结构面出露在进水面和出水面上，

岩石试样块的进水面侧和出水面侧分别配置进水仓和出水仓，在进水仓和出水仓中填满鹅卵石，岩石试样块、进水仓和出水仓外浇筑钢筋混凝土密封，所述试样装置对于进水仓的进水管和排气管，对于出水仓设置出水管，进水仓的进水管口高度和所述岩石试样块的底部一致，排水仓的出水管口高度和所述岩石试样块的顶部一致。

本发明提供了缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形现场试验方法及试样和试样装置，通过采取试样，安装进出水装置、密封装置、灌浆装置等制备原状样，模拟灌浆区参数灌浆处理后，加装试验装置及量测系统，即可进行渗透变形试验，测定软弱结构面灌后渗透变形参数。

下为表层间错动带C2灌浆前后渗透变形试验成果对比表，可见错动带灌浆后临界水力坡降和破坏坡降均大幅上涨，渗透变形参数变化极大，切开灌浆后的试块发现水泥胶结度良好，灌浆效果很好，试验可靠度高，测试结果可以做为大坝地基实际灌浆后质量评定试验依据。实践证明本发明技术可行、成本较低，能模拟岩石内软弱结构面灌浆处理后实际情况，测定软弱结构面灌浆后渗透变形参数，解决了传统试验法方法不能测试灌浆后渗透变形参数的问题，改变了灌浆后缓倾角结构面渗透变形参数全靠经验取值的现状。

层间错动带C₂灌浆前后渗透变形试验成果对比

附图说明

图1为渗透变形试验原理示意图。

图2为原状样洞外场地上安装进出水仓的照片。

图3为灌后样浇筑完成后的照片。

图4为测压管安装示意图。

图5为原状样制备的步骤(4)完成后的结构示意图。

图6为灌浆后结构示意图。

图7为进水仓示意图。

具体实施方式

(1)试验原理

试验是利用达西(H.darcy)定律(v＝KI)，水在岩土孔隙中渗流速度与水力坡降成正比的关系，采用等水头法逐步开展渗透变形试验。(见图1)蓄水池中的水流首先通过加压系统提升至加压水泵的额定水头，在调压和稳压系统的控制下，以一个稳定的指定水压进入试样。渗透过程中，试样内部埋设的测压管、传感器等仪器及时记录进/出口水头、水温、水量等数据。一级压力试验结束后，通过调压稳压系统提升渗透压力，然后进行该级压力下的渗透变形试验。周而复始，直至试样破坏。最后，汇总试验结果并根据达西定律绘制出渗透流速与渗透坡降(v～i)关系曲线。综合考虑v～i关系曲线和试验现象，判断试样的临界坡降和破坏坡降等渗透特性参数。

(2)取样方法

1)选定取样位置后，在拟定原状样位置四周和顶部10cm-20cm处用电动电锤向原状样外钻开至少30cm宽度的工作仓面。要求尽量保证拟定原状样位置的岩石完整性，减少对原状样的扰动。

2)人工精心修样，使试样除底面外的五个面暴露出来。试样各面一旦修好，立刻用塑料布包裹并用钢模板固定，避免上部岩石渗水导致试体表面软化，同时也减小试样的人为扰动。

3)先用电钻在试体一侧沿渗径方向等距离钻直径6-8mm，深3cm的孔81，再把制作好的测压管82安装在孔内。测压管采用耐高压亚大塑料管或紫铜管，顶部包裹两层内径为2mm的钢丝网83，防止软弱夹层内有细粒带出堵塞测压管。

4)待五个面都修好后，对应进水仓的侧面和对应出水仓的侧面，仍然用塑料布包裹并用钢模板固定，其余三面绑扎好钢筋(预留一定绑扎长度)，浇筑15cm-20cm混凝土保护层8，人工振捣密实。混凝土中按比例加入少量早强剂和微膨胀剂，在洞内养护3-5天。

5)人工精心修整试样底面，修通部分先回垫石块支撑。直到最后试样整体取出。

6)试样底面整体取出运到洞外场地，底面朝上，放置在场地中央。并立刻用塑料布遮挡住试样底面，盖上钢板。防止试样底面水分过快流失，导致试体风化，裂隙张开。

(3)原状样制备

1)凿毛试样两面洞内浇筑的混凝土，并绑扎好钢筋。垂直渗径方向每10cm布置一根钢筋，沿渗径方向每15cm布置一根钢筋。(预留一定绑扎长度)

2)取下试样进、出水面上的塑料布和钢板，根据试样实际进、出水面大小，制作并安装好进水仓、出水仓内置模具30、40。进水仓和出水仓内置模具是用木板加工制作而成的单面无侧盖长方形盒，面积分别略大于原位试样进、出水面的面积，宽度10cm。无侧盖面朝向试样，有侧盖面向外。仓顶面预留填砂槽31。

3)在试样四周立模，使模板与试样之间保持15cm的间隙。一次性浇筑混凝土，包裹住试样及进水仓、出水仓内置模具，并用振捣棒捣实。在洞外养护5-7天后，形成钢筋混凝土密封层8，试样翻正。

4)进水仓3、出水仓4内装满洗净的密实砂5，进水仓3、出水仓4的仓顶部安装排浆管6，并在排浆口处配备阀门7。

5)凿毛试样顶面原洞内浇筑混凝土，并把原预留的钢筋绑扎好，立模补浇15cm厚的混凝土。洒水养护3-5天后，即可对样品进行灌浆处理。

6)样品顶面自上而下开一个直径为38mm的钻孔9，孔深为穿过错动带2而不贯穿底面，钻进遇到错动带时，应采用低转速、轻钻压钻进。完成钻孔后，清理孔内残留，保持孔内干净，安装灌浆管10，孔口用止浆环11封闭。

7)通过灌浆管10向孔9内压水，排浆管阀门7打开，进行简易压水试验，压力为0.1MPa，至排浆管出水，压水结束。

8)向钻孔9内进行纯压式灌浆。灌浆最大压力值可根据灌浆区灌浆参数进行调整，起灌压力为0.1MPa。

9)灌浆过程中，应缓慢加压，根据注入率的变化来抬升压力，待进出水仓顶部排浆管6均出现浆液，关闭阀7；或单边排浆管6出现浆液，立即关闭该阀门7，待另一边排浆管6出现浆液后也关闭阀门7；继续灌注60min，结束灌浆。

10)养护7天后。切割顶面混凝土，露出进水仓3、出水仓4，掏空砂层，装满洗净的直径大于2cm的鹅卵石12，并在进水仓3安装好进水管13，在出水仓4安装出水管14，进水仓安装排气管15。进水管13与试样1的底面等高；排气管15底与试样1的顶面等高，出口略高于试样1的顶面，并在排气口处配备阀门7；出水管14与试样1的顶面等高。

11)修补并浇筑试样，使混凝土包裹整个试验。洒水养护3-5天后，完成灌浆后原状样制备，见图3和5。

(5)试验过程

1)在试验开始之前，对仪器设备进行检定，确认试验设备完整、运作顺畅。

2)试样采用低水头分级饱和。

3)根据试样中细粒含量，初步判断试样渗透变形的破坏形式。当为管涌破坏形式，渗透初始坡降宜为0.02～0.03，递增值宜为0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0，以后按1.0～2.0递增，直到试验终止。当为流土破坏形式时，渗透初始坡降可适当提高。

4)稳定标准，按步骤3)确定的渗透初始坡降及递增值，逐次升高进水仓水头。每次升高水头后，应使出水管14的出水口水流出流30min～60min，待水流稳定后，测记测压管水位并用测读渗水量3次。每次测读时间间隔视渗水量大小而定，同时测量出口仓内的水温。当连续3次测读的水位及渗水量基本稳定，即可提升到下一级水头。对非管涌土测读时间间隔可适当延长。

5)认真观察试验过程中出现的各种现象，如：出水的浑浊程度、气泡冒出、细颗粒跳动、移动或被水流带出、土体悬浮、渗流量及测压管水位的变化等，并进行详细描述记录。当出现临界坡降或破坏坡降前兆时，应及时调整坡降递增值。

6)当试样发生破坏或水头无法再继续增加时，结束试验。

7)在进行试验的同时，绘制渗流坡降与渗流速度关系曲线，必要时还需绘制渗透速度与时间关系曲线。根据曲线变化，及时调整每级水头的持续时间和水头的级差。

(6)渗透特性参数选取准则

1)临界水力坡降判断准则：当现场绘制的水力坡降-渗流速度(i-v)关系曲线首次出现拐点时或试验现象出现异常情况时(冒浑水、细颗粒析出、上下水位波动异常等)，此时坡降即定为临界坡降。

2)破坏水力坡降判断准则：当试样完全破坏(内部通道或外包混凝土破裂)，渗透压力无法加载时，取最高点坡降值。

3)渗透系数判断准则：遵循达西(H.darcy)定律v＝KI，根据水力坡降-渗流速度(i-v)关系曲线，取渗透坡降达到临界值之前的直线段斜率为渗透系数。

Claims (3)

1.缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形现场试验方法，其特征在于其采用的试样装置包括以下结构：

试样为采自工程现场的具有软弱结构面的岩石试样块，所述岩石试样块经灌浆处理，并且在岩石试样块内部设置测压管；所述岩石试样块的两侧分别作为进水面和出水面，并且所述软弱结构面出露在进水面和出水面上，

岩石试样块的进水面侧和出水面侧分别配置进水仓和出水仓，在进水仓和出水仓中填满鹅卵石，岩石试样块、进水仓和出水仓外浇筑钢筋混凝土密封容器，所述试样装置对于进水仓设置进水管和排气管，对于出水仓设置出水管，进水仓的进水管口高度和所述岩石试样块的底部一致，排水仓的出水管口高度和所述岩石试样块的顶部一致；

试样采用低水头分级饱和，在试验前确定水头递增的加压策略，按渗透初始坡降及递增值，逐次升高进水仓水头，每次升高水头后，应使出水管的出水口出水30min～60min，待水流稳定后，测记测压管水位并测读出水口流出水量作为渗水量，并测量出口仓的水温；当测读的水位及渗水量基本稳定，即可提升到下一级水头；

观察试验过程中出现的各种现象，包括：出水的浑浊程度、气泡冒出、细颗粒跳动、移动或被水流带出、土体悬浮、渗流量及测压管水位的变化，并进行详细描述记录；当出现临界坡降或破坏坡降前兆时，应及时调整坡降递增值；在进行试验的同时，绘制渗流坡降与渗流速度关系曲线，必要时还需绘制渗透速度与时间关系曲线，根据曲线变化，及时调整每级水头的持续时间和水头的级差；当试样发生破坏或水头无法再继续增加时，结束试验；

所述试验方法的渗透特性参数选取准则为：

(1)临界水力坡降判断准则：当现场绘制的水力坡降-渗流速度(i-v)关系曲线首次出现拐点时或试验现象出现异常情况时，此时坡降即定为临界坡降；所述异常情况包括冒浑水、细颗粒析出、上下水位波动异常；

(2)破坏水力坡降判断准则：当试样完全破坏，渗透压力无法加载时，取最高点坡降值；

(3)渗透系数判断准则：遵循达西(H.darcy)定律v＝KI，根据水力坡降-渗流速度(i-v)关系曲线，取渗透坡降达到临界值之前的直线段斜率为渗透系数。

2.缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形现场试验的试样装置，其特征在于它包括以下结构：

试样为采自工程现场的具有软弱结构面的岩石试样块，所述岩石试样块经灌浆处理，并且在岩石试样块内部设置测压管；所述岩石试样块的两侧分别作为进水面和出水面，并且所述软弱结构面出露在进水面和出水面上，

岩石试样块的进水面侧和出水面侧分别配置进水仓和出水仓，在进水仓和出水仓中填满鹅卵石，岩石试样块、进水仓和出水仓外浇筑钢筋混凝土密封，所述试样装置对于进水仓的进水管和排气管，对于出水仓设置出水管，进水仓的进水管口高度和所述岩石试样块的底部一致，排水仓的出水管口高度和所述岩石试样块的顶部一致。

3.如权利要求2所述的缓倾角软弱结构面灌浆后渗透变形现场试验的试样装置，其特征在于它采用以下步骤制备：

(1)在现场洞内取样的过程，取样后的岩石试样块的进水面和出水面被用塑料布包裹和钢模板固定，底面被用塑料布包裹，其余三面被用钢筋混凝土浇筑保护层，并且，岩石试样块被埋入测压管；并以底部朝上的状态移出洞；

(2)原状样制备过程

2-1)凿毛岩石试样块洞内浇筑的混凝土，并绑扎好钢筋；

2-2)取下岩石试样块进、出水面上的塑料布和钢板，根据岩石试样块进、出水面大小，安装好进水仓内置模具和出水仓内置模具；进水仓和出水仓内置模具是用木板加工制作而成的单面无侧盖长方形盒，面积分别略大于进、出水面的面积，无侧盖面朝向试样，有侧盖面向外，仓顶面预留填砂槽；

2-3)以岩石试样块底部朝上的状态，在岩石试样块、进水仓内置模具和出水仓内置模具四周立模，使模板与岩石试样块之间保持一定间隙，一次性浇筑混凝土，包裹住岩石试样块及进水仓、出水仓内置模具，并用振捣棒捣实，养护后，形成钢筋混凝土密封层，将其翻转，使岩石试样块的顶面朝上；

2-4)进水仓、出水仓内装满洗净的密实砂，进水仓、出水仓的仓顶部安装排浆管，并在排浆口处配备阀门；

2-5)凿毛试样顶面原洞内浇筑混凝土，并把原预留的钢筋绑扎好，立模补浇顶部混凝土保护层，洒水养护3-5天后，可对样品进行灌浆处理；

2-6)自上而下开一个钻孔作为灌浆孔，孔深为穿过软弱结构面而不贯穿底面，完成钻孔后，安装灌浆管，孔口用止浆环封闭；

2-7)通过灌浆管向灌浆孔内压水，排浆管阀门打开，进行简易压水试验，至排浆管出水，压水结束；

2-8)向灌浆孔内进行纯压式灌浆，灌浆最大压力值可根据灌浆区灌浆参数进行调整；

2-9)灌浆过程中，应缓慢加压，根据注入率的变化来抬升压力，待进出水仓顶部排浆管均出现浆液，关闭阀门；或单边排浆管出现浆液，立即关闭该排浆管阀门，待另一边排浆管出现浆液后也关闭其阀门；继续灌注一段时间再结束灌浆；

2-10)养护完成后，切割顶面混凝土，露出进水仓、出水仓，掏空砂层，装满直径大于2cm的鹅卵石，并在进水仓安装好进水管，在出水仓安装出水管，进水仓安装排气管，并在排气口处配备阀门；

2-11)修补并浇筑，使混凝土包裹整个试验装置外形，养护完成后构成所述试样装置。

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