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1、水利水电岩体防渗固结排水锚固的勘测设计施工新方法 岩体加固新方法中国国家专利发明人专利号 200510063224 8教授级高级工程师享受国务院政府特殊津贴专家全国土木工程 岩土与水利水电 考题设计专家马国彦手机号 13623855228邮箱 maguoyan 1 本讲稿的部分内容是本人的国家发明专利内容 如岩体灌浆防渗 固结 锚固和地下水排水钻孔孔向优选 压水试验新理念 岩体劈裂性质的新发现 劈裂充填灌浆新工艺和承压水中灌浆方法等 只允许听课者使用 请不要传抄或转载 更不能在公开刊物上发表 谢谢关照 说明 2 本方法涉及土木工程及计算机应用技术领域 特别涉及一种岩体加固钻孔孔向的选择方法 灌
2、浆 排水和锚固工程 统称其为岩体加固工程 目前 在水利水电 公路 铁路 矿山 隧洞 地下油库 工业与民用 军工等建筑工程建设中 为保证基岩或围岩的稳定和施工安全 在对工程岩体进行灌浆 排水和锚固之前 首道工序就是要在岩体上进行钻孔 常规的国内外钻孔布置方法几乎都是在岩面上用等孔向 等孔距 等排距和等孔深的方法布置钻孔 这样布置的岩体加固钻孔的严重缺陷是加固 3 讲座内容提纲 二 压水试验问题及其创新方法三 岩体灌浆的浆液劈裂问题与其防治方法 一 优选岩体加固钻孔的孔向 四 多种水灰比浆液与稳定浆液的特性 例一 对深圳清林径水库坝基防渗加固方法的研究 例二 对南门峡岩溶区病险水库的防渗研究 4
3、为保证基岩或围岩的稳定和施工安全 在对工程岩体进行灌浆 排水和锚固之前 首道工序就是要在岩体上进行钻孔 常规的国内外钻孔布置方法几乎都是在垂直岩面方向上 用等孔向 等孔距 等排距和等孔深的方法布置钻孔 这样布置的严重缺陷是加固钻孔很少与透水 透浆裂隙面相交 特别是在陡倾角地区 因而必然造成大量的低效 无效岩体加固钻孔 为了克服上述缺陷 本方法提供了一种质量可靠 可以杜绝无效加固钻孔 最大限度地缩短施工周期 节省工程投资的岩体加固钻孔参数的优选方法 提供了一种采用计算机及其输入 输出设备 计算岩体加固钻孔的最优孔向 相对真实透水率 孔口间距 孔排距和影响半径等参数的方法 还提供了一种用 似极点图
4、 表示三维加固钻孔的方位和倾向 5 二 压水试验问题及其创新方法目前 工程地质水文地质人员基本上不参与岩体加固工程设计工作 所以由于地质原因而引起了诸如渗控工程设计依据的岩体透水率问题 加固钻孔的孔向问题和加固岩体的压水及浆液劈裂等一系列问题 从工程地质水文地质观点 简称地质观点 我们来分析一下岩体加固工程的问题及其解决方法 在现行水利水电工程设计的各类规范中明确规定或建议 各类不同坝高 不同坝型和不同岩性的水坝 其坝基和坝肩的岩体透水率都有一定的范围要求 即分别不得大于1 10Lu 如果 6 超出这个标准 都要进行包括岩体灌浆在内的岩体加固工程处理 这也就是说 岩体透水率指标 吕荣值Lu 成
5、了渗控工程设计的唯一依据 由此可见岩体透水率指标吕荣值对于要否进行渗控工程处理有着 一票否决 的作用 目前 压水试验是国内外在工程地质与水文地质勘察中 很长时间以来就普遍使用的调查岩体透水率的一种野外试验方法 下面我们来谈谈压水试验求得的透水率指标吕荣值问题及其解决方法 7 2 1 把裂隙岩体透水率假定为各向同性与实际情况不符 图9注水试验竖井和地下水观测孔的平面布置J107 竖井编号 4 地下水观测孔编号 无地下水的观测孔 有地下水的观测孔 8 国内外普遍存在着把裂隙岩体的透水性假定为透水性各向同性的情况与实际不符 2 1 1注水试验成果分析为了满足黄河小浪底水利枢纽渗控工程设计的需要 我们
6、在裂隙岩体内开挖了一个大型竖井进行注水试验 用以确定该类岩体透水性的特性及其特征值 图9 表2 注水试验时 对布置在竖井周围的6个地下水位观测孔内的地水位进行了观测 发现有3个观测孔孔内有地下水 表明井 孔间有透水裂隙相通 其余3个观测孔孔内无地下水 表明井 孔间没有透水裂隙相通 9 竖井周围的地下水位观测资料表明 在周围岩体的不同方向上 有透水与不透水之分 而且注水试验观测与计算成果还表明 在透水方向上 它们的渗透系数与渗透速度也有很大差别 在竖井注水试验影响范围内的地下水位观测资料以及计算成果都表明 裂隙岩体的透水性 具有明显的勿须怀疑的各向异性 10 表2竖井注水试验的观测资料与计算成果
7、表观测孔井孔连孔井间最孔内井孔水地下水井 孔间井 孔间孔号线的方位短距离水厚位差梯度裂隙渗透速度裂隙渗透系数 m m m I m d m d lSEll53 5310 054 821 37508 32371 042SEl954 15000003NW3083 60000004NW2975 584 1510 721 92146 0276 055NE443 364 4510 043 1082 2626 056NE515 8600000注 竖井内的注水厚度为14 87m 11 国内外的现行压水试验规程 都是把试验段内的裂隙岩体的透水性假定为各向同性 透水性像均质沙层一样 因而每一试段都可以计算出一个企
8、图能代表该试段裂隙岩体透水性的透水率 吕荣值 大型竖井注水试验观测资料说明 用现行方法计算出来的吕荣值完全不能代表实际上的透水性为各向异性试段的真实岩体透水率 12 2 1 2层状含水层剖面上地下水溢出情况的观测美国波士顿近郊有一个开挖在层状含水层中的路堑 路堑边坡上覆盖着正在融化的积雪 在路堑坡面上 白天有地下水溢出 夜间溢出水冻结成冰带 条 冰带显示了地下水溢出的情况 照片5 摄影于2008 3 20日上午8点 13 照片5层状含水层剖面上地下水溢出情况 14 路堑剖面由层状的砂 页 泥 岩组成 上部有3 5m的全 强风化层 为透水性各向同性层 因而少见冰带 在微风化的砂 页岩互层剖面上
9、凡砂岩剖面上 均不见溢出冰带 只见流经的冰带 在隔水的页 泥 岩面上 特别是厚层的页 泥 岩面上 无裂隙 大都有溢出冰带 在这个有地下水溢出冰带的剖面上 我们可以生动而形象地看到裂隙岩体内地下水的运移情况 从上述试验和观测资料来看 现用透水率确实存在着以下亟待研究解决的三个问题 15 1 现用透水率不是裂隙岩体的真实透水率裂隙岩体的透水性大小 主要决定于裂隙岩体内的裂隙透水性 裂隙岩体由岩块和裂隙组成 岩块基本上是不透水的 它的渗透系数多在10 14cm s以下 裂隙的透水性大小主要决定于裂隙的过水宽度 这个宽度又决定于岩块岩性 所处的地形地貌和地质构造位置 处于强风化卸荷带内的裂隙常具有各向
10、同性的透水性 处于断层强烈影响带内的裂隙多具有近似两向同性的透水性 在走向与倾向方向上 处于深埋和远离较大断层的一般裂隙岩体 具有各向异性的透水性 处于上述三个区内的裂隙 其透水性大小又常常直接地决定于岩块的 16 强度 在坚硬岩体内的裂隙宽度绝大多数都宽于与其相邻的相对较软的岩体内裂隙的宽度 不同岩性内的构造裂隙 多数是高倾角的 由于他们所处的位置的不同 遭受后期的改造作用不同 使其透水性有明显的差异 现用透水率指标相当一个静水压力的圆球体一样 在圆球体内的任何方向上的半径都是常数 显然 无裂隙的方向渗透性指标等于零 在各透水裂隙的方向上的渗透性指标 彼此间相差可以是十分悬殊的一些数 我们称
11、这些数为实际透水性指标 现行压水试验计算的透水率是一个无方向的平均值 我们称这些数为现用透水性 17 指标 现用透水性指标与实际透水性指标的 符合度 极小 现用透水性指标 抹杀 了实际透水性指标的方向性 现用透水性指标常常 矮化了 某个方向上的实际透水性指标 有时 又常常 拔高了 某个方向上的实际透水性指标 由于压水试验方法本身的原因 不管在一定范围内测得的岩体透水性指标是多是少 最终都难做出一份符合实际的渗透剖面或平面图来 这倒不是岩体裂隙的透水性不 18 存在规律性 而是这种压水试验方法 搅乱或掩盖了某一剖面或某一空间岩体裂隙的渗透规律 因此 现用透水率不代表裂隙岩体的真实透水率 2 现用
12、透水率大小具有不确定性或随机性岩体的透水性指标的大小 完全由岩体裂隙的透水性指标的大小来决定 钻孔试段的透水率大小 也完全由钻孔所穿越的裂隙多少及其透水性质来决定 由于铅直压水试验钻孔与裂隙相交有随机的关系 所以计算的岩体透水性大小也是随机变化的 岩体裂隙 水径 疏密不同 铅直孔遇到的水径多少显然也是不同的 在一个透水岩层内 如果铅直孔钻在岩块内 可以把透水岩体误认为是不透水的 如果铅直孔钻在一条裂隙上 可以得出 以偏代全 的结论 所以说铅直钻孔进行压水试验得出的透水率大小具有不确定性或随机性 19 3 现用透水率不宜作为渗控工程设计的唯一根据指标天然岩体裂隙的透水性本来在一个固定矢量上是一个
13、近似常数 但由于采用铅直孔压水试验试段 多为5m长 包容的水径多少不同 随机 其透水率大小也就变成随机值了 自从发明用压水试验资料计算岩体透水率以来 不少有识之士已发现用研究渗透性各向同性的方法来研究渗透性各向异性岩体的透水性不是好方法 但苦于找不到合适的取代方法而不得不迁就使用 但令人遗憾的是 长久以来许多水利水电工程师 却把这个用不完善方法计算出来的随机值写在规范里 当作是否采取工程处理的唯一根据指标 把复杂问题简单化了 20 这样 我们会自然地联想到 既然根据具有随机性的可大可小 不一定的岩体透水率而设计的渗控工程 那么 完全有可能会出现不采用渗控措施的地段 并不一定真的不需要渗控工程
14、而采用渗控措施的地段 并不一定真的就需要渗控工程 渗控工程的投资 不仅占整个工程投资的相当大的份额 而且渗控工程的成败直接关系到水利水电工程的成败 因此 我们非常有必要改变目前根据不确定的透水率指标 进行渗控工程的设计现状 广大水文地质工作者也非常有必要向水工设计者提供具有确定性的透水指标 以便渗控工程设计者能设计出真正发挥作用的渗控工程 21 2 2计算裂隙岩体真实透水率的压水试验在一个裂隙发育程度相对均质区内 x相同矢量的钻孔 所穿裂隙的数量是近似值 换句话说 在不同矢量上所穿裂隙数量是不同的 为了便于比较各矢量所穿裂隙的差别 我们采用了效益 马氏 系数的概念 效益系数的含义是指斜孔穿越裂
15、隙的几率与铅直孔穿越裂隙的几率之比值 效益系数愈大的矢量钻孔 其透水性也就愈大 反之愈小 22 通过斜孔压水试验计算裂隙岩体真实透水率的主要步骤是 裂隙岩体的渗透性分区 划分裂隙发育程度相对均质区 选择压水试验钻孔参数 最好与未来加固钻孔的参数一起考虑 试验计算岩体的真实透水率及计算岩体的相对透水率 2 2 1裂隙岩体的渗透性分区在常规调查地形地貌 地质构造和地层岩性的基础上 按不同透水水径 裂隙 的疏 密 宽 窄的发育规律 做出各类岩体透水率的初步判断分区 23 个 1 壳状透 含 水层区主要包括调查区表部分布的强烈风化卸荷区 该区内分布的裂隙几乎都经过了表生改造作用 使透水水径由疏变密 由
16、窄变宽 裂隙岩体的透水性由各向异性逐渐转变成各向同性 在该区内无论用什么孔向进行压水试验 都可能使试段内的水抬不起水压来 这类强透水层 当工程处理时 常常被挖掉 若不想挖掉而采取工程灌浆的办法进行加固时 一定要进行专门设计 24 2 带状透 含 水层区主要包括断层错动带及其两侧的断层强烈影响带 特别是坚硬岩体的强烈影响带 这里的原生构造裂隙 经受了后期的动力改造 无论是正断层或是逆断层 由于受力的不均衡 它们的裂隙宽度都将在断层强烈影响带的走向方向和断层强烈影响带的倾向上被拉大 断层强烈影响带 带状或厚板状 走向长度远大于断层的真厚度 恰似靠在错动带上的两个厚板状含水层 如果错动带的母岩为坚硬岩体 则错动体与其两侧的影响带可能会构成一个与断层倾向相同的倾斜带状含水层 这类含水层的透水性略具两向同性的性质 25 3 不受风化卸荷及断层影响的一般透 含 水层区主要包括一般风化卸荷区 一般断层影响带和新鲜岩体区 这里的裂隙基本上为原生构造裂隙 很少受到较大的风化卸荷及断层影响 该区的裂隙岩体透 含 水层的透水性 具有明显的各向异性 根据上述3大区内的不同岩性 把单轴抗压强度小于15MPa的软
