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摘要：本文探讨了某电站地下厂房灌浆加固围岩施工过程中，通过水力阶撑试验确定了围岩的透水性、透水率以及围岩可灌性、最大灌浆压力以及进行灌浆效果的预测，同时对水力阶撑试验的试验原理、试验方法、试验结果的解译与应用以及不足进行了探讨和研究，对水力阶撑试验与高压压水试验的结果进行了对比和分析，给出了作者的意见和建议，为类似过程施工提供了借鉴和参考。
关键词：水力阶撑试验；灌浆；围岩；透水性
0 前言
在基岩地区需要承受较高水压力的建（构）筑物工程设计中，尤其是围岩的工程地质条件较为复杂，构造影响较大，岩体破碎，或者围岩的节理裂隙非常发育等情况下，一方面要保证围岩的确定在开挖过程中保持稳定，不至于快速卸荷导致失稳，另一方面要阻止基岩裂隙水涌入开挖面，确保施工的安全，需要了解工程区岩体在外水头作用下的物理力学行为。特别是一些高水头电站，其地下厂房、调压井及输水隧洞的围岩长期承受高压水头作用，裂隙岩体在高水头压力作用下是否张开导致破坏，需要确定承载高水头压力的能力区间，这些目的可以通过水力阶撑试验进行原地测试而得到设计需要的数据。
1 工作原理
水力阶撑试验通常在钻孔中进行，工作原理与常规压水试验类似，通过逐级升高设计试验段内的压力，在水压力作用下使基岩内的原生节理裂隙由其闭合状态逐渐张开的试验过程，其测试方法是在基岩节理裂隙发育面上进行逐级增压的测试，在每个测试段内的每一压力阶段，观测稳定压力下的流量变化直至其稳定，然后加载第二级水压力，并重复上一过程，依此类推，随着压力阶段的不断增高，直到基岩内透水量急剧增大时，则表明该节理裂隙在某一压力下被迫张开并扩展。根据试验数据绘制流量-压力曲线图，就可确切地得到流量-压力曲线突变的拐点，该拐点所对应的压力值就是该裂隙的阶撑压力，它就标志着该层段岩体抗御水头压力作用的最大能力。
裂隙岩体的裂隙张开压力与节理裂隙的空间展布及初始地应力直接相关，水力阶撑试验一般选择在节理裂隙闭合的岩体段中进行，水力理论基础是裂隙岩体的渗流理论，同时假定裂隙岩体的渗流行为服从达西定律，如下公式所示：
式中：q为渗透流量，g为重力加速度；b为裂隙宽度；v为液体的运动粘滞系数[1,2]。
2 实例分析
某电站拟建的地下厂房埋深280~330m，调压井深约100m，压力竖井深约250m，最大埋深约360m。
2.1 地层概况
工程区内的基岩岩性以粉砂岩、泥质砂岩和泥岩为主，其中泥质砂岩棕灰色~棕红色，中等坚硬，中厚层~厚层。见有次生方解石脉，为工程区主要岩性。
岩层总体走向为NW325°~335°，倾向NE，倾角60°~75°。
2.2节理裂隙
工程区的节理以构造节理为主，工程区岩土主要发育3组结构面，分别为①为层面，走向NW315°，倾NE，倾角70~80°，②走向NE35°，倾SE，倾角10~20°，③走向NE65°，倾NW，倾角10~20°，说明局部缓倾角节理发育。
缓倾角节理的连通性比较差，延伸长度主要与硬性岩石在延伸方向上的宽度有关，缓倾角结构面的延伸长度一般为3~5m。个别延伸长度>5m，部分充填泥质物和方解石。
2.3 灌浆设计
如上所述，围岩的节理裂隙发育程度较高，岩体的完整性一般，为了确保地下厂房开挖过程中围岩的稳定性，在地下硐室开挖前需对硐室侧墙周边围岩进行灌浆处理，但是灌浆设计需要确定最大灌浆压力、可灌性、单位吃浆量以及灌浆后的岩体强度等参数，其中最大灌浆压力的确定是关键性参数，它不仅取决于围岩的原始确定，同时也直接决定着加固后的岩体强度，设计计划通过水力阶撑试验来确定最大灌浆压力。
2.4 水力阶撑试验
2.4.1 试验
本次阶撑测试采用的设备及测试过程与常规压水试验基本相同区别在于其压力台阶一般为0.25MPa左右，压力台阶越小，理论来讲试验的精度就越高。
在地下厂房埋深位置的竖井内3个钻孔中共进行了6个测段的水力阶撑试验。试段长度为1.00～1.20m，主要要求试验段内含有原生裂隙，且符合试验要求的假定条件。试验结果见表2-1和图2-3。
图2-3 水力阶撑试验P-Q曲线
2.4.2 试验结果分析
由水力阶撑试验结果发现，在6个试验段中，均含有原生裂隙，6个有效试验段中，未发现漏水严重不显示压力试验段；压力在1.50~2.00MPa的2段，占有效测段的33.3%；4.00~7.00MPa（包括大于14Mpa）的4段，占有效试段的66.6%，换句话说约70%的岩体内的节理裂隙的承载能力在4.00~7.00MPa，甚至更高。
因此对地下厂房硐室围岩的灌浆加固初始压力可设为2Mpa，最大压力不得小于4Mpa，具体压力可根据具体的厂房结构布置选取，但是根据室内试验成果分析，由于泥岩的饱和单轴抗压强度在15-20Mpa之间，围岩灌浆压力不可超过14Mpa，以免破坏破坏了岩体的原始强度而产生大量次生节理裂隙。
3 与压水试验的对比
水力阶撑试验与压水试验既有相似性又有本质性的区别，常规压水试验是在不破坏岩体强度的前提下测试不同压力下岩体的透水性；高压压水是根据具体的设计要求确定岩体在具体规定的压力下岩体的透水特性，试验是在一定的压力值和压力阶段进行的；而水力阶撑试验却在没有固定的压力值和压力阶段中进行，直至裂隙被张开流量呈现增大拐点时而结束，必须达到或者超过节理裂隙面的承载能力，基本属于一种极限试验方法。
4 结论与建议
通过本次地下厂房围岩灌浆加固过程前进行的水力阶撑试验，可以看出，该试验操作简便、数据分析清晰，试验方法理论基础明确，能够在较短的时间内为设计提供明确的目的性很强的参数，但是我们从试验过程中也发现以下几个问题：
（1）岩体的测试段选择相对复杂，也就是原生节理裂隙的选择必须借助于孔内电视的手段才能达到，而且岩体内的原生节理裂隙一般相互联通、交叉以及发育间距很小等等，这些对会影响试验段的选择；
（2）最大试验压力的确定有难度，最好前期进行过岩体的声波试验或者进行过室内的饱和单轴抗压强度等试验后，可以事先推测或者确定岩体的原始强度，因为有些节理面为钙质或者石英质胶结后，节理面的承载能力可能超过原始岩体强度，一味地增大试验压力可能会造成次生裂隙的产生；
（3）试验过程中如果出现水量漏失而压力上不来的情况，关键是低压力段，原因分析很困难，尤其是在浅部。
参考文献
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[4]中华人民共和国行业标准 SL25-92，《水利水电工程钻孔压水试验规程》，【J】北京：中华人民共和国水利部能源部发布。
论文作者:常小磊1,马冲2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第1期
论文发表时间:2018/6/15
标签：裂隙论文; 节理论文; 压力论文; 围岩论文; 水力论文; 基岩论文; 倾角论文; 《建筑学研究前沿》2018年第1期论文;