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扩缝效应对压水试验成果的影响及坝基防渗与灌浆技术

时间:2023-11-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:众所周知,在做压水试验时,对压入流量起控制作用的因素一是压力大小,二是岩石裂缝的宽度。这就是,压水试验中只能得出关于裂隙情况的漠糊概念的原因所在。用上述分析,可以对在压水试验中由于所用压力不同有时得出的吸水率值的不同这一现象,作出合理的解释。还应指出,压力扩缝的问题并非都会发生。能影响压水试验成果的,还有其它一些因素,如流态、裂隙的冲蚀或充填等。

扩缝效应对压水试验成果的影响及坝基防渗与灌浆技术

众所周知,在做压水试验时,对压入流量起控制作用的因素一是压力大小,二是岩石裂缝的宽度。它们的关系可以近似地表示为(萨巴利,1968年):

式中 Q——试验段吸水量;

   P——压水压力;

   δ——裂隙宽度;

   R——压水波及半径;

   r——钻孔半径;

图10-5 在灌浆过程中不同时段内压力沿缝面的分布

(根据G·隆巴迪,1985)

图10-6 吸水量与裂隙宽度关系曲线

   η——层流条件下水的粘滞度。亦即,吸水量与压力、裂隙宽度的三次方成比例。

当取η=10-3Pa·s R/r=20、200、2000(即r=5cm、R=1m、10m、100m),p=1MPa时,则可将式(10-15)制成吸水量与裂隙宽度的关系曲线如图10-6。因为比值R/r在公式中是对数值,从图中可以看出它的影响不是很大。根据曲线,在5m长的试段内吸水量为5L/min(相当于1个吕荣单位)时,与一个宽0.1mm的裂隙相当。吸水量达50L/min(相当于10个月吕荣单位),与宽0.2mm的裂隙相当。如在5m试段内不是1条裂隙,而有多条,则裂隙宽度更小。这就是,压水试验中只能得出关于裂隙情况的漠糊概念的原因所在。

人们常常以为吸水量与压水压力成比例,但实际上并非总是如此。因为在压力作用下岩体裂隙发生了扩宽,将导致吸水量不成比例地增大。

式(10-15)是针对不变形裂隙导出的,当考虑到压力使裂缝可能扩宽,则需改写。现设裂隙宽度δ0的增量Δδ与压力p成正比,与岩石弹性模量E成反比,即

则压力扩宽后的裂隙宽度应为(www.xing528.com)

于是,公式(10-15)应改写成下式:

如果裂隙原来很窄,δ0近似于0,则由式(10-18)推出:

式中 A——常数;

就是说,原来接近于0宽度的裂隙,仅靠压力扩缝,它的吸水量与压力的4次方成正比。

吸水量与压力的这种关系,常常给人以错觉,即:当压力增大到一定程度后,吸水量不成比例地增大,好像是岩石产生了“破裂”。但实际上并未发生破裂,流量平稳增加的过程说明是由于裂隙的弹性增大所致。图10-7(a)所示为在2、4、6、8、10、12大气压等压力下面对0.1mm裂隙进行压水时的资料(萨巴利,1968)。对这些资料作表面研究,就可能会得出约在4个大气压力下产生了“破裂”的错误结论。图10-7(b)是按公式计算得到的曲线,对比两条曲线可知流量的增加是完全正常的。

图10-7 吸水量与压力关系曲线

(a)试验值;(b)计算值(引自下·萨巴利1968)

萨巴利还对施工单位所作的一些试验成果进行了分析,得出:在1个大气压力下公式(10-16)中的系数α变化在1.5×10-2~2.5×10-2之间。也就是说,在施工压力为1个大气压时,裂隙张开为0.02mm;10个大气压时为0.2mm。

用上述分析,可以对在压水试验中由于所用压力不同有时得出的吸水率(Lu或ω)值的不同这一现象,作出合理的解释。

还应指出,压力扩缝的问题并非都会发生。A·C·毫斯比(1976)根据他亲身经历的,用五个压力阶段,即a-b-c-b-a(a<b<c)升降循环所做的不同坝址的811次试验成果表明,当渗透性为1、2、3Lu时,裂隙中主要为层流,试验时发生岩缝暂时扩宽的实例为数很少;渗透性大于4Lu时,裂缝中以紊流为主,试验引起永久变形或裂隙充填物被冲蚀的实例较为多见,这与萨巴利等人的分析也许并不矛盾。因为在渗透性小于3Lu的地方常见的都是一些细小裂隙,由于能渗入的流量很小,对缝壁造成的压缩应力很小(压缩应力=渗流力=ηAγω)因而不会引起很显著的压缩变形。渗透性大于4Lu时,裂缝通常较宽,能进入的流量较大,尤其当岩石的弹性模量较低时,容易造成弹性变形或永久性变形。

能影响压水试验成果的,还有其它一些因素,如流态、裂隙的冲蚀或充填等。

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