岩体加固钻孔参数的优选方法(多媒体培训)PPT课件.ppt

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 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 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 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 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的软岩划为相对隔 微隔 水层或不 微 透水层 把单轴抗压强度大于15MPa的岩体划为裂隙透水层 对于带状透 含 水层区 由于其产状多是确定的 其渗透性略具有两向同性 26 因此 只要掌握其产状特点 可以针对其特点选择钻孔孔向进行针对性压水试验 至于不受风化卸荷及断层影响的一般透 含 水层区 由于它们分布范围最广 具有明显的各向异性 为了取得相对真实的透水率 必须根据裂隙的特点进行压水试验孔向设计后 再进行压水试验 应在裂隙岩体透水率初步判断分区的基础上布置压水试验钻孔 而不是在防渗区内 只要钻钻孔 无论岩性 一律用铅直钻孔进行压水试验 27 2 2 2划分裂隙发育程度相对均质区将所有的地层岩性分为三种类型 沉积岩 变质岩等层状岩体 火成岩块状岩体 层状与块状互层的岩体 为计算方便计 对第三种类型的岩性简化成其中以哪种岩体为主 即将少部分岩体归并到主要的岩体内 根据加固区相同岩体的地形地貌 地层岩性 地质构造和水文地质条件等相近的区段 划分为一个水文地质 28 单元 在同一个水文地质单元中 按裂隙产状 隙宽及岩性特点 划分出裂隙发育程度相近的初判的相对均质区 在此基础上 再进行下列两步骤的相对均质区的详细划分 1 数据输入与计算处理对于同一个初判的相对均质区 为了计算压水试验钻孔参数 应首先输入裂隙产状及裂隙宽度 其次是决定裂隙控制变量 1或0 1是裂隙隙宽参与计算 0是裂隙隙宽不参与计算 最后是进行相应的计算处理 29 2 详细划分裂隙发育程度相对均质区的步骤1 将某一试算区的所有裂隙产状及隙宽参数输入到我们研发的软件中 获取某一个压水试验钻孔倾角的最优效益系数 2 调整相对均质区的面积 增加和减少若干组裂隙产状及隙宽参数 将计算出的效益系数与前已计算出的效益系数进行比较 几经调整 反复计算 直到计算出的效益系数再增加和减少若干组裂隙产状及裂隙宽度参数无明显变化时为止 2 2 3计算压水试验钻孔的最优方位 30 为决定坝基固结灌浆和单层防渗帷幕灌浆钻孔的方位 必须首先计算出最优方位 把其作为压水试验方位 在均质区的三维空间内有无限多的矢量 不同矢量穿越的裂隙多少 在大多数情况下是不一样的 从矢量而言 可分为穿裂隙最多的最优矢量 穿裂隙最少的最差矢量 穿裂隙数量介于前两类矢量之间的是一般矢量 任何渗控工程 都要尽可能避开把最差方位作为渗控工程的方位 当然 把计算的最优方位作为压水试钻孔或加固钻孔方位是我们的主要任务之一 在某工程的第3裂隙发育程度相对均质区内 测了33条透水的裂隙产状 表3 31 表3同一相对质区内的33条裂隙产状表倾向 倾角 隙宽 mm 倾向 倾角 隙宽 mm 倾向 倾角 隙宽 mm 3530860 002020750 002150780 002000780 001460870 001950800 002170730 001980800 001850850 001730840 001730750 001680850 001750800 001340820 001500840 001730820 001400830 001460830 001400820 002040820 002080800 002940850 001450890 002080830 002080840 001880880 001500840 001340820 001460830 001400830 001400820 001400820 001400820 00利用表3所列裂隙产状资料绘制裂隙极点图 10 32 计算最优方位计算70 倾角矢量的最优方位 用最大效益系数表示 计算采用的矢量倾角AA和控制变量MM分别为 70 0 33组 绘制70 倾角的最优方位图 用最大效益系数表示 33 图10最优矢量效益系数图 34 在图10上可以明显地看出 70 倾角的最优矢量为350 70 3 97 350 为方位 70 为倾角 3 97为效益系数 70 倾角的最差矢量为230 70 0 92 其余矢量为70 倾角的一般矢量 2 2 4试验计算裂隙岩体的真实透水率把计算的最优矢量方位作为压水试验的矢量方位以进行压水试验 可以试验计算出最优矢量方位的真实透水率 用最优方位不同倾角的钻孔进行压水试验 可以获得某种倾角某一方位的矢量真实透水率 35 例如 在黄河某水利水电工程的左岸防渗帷幕线上 需防渗的岩体为三叠纪砂 页岩互层中的透水砂岩层 砂岩中含有平均倾角80 的构造裂隙 将该区分布的构造裂隙的产状资料输入到马国彦的计算程序中 选择了最优方位作为斜孔的方位 用70 倾角的斜孔 在左岸单薄分水岭上进行了压水试验 其成果如表4所示的左岸部分 70 倾角的斜孔压水试验 试验计算求得的真实岩体矢量透水率比铅直孔压水试验得出的岩体透水率 其平均值大了1 6倍 36 由于用铅直孔压水试验方法计算的岩体透水率是随机值 所以用70 倾角最优方位的斜孔压水试验 得出的岩体透水率 为70 倾角最优方位的真实的岩体透水率 这个真实透水率与用铅直孔压水试验得出的岩体透水率的比值为1 6 这个1 6倍也具有较小的随机性 由于用铅直孔压水试验所计算的岩体透水率是随机值 所以 与已试验钻孔相距仅几米的钻孔岩体的透水率 人们根本无法进行预测 它可能是一条裂隙也遇不到的根本不透水的 岩块钻孔 37 由于某一方位某一倾角 矢量 钻孔的真实透水率是代表所有同样矢量的钻孔透水率 所以可以用这个真实透水率来表征 去预估任何有同样方位同样倾角的钻孔具有与真实透水率近似的透水率 2 2 5计算裂隙岩体的相对真实透水率在工程区裂隙调查的基础上 可以计算出某一方位不同倾角斜孔穿越裂隙的相对多少 我们用效益系数来表示这种特性 岩体的透水率大小与做压水试验的斜孔穿越裂隙的多少成正比 也可以说岩体透水率大小与斜孔的效益系数大小 38 成正比 利用我们研发的计算岩体透水率软件 可以计算在裂隙发育程度相对质区的三维空间内 任何方位的任何倾角的效益系数 据此原理 可以根据某一方位某一倾角斜孔的效益系数及其压水试验计算的岩体真实透水率 用下式 1 计算任何方位任何倾角 即任何矢量 的相对真实的岩体透水率 L60 L70 60 70 1 39 式中 L60 任何方位的倾角60 的岩体矢量透水率 未知 L70 任何方位的倾角70 斜孔的岩体矢量透水率 已知 60 任何方位的倾角60 矢量的效益系数 已知 70 任何方位的倾角70斜 矢量的效益系数 已知 40 表4用最优方位的不同倾角斜孔压水试验方法计算砂岩体相对透水率 41 从表4的计算成果中可以看出 1 强烈风化卸荷带内 裂隙之间相互沟通 无论用什么孔向的钻孔 所求透水率之间没有明显的差别 2 在一般风化卸荷带及其以下的一般岩体内 透水裂隙具有明显的各向异性 用最优方位不同倾角钻孔的效益系数计算的相对真实岩体的矢量透水率之间相差非常明显 随机的岩体透水率 只用一个吕荣值表示就可以了 因为它并不具体代表某个确定方向上的固定透水率 是一个不具方向性的算术平均值 真实的和相对的裂隙岩体透水率 是一个代 42 某一方向和某种倾角的确定性矢量的透水率 每个透水率矢量都由他的三要素 即方向 倾角和大小来确定 在某个倾斜压水试验钻孔内 试验计算的透水率矢量应包含 透水方向 压水试验钻孔倾角和透水率数值 如表4所列 左岸一般风化卸荷岩体之下的一般岩体 透水方位355 透水倾角60 透水率为59 4Lu 可表示为355 60 59 4Lu 又如 透水方位355 透水倾角70 透水率为42 9Lu 可表示为355 70 42 9Lu 43 44 一 优选岩体加固钻孔的孔向 大量的工程实践表明 与岩面垂直的岩体加固钻孔孔向带来了一系列题 野外大量的裂隙调查统计表明 在各类地层中 层状岩层是主要的 在层状地层内 构造裂隙倾角与地层倾角之间大致有互为补角的关系 这也就是说 在缓倾角的各类地层内 其构造裂隙的倾角绝大部分为陡倾角 我们对小浪底 后河 万家寨 回龙 三峡 水布垭 江垭 上沟 峡沟 锡崖沟和两江等水利工地分布的构造裂隙的倾角进行了大量统计 发现它们的构造裂隙倾角大部分或绝大部分为陡于75 的陡倾角 在地层倾角3 5 的黄河 45 万家寨水利枢纽 90 以上的构造裂隙的倾角在85 以上 目前 不论坝址区内构造裂隙倾角的陡缓 几乎都是按与岩面垂直的方向布置岩体加固钻孔 这样布置的钻孔 必然会引起许多问题 1 1现行岩体加固工程中存在着大量低效和无效的加固钻孔目前 国内外的固结灌浆 坝基防渗灌浆和地下水排水 都是按一种模式布置钻孔 即与岩面垂直的方向布置岩体加固钻孔 很少全面考虑地质条件 即使在排水廊道里因受到 46 施工空间限制 而不得不用倾斜排水孔时 也仍用固定倾向和固定倾角的模式钻排水孔 这种与岩面垂直的加固钻孔 带来的最主要问题是 只有孔间距很小的岩体加固钻孔才能较多地与裂隙相交 才能取得预期的加固效果 现以某坝址防渗帷幕的灌浆地质条件为例 進行如下分析 47 图1防渗帷幕地质平面图 裂隙走向线 裂隙倾向线 3 裂隙编号 NW298 SE118 防渗帷幕线方位 48 表1与防渗帷幕剖面线相交裂隙的特征值表 注 剖面投影长度 裂隙面与防渗帷幕剖面的交线 在沿剖面线上的水平投影长度 49 图2铅直钻孔与倾斜钻孔在地质剖面上与裂隙相交点的示意图A1 B2 裂隙编号 裂隙 铅直孔 倾斜孔 裂隙与铅直孔相交点 裂隙与倾斜孔相交点 50 我们在防渗帷幕区的裂隙分布图上 沿防渗帷幕线切了一个地质剖面 图2 对于剖面相交的各类裂隙 在剖面线上的水平投影长度进行了计算 表1 同时 在地质剖面上 统计了4m孔间距的铅直孔和倾斜孔与裂隙的相交点 图2 51 各裂隙在剖面线上的水平投影的平均长度为1 54m 各裂隙在优选孔向的垂直方向上的投影的平均长度为3 51m 优选斜孔穿越的裂隙数量是铅直孔穿越的裂隙数量的2 28倍 裂隙在常规剖面上的水平投影长度 按其长短 m 排序如下 0 870 900 901 061 101 381 391 421 481 601 601 671 731 801 953 96 52 裂隙长度分级 m 0 80 1 10 1 48 1 95累计出现频率 100755012 5裂隙在优选孔向的垂直方向上的投影的长度 按其长短 m 排序如下 1 56 1 59 1 59 1 59 4 13 4 20 4 27 4 78 5 15 5 25 5 26 5 26 5 26 5 30 6 10 6 11裂隙长度分级 m 1 56 4 00 5 00 6 00累计出现频率 100755012 50 53 一般来说 只有孔间距小于裂隙长度分级的最小一级分级长度 加固钻孔才能穿越所有的裂隙 从上述裂隙在常规剖面上的各种投影长度的累计出现频率可以看出 如果按常规孔距布孔 即1 95m孔距时 加固钻孔只能穿越12 5 的裂隙 其余的87 5 的裂隙 只能随机性的穿越了 如果要保证加固质量 加固孔的孔间距应小到0 8m 这也就是说 为了保证岩体的加固质量 如采用铅直钻孔 需要0 8m的孔距 54 由上述裂隙在优选孔向的垂直方向上的投影长度的累计出现频率可以看出 如果用1 56m孔距时 加固钻孔能穿越100 的裂隙 这也就是说 为了保证岩体的加固质量 如采用倾斜钻孔 只需要1 56m的孔距就可以了 原理见后述 如果为了基本保证灌浆质量 采用75 保证率的话 铅直孔的孔间距为1 1m 而斜孔的孔间距为4m 可见后者的优越性是十分明显的 55 由图2所示的铅直钻孔与裂隙的平均交点数来看 10m的铅直钻孔孔深 平均能穿越1 6条裂隙 可见在多裂隙岩体内 铅直的加固钻孔 每5m的试段 有可能1条裂隙也遇不到 因此每一试段都可能是低效试段 甚至成为无效试段 同样 由图2所示的倾斜钻孔与裂隙的平均交点数来看 10m的倾斜钻孔孔深 平均能穿越4条裂隙 可见在多裂隙岩体内 采用倾斜的加固钻孔 每5m的试段 有可能穿越2条裂隙 因此每一试段都可能为有效试段 这从根本上杜绝了无效试段 56 优选孔向与裂隙的相交点数是常规的铅直孔与裂隙的交点数的2 5倍 这个比值说明 优选孔向比铅直孔向 从多穿裂隙的角度来看 前者的优越性是十分明显的 目前 在我国的锚杆工程中 锚杆矢量的决定 几乎是不考虑地质特性的 如照片1和照片2所示的情况 锚杆的走向几乎与裂隙面的走向平行 这种锚杆为岩块锚杆 对加固岩体 不仅没有作用 反而破坏了岩体的完整性 57 照片1闪长花岗岩中的陡倾角裂隙 58 照片2在照片2所示剖面上的锚杆工程 59 1 2岩体加固钻孔参数的优选方法地壳内分布有火成岩 沉积岩和变质岩三大岩类 从有成岩作用至今已经历了许多内 外动力作用 使岩体遭受了多次破坏 形成了大到数千千米长的大断层 小到几厘米长的构造裂隙 前者具有确定性 有基本固定的走向和倾向 而后者从总体上来说 则略具有非确定性 随机性 的分布特点 在实际岩体加固工作中 遇到随机出现的短裂隙是经常的 但却被岩体加固工作者所忽视 因而常常造成 要加固的裂隙却大多不能被加固 的不正常现象 60 在被加固的岩体内 根据它们是否经受过内 外动力作用 将其分为三个区 区为较正常岩区 区为断层作用区 区为风化卸荷区 根据各岩类经受内 外动力作用程度的差别 还可将 区分为强烈影响段和较强影响段 将 区分为强烈风化卸荷段与较强风化卸荷段 在岩体内的裂隙 其中有些裂隙是透浆的更是透水的 在岩体内存在着可穿最多透水透浆裂隙的矢量 存在着可穿最少透水透浆裂隙的矢量 当然也存在着穿裂隙不是最多也不是最少的一般矢量 把穿过最多裂隙的矢量作为岩体加固的矢量才能取得最佳的岩体加固效果 穿到岩块里的加固孔是无效孔 穿到较少裂隙的加固孔是低效孔 61 岩体加固工作者的最主要任务是杜绝无效孔 减少低效孔 优选最优孔 每个钻孔的空间位置及其与其他钻孔的关系 都是用孔口的坐标 方位 孔口间距 孔排距等参数来定位的 1 2 1平 斜岩面上加固岩体钻孔矢量的计算优选方法在每个区 段 内 沿不同方位切若干个剖面 分析它们与裂隙的切割关系 从中找出穿越裂隙最多的矢量作为岩体加固的矢量 岩体加固的最终目的是降低渗透性 提高岩体的均匀性和强度 只有找出最优钻孔矢量并将其作为岩体加固矢量 才有可能最大限度地达到岩体加固的目的 62 1 比选加固钻孔矢量的定位方法参加优选的各种矢量的钻孔都统称为比选矢量或比选钻孔 欲使各个矢量的钻孔参与比选 必须将其空间位置确定下来 找出被加固岩体裂隙发育程度相对均质区 以每个区为单位 利用该区内已知的各条裂隙的倾向 倾角 最好有裂隙宽度 可以计算优选出适合该相对均质的加固钻孔参数 63 图3比选钻孔矢量平面示意图 64 1 平图上的矢量数量以质点为圆心 向圆周水平辐射 如果以10度为单位 从零度开始 到360度画辐射线36条 图3 即平面圆上的矢量数量为36个 2 剖面上的矢量数量在圆平面上 对于每一条直径 都可以切一个剖面 从中点沿剖面作辐射线 从水平线开始到垂线 可以有9条辐射线 图4 在平面圆的每一条直径上切的剖面 都可画出18条辐射线 即为18个矢量 65 图4剖面上的矢量数量图示意 66 照片3比选钻孔组合模型 67 3 岩体内三维矢量数量的选取 照片3 2 沿平面圆上的所有直径切剖面每个剖面都用前述方法作辐射线 这样 我们可以将平 剖面的所有辐射綫组合成如图5所示的半球体 如果辐射线之间的夹角都为10 我们可以有324条辐射线 如果辐射线之间的夹角都为5 我们可以有648条辐射线 如果辐射线之间的夹角都为1 我们可以有32400条辐射线 每一条辐射线都可由辐射线方位及其倾角组成一个矢量 他们都可以参加比选 都可以作为岩体加固钻孔的比选 68 钻孔 将比选矢量穿越结构面的能力与常规钻孔穿越结构面的能力进行比较 从中选择加固钻孔的矢量 在每一均质区内 加固钻孔的矢量都是一样的 3 绘制裂隙发育程度相对均质区内各个矢量的效益系数图在岩体加固钻孔倾角选定的情况下 对参与比选的钻孔方位 都可计算出其效益系数 并可形象地绘制出裂隙发育均质区内各个矢量的效益系数图 图5 69 图5均质区内各个矢量 方位 的效益系数图 70 1 2 2隧洞与竖井围岩加固钻孔参数的计算方法 1 比选钻孔孔口的定位竖井围岩的平切面或与隧洞轴线垂直的横剖面都是圆切面 以竖井平切面的正北点为零度点位 沿圆周的顺时针方向旋转 沿圆周每相隔20度划分为一个点位 共可划分出18个点位 以隧洞横剖面的最高点为零度点位 沿圆周的顺时针方向旋转 每相隔20度划分为一个点位 可划分出18个点位 71 图6在隧洞 竖井围岩壁上加固钻孔的定位 72 照片4隧洞 竖井围岩比选钻孔组合图 73 2 二次效益系数用前已述及的方法 计算18个点位中或8个点位中 图5 的任意一个比选钻孔的效益系数 并从49个效益系数中 照片5 挑选出一个较大效益系数者作为该点位的最优矢量 然后 将18个点位的最优矢量绘制成一张竖井或隧洞的加固钻孔效益系数图 图7 在水工设计常规钻孔布置图上 与18个点位优选的钻孔位置进行拟合或磨合后 即可从中选定各个点位的最优钻孔矢量 74 图7隧洞 竖井围岩体内比选加固钻孔矢量的效益系数示意图 75 前述的效益系数 为斜孔与铅直孔穿越裂隙能力系数的比值 此值为一次效益系数 这里所述的隧洞围岩加固钻孔 除了顶拱与底拱处的加固钻孔外 其余均是斜孔 再用一次效益系数就不合适了 因此 在这里需要用二次效益系数来表达一个复杂的概念 将原设计的竖井 隧洞围岩加固钻孔的穿越裂隙的能力系数 与用优选法设计的竖井 隧洞围岩加固钻孔的穿越裂隙的能力系数相比较 所得的系数为二次效益系数 二次效益系数愈大 说明优选法的优越性也愈大 反之愈小 76 3 隧洞竖井围岩加固钻孔的表示方法针对性设计的三维加固钻孔矢量 用常规表示方法 需要用展视图 剖面图和侧视图三类图来表示加固钻孔的矢量 表示方法比较复杂 为此 我们向诸位推荐一种改进后的似极点图 图8 可方便地表示三维的矢量 该图的圆周分为360 每10 为一等份 全圆共分为36个等份 利用这个属性 可以表示各种对象的方位 将圆周半径分为9等份 每一等份代表10 极点图的表示方法是从圆心向圆周 由0 增至90 由于加固钻孔的倾角大都变化于0 30 用极点图的表示方法很不方便 我们的新表示方法是 圆心规定为90 圆周则规定为0 这样的话 大部分表示对象都分布在外圆周 读图比较方便 77 1 竖井平切剖面上钻孔矢量的表示方法平切剖面的方位与一般的平面方位相同 圆周360 方位都可以表示各个三维加固钻孔的方位 如35 孔位点 用 点表示 并旁注孔序号1 10 各个序号的加固钻孔的矢量用 点号表示 其圆圈内的序号与 旁加固钻孔的点位号相同 例如圆周45 135 225 315 处各布置一个加固钻孔 它们的顺序编号分别为1 2 3和4 1号孔 2号孔 3号孔和4号孔的矢量分别是 25 20 用 表示 145 30 用 表示55 10 用 表示125 10 用 表示 78 2 隧洞垂直横切面上三维钻孔的表示方法在隧洞的垂直横切面或隧洞轴向垂直的剖面上 隧洞顶拱最高点为0 点位 面向下游 左侧为左侧壁 右侧为右侧壁 底拱最低点为180 点位 左侧壁中点为270 点位 右侧壁中点为90 点位 如此这般 可将竖直的隧洞横切面 均分为360 分布在竖直圆周上的孔位 孔口点 可用点位表示 如用 分布于45 点上的孔口 的描述方法予以描述 79 图8三维加固钻孔的表示图 80 1 对地质不连续 裂隙 面形状的分析大量岩体开挖的地质编录资料表明 在层状的沉积岩与变质岩中 在相对坚硬岩体中的构造裂隙多与相对软岩的层面近于垂直 且多不穿过相对软岩 厚度较大 在远离大断层且深埋的均质花岗岩等岩体中 简称为一般岩体 其构造裂隙在其走向与倾上的发育长度大体相近 在距离大断层不太远的区段内 地质不连续面 主要为裂隙面 沿断层两侧分布有较密集的不同力学性质的构造裂隙 1 2 3裂隙在加固剖面上分布长度的计算方法 81 根据大量的地质裂隙面形状调查资料分析 在远离较大断层且深埋的块状均质岩体内 构造裂隙面的形状 走向长度与倾向长度之间的关系 可能为圆形者居多 在不太明显的不均质岩体内 构造裂隙的形状可能为椭圆形 其长轴沿强度较低的方向发育 在不均质明显的层状地层内 构造裂隙多在强度较高的地层内发育 而在强度较低的软岩内 裂隙多不发育 因而其构造裂隙面形状多为矩形或长方形 总之 构造裂隙的形状与岩体的不均质性 不连续性以及受力方向有关 如果知道了裂隙面的形状 就可以找出裂隙面在孔口间 孔排间的方向上的分布长度 也可计算出加固岩体的影响半径 82 根据加固钻孔力争多穿裂隙的原则 我们就可以在加固岩体内找到最优的加固孔间距 孔排距和加固影响半径 2 矩形裂隙面的特性1 产生矩形裂隙面的层状地层在层状的沉积岩和变质岩中 常具有硬 软岩互层的情况 当软岩较厚时 硬岩中的构造裂隙常常穿不过软岩 甚至终止于软岩与硬岩的接触层面上 硬岩中的裂隙分布长且宽度宽 而软岩中的构造裂隙分布短且宽度窄 两者是两套发育规律 也就是说 构造裂隙在垂直层面方向上的发育深度受制于硬岩岩性层的厚度 常常等于硬岩岩性层的厚度 83 在层面方向上 岩性虽有相变 但在相对均质的硬岩中 构造裂隙发育长度要比垂直方向的发育深度长得多 从砂岩本身来说 沿层面发育的裂隙与层面垂直方向发育的裂隙 多组成矩形或长方形裂隙面 2 矩形构造裂隙面的水平投影长度在硬岩体内 多发育有构造裂隙 它们与层面多垂直 在绝大多数情况下 这些构造裂隙都穿越坚硬的岩性层 终止于较厚的软岩层面上 也就是说 坚硬的岩性层有多厚 构造裂隙发育就有多深 如果知道了分布于坚硬岩层表面上的裂隙分布长度和坚硬岩层厚度 我们就知道了该构造裂隙面的形状 换句话说 裂隙面的形状由裂隙的走向长度和倾向长度组成 其倾向长度 深度 实际上就是坚硬岩层厚度 因此可以说 在层状岩层内 构造裂隙面多是矩形或是长方形 84 3 均质岩体内圆形构造裂隙面直径的估算一般来说 在均质岩体内 多见圆形构造裂隙面 在均质性不强的岩体内 则多见椭圆形的构造裂隙面 为简化计算方法 可把椭圆形构造裂隙面视为圆形构造裂隙面的特例 在均质岩体中开挖的基坑内 隧洞和竖井内 有大量的裂隙出露形状 如果稍微仔细地进行观察 我们就会发现 它们在隧洞和竖井的围岩内 绝大多数裂隙出露线是曲线 通过著者的大量研究和试验 可以概要计算裂隙圆面的直径 85 在加固剖面上的累计频率长度计算 a在岩体加固方向上 计算的各条裂隙的分布长度 按由小到大的顺序进行排列 b按裂隙分布长度分组 c计算各级裂隙长度的累计频率 0m的裂隙条数 裂隙总条数 100 1m的裂隙条数 裂隙总条数 100 2m的裂隙条数 裂隙总条数 100 3m的裂隙条数 裂隙总条数 100 Lm的裂隙条数 裂隙总条数 100 86 对于竖井围岩的固结 或防渗 灌浆钻孔 地下水排水钻孔 对隧洞和地下洞室围岩的灌浆钻孔 地下水排水钻孔等孔距计算选择 如被加固岩体为层状岩体时 用层状岩体系列公式计算选择 如被加固岩体为块状岩体时 用块状岩体系列公式计算选择 根据加固工程的重要性 选择累计频率的大小 可以保证不同工程要求的不同质量标准 87 88 三 岩体灌浆的浆液劈裂问题与其防治方法 软岩与硬土的岩性及其物理力学性质的变化范围很大 到目前为止 国内外土木工程界 尚没有通用于软岩与硬土隧洞围岩的加固方法 因而必须针对灌浆工程地质条件或工程地质缺陷进行专门加固设计 实践经验表明 一个成功的软岩与硬土的灌浆工程 大都在充分研究软岩与硬土的成因及物理力学性质的基础上 在优选孔向 选择合适的灌浆工艺流程以及稳定浆液等条件下完成的 89 3 1软岩与土层的成因及物理力学性质软岩在地壳里分布非常广泛 泥岩与页岩占地球表面所有岩层的50 左右 它与工程建设息息相关 如丹江口 葛洲坝 铜街子 小浪底 桓仁 上犹江 朱庄 西霞院 沙坡头等水利水电工程的坝基都存在软岩类的软弱夹层 而且在这些软岩中几乎都进行了不同类型的工程灌浆 从其力学性质分析 软岩是具有变形大 强度低 赋存环境效应和时间效应强烈的岩体 对其岩体分类时需要考虑岩体的强度 变形特性 透水性 稳定性 从软岩的单轴干抗压强度来看 可将其分为较软岩 抗压强度为15 30MPa 软岩 抗压强度为5 15MPa 极软岩 抗压强度小于5MPa 90 3 2软岩的成因分类从成因方面考虑 可将软岩分为原生类型和次生类型 后者还可划分为风化软岩与断裂破碎软岩 1 原生软岩主要指沉积层 它是由松散堆积物在温度不高和压力不大的条件下形成的 是地壳表面分布最广的一种层状岩层 粘粒含量高 胶结程度差 吸水时往往具有膨胀性与失水后往往具有干缩性 其工程性质与胶结物成分及含水量密切相关 如粘土岩 泥质砂砾岩 页岩 泥灰岩 疏松砂岩 云母片岩等 91 2 风化软岩 岩石的风化程度随深度增加而减弱 完整的风化剖面 其风化程度可划分为5个带 未风化带 新 中等 微 风化带 弱风化带 强风化带及全风化带 对硬质岩石风化成的软岩 主要是全风化带与强风化带及少数弱风化带 对于软岩的风化程度分类 见表5 92 注 1 波速比 Kv 为风化岩石与鲜岩石压缩波速度之比2 风化程度系数 Kr 为风化岩石与新鲜岩石的饱和单轴抗压强度之比 表5软岩的风化程度分类 93 表6断层破碎软岩分类 94 3 断层破碎软岩这是由构造应力作用形成的软岩 主要包括断裂带中的软弱糜棱岩 火成岩侵入过程中的接触变质破碎软岩 层间错动的软弱层 见表6 从点荷载抗拉强度风化降低率来看 如全风化的花岗岩的抗拉强度5MPa时 其抗拉强度可降低到0 75MPa 从表5所列的按风化程度分类的软岩地基承载力 中等风化 强风化和全风化软岩的承载力 几乎都低于1MPa 其抗拉强度当然都低于1MPa 从表6所列的断层破碎软岩分类的力学指标和变形指标中可以看出 它们的指标大都与各类泥化夹层的指标相近 实属浆力易劈裂软岩 95 2020 3 20 96 3 3软岩层的母岩分类 从泥化夹层的形成条件及地质作用特征等方面考虑 可将其分为以下5种 1 沉积岩中的软岩层河湖相碎屑岩 潮汐相碎屑岩 海相碳酸盐岩夹碎屑岩等不同的岩相建造所形成的软岩层 2 火山喷发的玄武岩 安山岩 沉积间歇期沉积的软岩以及陆相火山碎屑岩沉积的凝灰质软岩 3 变质的碎屑沉积的软岩和岩脉侵入围岩接触变质的软岩 4 各类岩体的风化溶蚀作用形成的夹层状风化或脉岩蚀变风化软岩 5 由于地下水的携带 搬运作用 使细颗粒物质在裂隙 溶蚀中沉积充填的软岩 97 3 4软岩 泥化夹层 的抗拉强度 软岩 泥化夹层 都固有本身的临界抗拉强度 以前由于工程建设中很少对各类岩层提出了解抗拉强度的要求 所以对各类岩层的抗拉强度研究并不像对其它各类岩层的抗压强度研究得那么多 因此 当研究各类软岩 泥化夹层 的抗拉强度时 就显得可供讨论分析的材料特别少 因此著者把从国内外收集到的各类岩体的浆力劈裂压力 由于劈裂压力对劈裂岩体来说酷似一对拉应力 拿来权作抗拉力来进行分析 表7 98 表7软弱结构面抗拉强度 劈裂力 99 从表7所列资料可以看出 表列的9种含软弱结构面的软岩 其软弱结构面的抗劈裂强度 最小值都在0 7MPa以下 如果不考虑围压的影响 这些软弱结面的抗拉强度有可能都比0 7MPa还小 1 软岩 泥化夹层 的抗拉强度由于软岩极易风化 因此岩块的抗拉强度是指特定试样和测试条件下的特征值 不同时代 不同类型与不同方向测得的软岩抗拉强度有很大差异 从表8所列的四川泥岩的抗拉强可以看出 同一侏罗系地层的不同岩组 其强度是不一样的 100 表8不同岩组泥岩的抗拉强度 101 2 围压对软岩抗拉强度的影响在围压作用下的软岩 其抗拉强度要比单轴抗拉强度高 从前述可知 一般情况下 粘土岩的抗拉强度是它的抗压强度的1 10 1 20 如果围压增高了 当然其抗拉强度也会增高 表10 102 表9不同类型软岩的抗拉强度 103 表10部分软岩强度及其软化系数 104 在现场三轴试验时 用库伦 莫尔理论方程求得软岩的抗压强度 1 F 3 R式中 1 最大主应力 3 最小主应力 F 1与 3关系直线斜率 R 1与 3关系直线在 1轴上的截距 即岩体单轴抗压强度 构皮滩紫红色粘土岩和灰绿色粘土岩的三轴抗压强度均随侧压力 3 5MPa 增大而提高 可用下述直线方程描述 紫红色粘土岩 1 6 96 3 14 78 MPa 灰绿色粘土岩 1 4 05 3 6 49 MPa 盘石水库坝基紫红色页岩三轴抗压强度与围压之间的关系如下 1 8 79 3 37 20 MPa 0 3 7 从上述分析可知 围压对软岩的抗拉强度有增强影响 一般可以提高抗拉强度1倍左右甚至还要高些 105 3 5灌浆参数的优选 灌浆参数优选实际上是灌浆流程的优选 灌浆流程优选的最重要内容是灌浆压力的优选 调查灌浆工程地质条件的内容 主要包括被灌岩体的裂隙性质 劈裂性质 劈裂围岩的压缩性质以及它们的可加固性质等 为了取得最好的灌浆效果 针对灌浆工程地质性质 条件 与问题 进行灌浆参数的优选 3 5 1岩土体的构造结构面性质岩土体的构造结构面主要包括断层及其影响带 裂隙密集带以及正常岩体等的裂隙面 106 由于断层分布是确定的 而裂隙分布是随机且多不被重视 所以本报告将对裂隙的性质进行重点分析 用灌浆的观点来研究裂隙性质 调查裂隙宽度与水泥颗粒之间的相容性则更为重要 若裂隙宽度大于浆液中的水泥颗粒 则两者具有相容性 只有两者有相容性 才有可能把水泥浆液灌进去 开挖一个大狗洞让小猫走 有点浪费 但大狗走猫洞是不可能的 只有小猫走大猫洞才是合理的 这个浅显的道理 几乎人人都知道 但要做得合理 必须知道被灌岩体的裂隙宽度 用相容的水泥制浆 才有可能达到预期的经济灌浆效果 研究岩体裂隙宽度与浆液颗粒的相容性 是研究何种的裂隙宽度可通过何种的水泥颗粒 107 不同成因类型和不同岩性的岩体 有着自然的裂隙宽度 是客观存在的地质条件 是不以人的意愿而变化的 但水泥颗粒是主观的人造的 这就是说 只要把不同成因类型和不同岩性的自然裂隙宽度基本调查清楚了 做到裂隙宽度与水泥颗粒两者相容是不难办到的 1 裂隙宽度首先把被加固岩体分出壳状 带状 断层 风化卸荷带透 含 水层 然后按各透 含 水结构类型的岩体 再分出亚类 最后分别对其宽度进行调查 108 1 受轻微地质构造作用后的岩体裂隙宽度调查成果2 受强烈分化卸荷作用后的岩体裂隙宽度调查成果3 断层极其强烈影响带内的岩体裂隙宽度调查成果 表11三叠纪砂 页岩地层中受轻微地质构造作用后岩体裂隙宽度 mm 岩性构造裂隙平均宽度层面裂隙平均宽度层面硅质细砂岩 0 053钙 硅质细砂岩 0 036硅 钙质细砂岩 0 026钙质细砂岩0 0790 021泥质粉砂岩0 0450 020粉砂质泥岩 0 04 0 020砂 泥岩互层中的砂岩0 0940 027 109 表13断层及其强烈影响带内的岩体裂隙宽度 110 表13砂页岩地层中断层及其强烈影响带内的裂隙宽度 2 受强烈风化卸荷作用后的岩体裂隙 mm 3 断层及其强烈影响带内的岩体裂隙宽度 111 2 水泥颗粒粒径目前 工程地质水文地质人员 几乎是不参与灌浆工程的 而灌浆工程人员 对于使用水泥的颗粒级配情况如何