高压压水试验的综合探讨

高压压水试验不但能反映裂隙岩体渗透特性,还可以评价各类结构面抵抗水力劈裂破坏的临界压力值大小,为地下工程灌浆处理裂隙岩体时提供依据。本文主要对高压压水试验在深钻孔中的应用做了详细的分析。     

高压引水隧洞陡倾角断层岩体高压压水试验研究

结合一抽水蓄能电站高压岔管区高压压水试验,详细介绍了具有陡倾角断层岩体的高压压水试验方法及试验成果。探讨了岩体高压下水力劈裂区扩展的波动理论和渗透破坏特性,明确了岩体与土体渗透破坏形式差异。试验首次对岩体内的渗透压力和变形进行了同步测量,以了解高压条件下岩体的渗透变形特性。在高孔隙压力作用下,岩体的变形发展试验成果表明,岩体应力和稳定性分析过程中孔隙压力的作用不可忽视,因此采用耦合理论对高孔隙压力环境下的工程岩体进行分析有助于降低围岩失效风险。     

裂隙岩体高压渗透特性研究

随着越来越多高水头电站、深部地下工程的建设,工程中面临更多渗透失稳风险,必须通过现场试验系统研究裂隙岩体的高压渗透特性和渗透稳定性。通过现场揭示和水-岩相互作用关系,探讨裂隙岩体的高压渗透破坏机制和破坏模式。基于多个高水头电站中的高压压水试验和高压渗透试验成果,研究高水头压力作用下裂隙岩体的水力劈裂、渗透变形、抗冲蚀性能、渗透稳定耐久性等特性。研究成果表明,高压条件下裂隙岩体的渗透特性会发生显著改变,变化规律和特征与所作用的水压力、应力赋存环境和物质填充情况紧密相关。     

裂隙岩体水力学特性研究

 基于裂隙中的水流运动规律,通过现场压水试验,研究裂隙岩体的渗透特性及其高压渗透特性,重点分析其水力学特性的应力相关性。试验研究表明,裂隙岩体的渗透性与应力赋存环境密切相关,且对应力十分敏感;裂隙岩体的应力环境、水力劈裂压力及裂隙充填情况不同,其高压渗透特性有较大差异。同时,通过总结前人的研究成果并结合数值试验分析,从裂隙岩体渗流的非连续性、非均质性、各向异性、优势水力特性及尺寸效应等多方位描述裂隙岩体的水力学特性,对其水力学特性及其成因进行综合评述。     

高压压水试验在呼和浩特抽水蓄能电站中的应用

对于水库大坝、深埋地下工程等水头很高的工程,常规压水试验结果不能反映实际水头压力作用下岩体的渗透特性。为了确定岩体在不同压力作用下渗透特性的变化规律,在呼和浩特抽水蓄能电站高压岔管区专门做了3个钻孔高压压水试验。通过研究压力-流量关系曲线和岩体透水率Lu值了解岩体渗透特性。现场高压压水试验按三级压力、五个阶段进行。三级...     

坝基破碎岩体高压渗透变形原位试验

 为获取向家坝水电站坝基挤压破碎带岩体的渗透变形特性,针对坝基破碎岩体空间分布特点,研究适合于渗透变形试验的现场压水试验系统和压水试验方法,提出坝基岩体渗透变形的原位高压试验方法。本研究最大特点是采用对观测孔内的水质取样分析和钻孔电视录像进行对比分析方法来研究原位渗透变形特征,并提出确定临界水力坡降的基本判据。研究结果表明,所提出的原位渗透变形高压压水试验方法可以较好地反映破碎岩体实际环境状态,原位渗透变形试验获得的临界水力坡降较室内试验成果更真实合理。     

溪洛渡水电站坝基岩体钻孔常规压水与高压压水试验成果比较

为了确定岩体在不同压力作用下渗透特性的变化规律，溪洛渡不溻站坝基岩体专门作了钻孔常规压水与高压压水的对比试验，通过对试验成果的比较，获得了从常规压水到高压压水过程中岩体透水率Lu值和P－Q曲线的变化规律。     

钻孔高压压水试验的数值模拟

为了从理论上进一步讨论高压水作用下岩体的渗透特性，建立考虑紊流、层流、扩张、劈裂、冲蚀和淤堵现象的应力场与渗流场耦合的连续介质模型和应力场耦合Oda渗透张量模型，并编制相应的有限元计算程序WS^3D。采用该程序对惠州抽水蓄能电站的钻孔压水试验进行数值模拟，得到压力水头P与水流量Q的关系曲线（P-Q曲线）与高压压水资料吻合较好。同时，根据数值模拟中的现象和结果进行分析可知，在高压压水试验中，层流、紊流、扩张、劈裂、冲蚀、淤堵现象中的一种或几种现象共同作用决定P-Q曲线的类型。     

裂隙岩体渗流–断裂耦合机制及应用

将断裂力学引入裂隙岩体流固耦合分析,建立裂隙岩体渗流–断裂耦合机制,在 FLAC ^3D 现有计算模块的基础上,通过 FISH 研制了裂隙岩体渗流–断裂耦合分析程序。该模型的耦合机制体现在：渗透水力梯度作为渗透体积力作用于应力计算单元,裂隙渗透压作为面力作用于裂纹张开部分引起断续岩体裂纹的劈裂扩展;岩体裂纹的扩展引起岩体渗透系数的增加导致渗流场的改变。将渗流 – 断裂耦合理论应用于高水头不衬砌压力隧洞工程中,系统地研究高水头不衬砌压力隧洞在运行期间的水力劈裂、渗流场和内水外渗渗漏情况,得到：①处于水力劈裂的高水头压力隧洞周边向外延伸依次为拉剪劈裂区、压剪劈裂区、未劈裂区;②由于渗流体积力作用,高水头压力隧洞内水外渗过程中洞周产生径向向外变形;③高水头压力隧洞内水外渗过程中渗漏率先增加后平稳减少最终稳定。首次提出陡倾地表下不衬砌压力隧洞与裂纹几何特性、力学特性和岩石断裂韧度高度相关的水力劈裂系数的概念 。 建议在水工隧洞设计规范中建立与水力劈裂系数相匹配的安全控制标准,可为我国不衬砌压力隧洞工程的设计提供理论基础。     

地下石油储备库在高水头作用下裂隙岩体的渗透性试验研究

裂隙岩体的渗透特性是核废料处置、水利水电、油田开发、矿山和大型洞库等各类地下工程领域内经常遇到的问题,而埋深超过百米的地下岩体已超出常规压水实验的应用范围,仅适合施做高压压水试验或者注水-消散实验,后者仅在部分石油储备库项目中为国内学者所研究。本文以某垂直水幕孔为例,首次应用两种压水实验方法研究高埋深状态下的裂隙岩体渗流情况,高压压水试验的3级压力定为0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa,注水-消散试验的试段压力为静水压力+0.5MPa。研究发现,两种压水实验皆能够正确获取岩体的渗透系数,但适用范围有所区别。     

基于水下抽水试验的岩体渗透系数研究及应用

 通过分析水下岩体钻孔抽水试验的水力边界条件,运用势场叠加原理,将水力边界条件分解为水平补给和垂直补给2个部分。其中,水平补给原理与陆上承压水钻孔抽水补给原理相同;对于垂直补给部分,通过适当的简化假定,推导出垂直补给钻孔渗流量计算公式,从而得到适用于水下岩体钻孔抽水试验渗透系数计算的理论公式。利用该理论公式计算得出的渗透系数,采用数值方法模拟水下岩体现场抽水试验,计算结果与试验结果比较接近。为便于比较,利用基于陆上岩体抽水试验渗透系数计算公式得到的渗透系数,进行抽水试验的数值模拟。计算结果表明：相比基于陆上渗流理论的渗透系数计算公式,本文的理论计算公式能够更合理、更接近实际地反映水下岩体抽水试验的渗流特性。最后,根据本文渗透系数的计算公式,采用数值方法和经验公式预测某拟建海底隧道工程施工期的涌水量,两者结果比较一致,可为隧道选择设计方案和施工方法提供参考。     

防渗墙钻孔压水试验渗流参数研究

 钻孔压水试验所得到透水率及渗透系数仅限于半无限域岩体,若条形域防渗墙钻孔压水试验仍沿用半无限域公式计算其渗流参数显然不合适。针对防渗墙几何形状和钻孔压水试验原理,在基于稳定流承压完整井的渗流场条件下,采用复变函数方法将条形域中井流问题变换到半无限域中,再代入直线补给边界稳定流承压完整井流公式求解,从而导出条形域防渗墙上钻孔压水试验渗流参数求解表达式。提出对条形域与半无限域流量比Q?/Q和渗透系数比k?/k进行分析,讨论防渗墙与钻孔几何尺寸L/r0,r0对其影响;当取L/r0＜104.7,r0＜75 mm,k?= k或Q? = Q时,得出条形域流量Q?和透水率q?均大于半无限域,即Q?＞Q,q?＞q,而渗透系数k?＜k。根据条形域与防渗墙两侧的补给边界情况,给出防渗墙钻孔压水试验渗流流量表达式使用条件。经工程实例验证,在土体与墙体渗透系数比k1/k2＞100时按提出的计算方法与芯样室内渗透试验结果基本一致。该研究方法还可将钻孔压水试验推广到其他形状有限域渗流参数求解中。     

基于高压注水试验的断层破碎带渗透特性研究

采用现场原位高压注水试验研究了巷道底板不同位置断层破碎带的渗透特性。共布置了3个测试孔,进行了5个轮次的注水试验,试验时一孔注水,其它孔水压监测。采用逐级增、降流量的试验路径,过程中连续记录注水流量、注水压力及监测孔水压值。研究发现:(1)在注水流量增加阶段,断层破碎带注水压力整体呈现"快增→突降→小幅波动"的变化过程,符合典型岩体水力劈裂压力曲线特征;(2)单孔多次高压注水劈裂压力差异较小,断层带劈裂裂隙具有较强愈合能力,重复注水试验产生新劈裂通道;(3)断层带注水劈裂压力、劈裂前初始渗透系数整体分别表现为随着测试点与巷道底板距离减小而减小、增加的趋势;(4)在同等注水流量条件下,流量减小阶段的水力隙宽明显大于流量增加阶段,劈裂后注水会导致了破碎带被冲蚀。把断层破碎带阻水强度与含水层水压的比值定义为断层带防突水安全系数,构建了断层带防突水安全评价方法,提出了断层突水防治措施。     

双管线柔性壁渗透仪用于水泥土渗透特性的测试

针对实验室常规土工渗透设备在水泥土渗透特性测试中存在的缺陷,提出了双管线柔性壁渗透仪测试水泥土渗透特性的新方法。该设备利用橡胶膜包裹试样,在周围水压力作用下实现试样的密封,水力系统构造了四根管线通往试样,达到促使试样饱和及快速、彻底消除气泡的目的。利用该设备对长江口某河口水库的水泥土芯样进行了4种水力梯度下渗透系数的测试,得到了渗流速度随水力梯度变化的规律,验证了水泥土的渗流流态为线性层流,服从Darcy定律。另外,通过该设备模拟现场情况可进行特定条件下的水泥土渗透特性的测试。     

浅谈钻孔压水试验试段成功隔离的影响因素与方法

钻孔压水试验是最常用的在钻孔内进行的岩体原位渗透试验,主要任务是测定岩体的透水性,为评价岩体的渗透特性和设计渗控措施提供基本资料,同时对地层资料情况作出准确评价。     

库区及坝基岩体结构面统计及岩体透水性分析

根据岩体结构面统计资料分析了坪头水电站库区岩体的渗透性，运用Louis岩体渗透理论计算出了坝基岩体渗透系数，井由钻孔压水试验数据验证了岩体的渗透性，从而为评价水电站库区及坝基岩体的渗透性以及为其防渗处理设计提供了参考。     

灰岩单裂隙非饱和渗流–应力耦合特性试验研究

为研究不同应力条件下岩体裂隙非饱和渗流特性及其影响因素,基于自主研发的岩体裂隙非饱和渗流试验系统,对4组灰岩裂隙试样开展变饱和度和不同围压条件下的渗透试验。试验结果表明：(1)随着围压的增加,裂隙进气值增大,非饱和渗透系数–毛细压力关系曲线下降斜率及幅度均减小,在相同毛细压力下,高围压对应的裂隙非饱和渗透系数要高于低围压的情况;(2)通过对比毛细压力、围压这2个因素对非饱和渗透系数的影响发现,随着毛细压力的增加,围压对非饱和渗透系数的影响降低;同样,随着围压的增加,毛细压力对非饱和渗透系数的影响降低;(3)随着粗糙度的增大,裂隙饱和渗透系数降低,残余饱和度有小幅增长;(4)基于不同围压和毛细压力下的裂隙非饱和渗流试验数据,对裂隙非饱和渗透系数与毛细压力和围压的关系式进行拟合,从拟合曲面与试验实测数据的对比来看,拟合关系式可以较为准确地描述试验测得的裂隙非饱和渗透系数随毛细压力和围压的变化。本文对变应力条件下裂隙非饱和渗流过程及规律的研究成果可为降雨入渗条件下的工程岩体稳定分析提供依据。     

400 m级高水头隧洞岩体抬动劈裂及渗透研究

嘎堆水电站水位落差756 m,其高压引水隧洞段最大水头为406 m。沿线岩体在高水头作用下面临有抬动、水力劈裂、渗透稳定和渗漏量过大等问题。为了保证工程的安全可靠,通过深埋隧洞,利用上覆岩体自身的重量、强度和地应力来减小高水头压力的不利影响。施工阶段结合地质编录、地应力测试和高压压水试验,对以上工程地质问题进行了专门的分析研究。评价认为引水隧洞线路设计合理,围岩满足406 m水头的抗抬动、抗劈裂要求。局部断层和挤压破碎带可能存在渗透稳定和渗漏量过大问题,需采取衬砌和固结灌浆处理,但无法完全解决渗漏问题。建议电站运行期间加强引水隧洞沿线边坡渗水情况巡视观测,如发现异常,应及时采取处理措施。     

高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂分析

以前研究均认为水力劈裂的必要条件是岩体中发生Ⅰ型张拉破坏。实际上，在众多岩体工程中，其断裂破坏型式多属压剪破坏。本文根据断裂力学原理对高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂作用进行了研究，首先研究水工压力隧洞围岩区各种类型裂纹的Ⅰ型应力强度因子的计算方法，讨论分析张开型复合型裂纹发生水力劈裂的理论判据。然后研究压剪断裂的力学机理，分析有水压力作用的压剪断裂应力强度应力的计算及其断裂判据。最后将以上理论应用于某水电工程引水发电隧洞的高压竖井的水力劈裂安全性分析中。     

应变敏感的裂隙及裂隙岩体水力传导特性研究

通过将岩体单裂隙视为非关联理想弹塑性体，导出单裂隙在压剪荷载作用下，其机械开度和水力传导度的解析模型，并采用已有相关试验研究成果对解析模型进行验证。在此基础上，通过将岩体概化为含一组或多组优势裂隙的等效连续介质，给出一种描述裂隙岩体在复杂加载条件下考虑非线性变形特征及滑动剪胀特性的等效非关联理想弹塑性本构模型。基于该模型，给出裂隙岩体在扰动条件下应变敏感的渗透张量的计算方法，该计算方法不仅考虑裂隙的法向压缩变形，而且反映材料非线性及峰后剪胀效应对裂隙岩体渗透特性的影响。该模型通过引入滑动剪胀角和非关联理想塑性，较为逼真地反映了真实裂隙及裂隙岩体峰后的剪胀特性、变形行为和水力传导度变化特征。通过数值算例，研究了裂隙岩体在力学加载及开挖条件下渗透特性的演化规律。