摘 要：通过红层砂岩钻孔压水试验，结合工程物探及室内试验从岩体裂隙、泥质含量，压水试验过程P-Q曲线等方面对红层砂岩的渗透特性进行分析，提出了红层砂岩压水试验试验段压力选择的原则，得到了红层砂岩渗透性受贯通性裂隙影响的特性以及不同泥质含量的红层砂岩表现出的不同渗透破坏特性，并对其岩体渗透稳定性进行了定量分析。本文的研究方法及研究成果对相关工程中红层砂岩的钻孔压水试验及其他水文地质试验均具有一定的参考价值。
关键词：压水试验 红层砂岩 透水率 渗透特性
1.前言
红层是指形成于中生代、新生代的一套陆相及浅水湖相的红色碎屑类沉积岩，主要岩性为泥岩、粉砂岩、砂岩等，是一种具有特殊地质力学性质的岩体，具有强度低、易变形、抗风化能力差、遇水易崩解、吸水软化等特点。
某船闸工程场地岩性为红层砂岩。船闸作为通航建筑物，对基础的渗透特性有较高的要求。船闸依托枢纽大坝建成后，库水位的上升，导致岩体中地下水的水头抬高，致使岩体所受的托浮力增大，引起岩体的渗透变形和破坏。船闸工程基础岩体结构被破坏后，容易引起船闸失稳而造成灾害性后果。因此查明船闸工程基础红层砂岩的渗透特性是本工程必须解决的重要问题之一。
为查明某船闸工程红层砂岩的渗透特性，采用岩体钻孔压水试验，结合工程物探及室内试验统一分析的研究方法，查明了本船闸工程红层砂岩岩体的渗透特性。
2.钻孔压水试验
2.1岩体水文条件
某船闸工程位于枢纽左侧坝肩，场地红层岩体中地下水类型主要为弱承压型岩体裂隙水。现场用套管把岩层以上含水层隔离后，钻孔水位普遍上升至孔口以上30～50cm后保持水位稳定，并高于江水位。该裂隙水主要通过岩体裂隙入渗、越流补给，消耗于地下径流等，水量一般不大，水头压力较小。
2.2试验原理及方法
根据试验规程，钻孔压水试验是用栓塞将钻孔隔离出一定长度的孔段，并向该孔段压水，根据压力与流量的关系确定岩体渗透特性的一种原位渗透试验。其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。试验时随钻孔的加深自上而下地用单栓塞分段隔离进行，试段长度一般为5.0m左右，采用三级压力、五个阶段进行试验。相邻试段互相衔接，可少量重叠，但不能漏段，残留岩芯计入试段长度之内。
2.3试验压力选择
船闸依托枢纽建成后，闸前水位的升高，使船闸基础所受的水压力增大而形成拉应力，以致岩体结构面被拉裂，高压水渗入形成的张裂隙在被隔水层阻断后，致使裂隙内产生较高的水头压力，造成岩体结构被破坏而导致船闸基础失稳。根据某船闸工程的水文特征及场地红层岩体的工程地质及水文地质条件，主要通过以下几个方面来确定岩体钻孔压水试验的合理试验压力。
（1）枢纽的蓄水工况：根据设计方案，枢纽的设计蓄水深度分别为18.40m及24.90m。根据10m水柱压力0.10 MPa计算，船闸建成后试验段岩体以上的蓄水压力为0.18～0.25MPa，取安全系数1.5，压水试验压力在0.28～0.37MPa以上得出的岩体透水率即可满足工程设计及工程运行的要求。
（2）试验段岩体的强度：根据现场钻探揭露红层岩体的实际情况，选择代表性岩样进行室内岩矿分析（图1及图2）、饱和抗压强度及饱和抗拉强度试验，试验结果统计见表1。由统计结果可知，泥质含量8～10%的红层砂岩，试验压力不得大于1.69 MPa；泥质含量20%的红层砂岩，试验压力不得大于0.74 MPa。
（3）进行现场试压水：泥质含量8～10%的红层砂岩，在试验压力P≥1.20MPa时，试段岩体较易被破坏。破坏后流量表流量突然增大，压力计压力突然变小，之后压力无法提升至预定值；泥质含量20%的紅层砂岩，在试验压力P≥0.80MPa时，亦出现上述岩体被破坏的情况。
根据以上结果分析，在正式的现场钻孔压水试验时，应根据实际工况、岩层承压能力及现场试压水试验综合确定，不宜盲目追求高压力而造成岩体破坏，数据失真。泥质含量8～10%的红层砂岩，试验压力采用规程推荐的0.30-0.60-1.0MPa；泥质含量为20%的红层砂岩，试验压力采用0.20-0.40-0.60MPa的岩层实际可承受压力进行试验。
3.岩体渗透特性分析
3.1岩体透水率统计
根据某船闸工程红层砂岩的钻孔压水试验及工程物探试验成果，统计分析结果见表2及表3。
3.2透水率影响因素分析
（1）根据表2可知，泥质含量8～10%的红层砂岩，岩体透水率与岩体裂隙的发育程度有着密切的关系：
①岩体存在贯通型裂隙时，岩体透水率18.18～29.46Lu，渗透性等级为中等透水，不能满足工程的防渗要求。由于岩体存在水力通道，裂隙中赋存弱承压水。
②岩体裂隙较发育但不贯通时，岩体透水率1.22～4.84Lu，渗透性等级为弱透水，可满足工程的防渗要求。由于岩体无水力通道存在，一般无裂隙水或裂隙水贫乏。
③岩体裂隙稍发育或发育少量闭合裂隙时，岩体透水率一般在0.06～0.98Lu，渗透性等级为极微透水～微透水，可满足工程的防渗要求。
（2）根据表3可知，泥质含量20%的红层砂岩，岩体透水率与岩体裂隙的贯通性及溶蚀孔洞密切相关，与岩体非贯通裂隙的发育程度及风化程度联系不明显：
①岩体存在贯通型裂隙及溶蚀孔洞时，岩体透水率41.50～60.28Lu，渗透性等级为中等透水，不能满足工程的防渗要求。由于岩体存在水力通道，基岩裂隙水与上层孔隙潜水相通。
②岩体裂隙发育且风化严重、岩体破碎时，岩体透水率2.18Lu，渗透性等级为弱透水，可满足工程的防渗要求。
③岩体裂隙发育且存在风化严重夹层时，岩体透水率0.09～0.90Lu，渗透性等级为极微透水～微透水，可滿足工程的防渗要求。
3.3 P-Q曲线特性分析
船闸工程红层砂岩钻孔压水试验过程典型P-Q曲线如图3及图4所示。
（1）根据图3及图4分析可知，红层砂岩的渗透特性主要表现为以下几点：
①压力自0增大至P1及P2时，压水试验过程P-Q曲线表现为B（紊流）型，表明高压水通过岩体的层理及节理裂隙渗流，流向紊乱，而且岩体裂隙在试验压力作用下没有发生明显地改变。
②压力自P2增大至P3时，压水试验过程P-Q曲线表现为C（扩张）型，表明岩体在试验压力下裂隙发生扩张形成张裂隙，包括原有裂隙加宽、隐裂隙劈裂等。随着试验压力的增大，流量迅速增大。
③在试验降压阶段，岩体裂隙基本能恢复至原始状态，表明岩体裂隙具有弹性扩张的特点，具体表现为升压曲线与降压曲线基本重合。
（2）图4还表明，泥质含量20%的红层砂岩具有明显的吸水特性。其压水试验过程P-Q曲线表明，在裂隙吸水至饱和过程中，岩体裂隙逐渐膨胀致使裂隙被部分充填，主要表现为：
①试验压力自P1增大至P2时，稳定流量Q2 ②降压阶段流量明显小于升压阶段流量（Q5 ③在每阶段试验压力下，流量均逐渐减小至稳定。 3.4 岩体渗透稳定性分析 根据本工程钻孔压水试验（包括钻孔试压水试验）过程中岩体表现出的渗透特性，红层砂岩的岩体渗透稳定性具有以下特点： （1）紊流阶段：泥质含量8～10%的红层砂岩在水头压力0-0.3-0.6MPa及泥质含量20%的红层砂岩在水头压力0-0.2-0.4MPa下，岩体原有裂隙及隐裂隙、软弱结构面等未发生水力劈裂，渗透类型属于岩体裂隙之间的接触冲刷渗漏，岩体原有水力通道未发生变化，渗透稳定性良好。 （2）扩张阶段：泥质含量8～10%的红层砂岩在水头压力0.6 -1.0 -1.2MPa及泥质含量20%的红层砂岩在水头压力0.4-0.6-0.8MPa下，岩体原有裂隙张开、软弱泥化夹层展开或隐裂隙劈裂扩张，但是裂隙最终可以恢复到原有的接触冲刷渗漏状态，属于弹性扩张。由于岩体裂隙中的水力通道未发生明显变化，渗透稳定性较好。 （3）破坏阶段：泥质含量8～10%的红层砂岩在水头压力P>1.2MPa及泥质含量20%的红层砂岩在水头压力P>0.8MPa下，岩体中的软弱结构面发生水力劈裂（包括岩体中软弱结构面产生张开及扩展，结构面内充填物被冲蚀等），导致软弱结构面与原有结构面联通引发大量渗漏而产生不可逆的渗透变形破坏。由于岩体中原有水力通道发生变形破坏，容易引起工程岩体基础的渗透失稳风险，渗透稳定性差。 综上所述可知，红层砂岩在本工程设计水头压力工况条件下的渗透稳定性良好，岩体不会产生渗透变形破坏。 4.结论 （1）红层砂岩钻孔压水试验压力选择宜根据工况条件，岩层承压能力及现场试压水试验综合确定，不宜盲目追求高压力而造成岩体破坏及数据失真。 （2）红层砂岩存在贯通性裂隙时，其透水性显著增大。泥质含量小（8～10%）的红层砂岩，其透水特性与非贯通性裂隙发育程度有一定的正相关性；而泥质含量大（20%）的红层砂岩，其透水特性与非贯通性裂隙发育程度无明显相关性。 （3）红层砂岩在钻孔压水试验过程中表现为复杂的BC（紊流～扩张）型。在岩层可承受试验压力范围内，其裂隙具有弹性扩张的特点。 （4）泥质含量20%的红层砂岩在压水试验过程中表现出明显的吸水特性。 （5）红层砂岩在本工程设计工况条件下的岩体渗透稳定性良好。 （6）泥质含量8～10%的红层砂岩在水头压力P>1.2MPa及泥质含量20%的红层砂岩在水头压力P>0.8MPa下易产生渗透变形破坏，渗透稳定性差，可能引起工程岩体基础的渗透失稳风险。 参考文献： [1]中交第二航务工程勘察设计院有限公司.东江河源至石龙航道扩能升级工程地质勘察（工程可行性研究阶段）岩土工程勘察报告[R]，2018，3. [2]仵彦卿，张倬元.岩石水力学导论[M].成都：西南交通大学出版社，1995. [3]SL 31-2003，水利水电工程钻孔压水试验规程 [S]. [4]WITTKE W LEONARDS G.A.Modified hypothesis for failure of Malpasset dam， Tnt. Workshop on dam failure，Purdue University，WestLafayette， 1985. [5]中交第二航务工程勘察设计院有限公司.东江河源至石龙航道扩能升级工程地质勘察（工程可行性研究阶段）工程物探报告[R]， 2017，12.