透水率模型试验

临界裂隙宽度岩溶路基透水率模型试验
一、实验目的
临界裂隙宽度岩溶路基透水率
二、实验原理
1、使用石膏块代替可溶岩，石膏块模拟节理岩体裂隙宽度应为塌陷临界裂隙宽度（d L），节理裂隙密度、裂隙方向可模拟南广线野外地质条件，整体做成
1.50m*1.50m*1.00m地层模型。

2、在模型中间施钻，钻孔直径Φ=50mm，深度1.40m，模拟用于现场压水试验的钻孔。

3、以一定压力差水头代替共水泵，对钻孔分段供水压水，并以圆柱形橡胶环、橡胶塞进行上、下段止水。

鉴于模型试验钻孔较浅，本试验选择只一个压水试验段。

4、读取压力表读数（P）、流量计读数（Q），绘制P-Q曲线，以检查实验成果的正确性，并根据曲线类型选择合适的公式进行计算，求得透水率。

三、实验设备
***设备一套、压力表一个、流量计一个、计时器一个、钢卷尺一把、电钻（Φ50钻头）一部及供压、供水装置一套、Φ50PVC管、Φ75PVC管32cm、环形止水橡胶栓（外径Φ=50cm，内径Φ=30cm）、柱状止水橡皮栓（Φ=50cm，高3～５cm，本实验可在钻孔底填筑粘土层，压实，以起到止水作用来代替）
四、实验材料
粘土：0.54m3（可重复利用前一试验时所弃粘土）
石膏粉：1.80m3（实际用量）*1.2（调节系数）=2.16m3
五、地质模型制作
1、基岩地质模型
以石膏酷块模拟基岩层节理岩体块体，石膏块规格：50cm*50cm*5cm，装入试验箱，以石膏块间水平缝隙代替岩层层理裂隙，以石膏块间竖向裂缝代替竖向节理裂隙，预制塌陷临界裂隙宽度（d L）缝隙代替另组节理裂隙，此组节理裂隙以倾向近似竖向为主，走向与前两组斜交，至少有一条经过中心位置（穿钻孔）。

需要装入石膏块24层，每层9块，共计216块。

2、覆盖层地质模型
装好石膏快后，以粘土覆盖石膏块，对粘土层做适当压实，形成相对隔水层，以模拟上部覆盖层，覆盖层厚度20cm。

六、钻孔工艺
为了钻孔施工方便，装好石膏块后，未覆盖粘土层前，在试验箱中心位置施钻，孔径Φ=50cm，钻孔尽量做到竖直、孔壁光滑，当钻进至1.1m时停止钻进；钻孔顶部以Φ75PVC管保护，高度略大于30cm，并在周围空间填入粘土，使Φ75PVC管起到护壁作用，钻孔总深度即为1.40。

七、设备安装
压水试验装备示意图
八、加压方式
本实参照现场钻孔压水试验方式，采用吕容法，分三级压力五个阶段方式加压测试，即P1-P2-P3-P2-P1；
1、压力值分布方式
P3-P2=P2-P1≥P1
或 P3/P2≈P2/P1≈2
2、压水试验压力值，即各级总压力矫正公式
P=Pp+Pz-Ps
其中P—试验压力（MPa）
Pp—压力表读数（MPa）
Pz—压力表中心至压力计算零线的水柱压力（MPa）,本实验取1/2实验段处至压力表中心水头高度所能产生的水柱压力。

Ps—管路压力损失（MPa）
Ps=8fQ2L/π2gd5
f—摩擦系数（建议取值0.02）
g—重力加速度（9.81m/s2）
Q—流量（m3/s）
d—水管内径（m）
L—水管长度（m），从拴塞底部至压力表中心的距离。

3、根据有关试验规程，对于浅埋段，岩层产状较平缓，且试验段埋深小于15m时，P3=0.3MPa，由于本实验试验段埋深浅，试验段小，所以取P3=0.1MPa。

根据加压方式（1），可取P2=0.06MPa，P1=0.02MPa
九、实验步骤
1、关闭阀门4，打开阀门1、
2、3，并调节水箱高度，使压力表大致指向0.02MPa位置。

2、水箱持续供水，打开活塞4开始对钻孔进行压水，记录此时压力表读数P1,流量计初始值Q0，并开始记时，初始时间为t0；观察压力表，当压力表读数升高时，说明此阶段压水已完成，快速读取流量计读数Q1，记录时间t1。

记录P1压强下的流量△Q1=Q1-Q0，渗流时间△t1=t1-t0,并在P-Q曲线绘制坐标纸上找出此时对应得点1。

其中Q1=△Q1/△t1，单位为L/min。

3、关闭阀门4（现场试验时连续无间断压水），调节水箱高度，使压力表指向0.06MPa位置，同上述步骤2，记录P2压强下的流量△Q2，渗流时间△t2，并
在P-Q曲线绘制坐标纸上找出此时对应得点2。

4、参照步骤2、3，记录P3（约0.1MPa）压强下的流量△Q3，渗流时间△t3，并在P-Q曲线绘制坐标纸上找出此时对应得点3。

5、重复步骤3，记录P4(=P2)压强下的流量△Q4，渗流时间△t4，并在P-Q 曲线绘制坐标纸上找出此时对应得点4。

6、重复步骤2，记录P5(=P1)压强下的流量△Q5，渗流时间△t5，并在P-Q 曲线绘制坐标纸上找出此时对应得点5。

7、在P-Q曲线绘制坐标纸上依次连接0-1，1-2，2-3，3-4，4-5，5-0点，绘制成曲线，分析试验改模型实验渗流类型，并判断试验结构是否可靠，若出现异常，则试验结果不可靠，需要进行改进，并重新建立实验模型。

8、依据相关公式计算透水率
十、实验预期成果
1、透水率（ω）
根据试验数据，计算出临界裂隙宽度岩溶路基透水率，公式如下：
ω=Q/P*1/L
ω—透水率(Lu或L/min．m2)
Q—取第三阶段流量（L/min），即P-Q曲线点3对应流量值
P—取第三阶段试验压力（MPa），即P-Q曲线点3对应压力值
L—试验段长度（m）
2、渗透系数（k）
渗透系数（k）可根据单位吸水量（透水率ω）近似求得，公式如下
当试验段底部距离隔水层厚度大于试验段长度时:
k=0.527ωlg（0.66L/r） (1) k—渗透系数（m/d）
r—钻孔半径(m)
其余符号意义与前面一致
当试验段底部距下伏隔水层顶板之距离小于试验段长度试时
k=0.527ωlg（1.32L/r） (2) 符号意义同上式
本实验底部为有机玻璃，且试验段底部距试验箱底部只有大约10cm,所以建议选用公式(2)
十一、影响因素分析
1、试验箱侧壁约束程度对透水率测定的影响
2、试验箱水位水头高度对透水率测定的影响
3、模拟节理密度、节理张开度对透水率测定的影响
4、节理裂隙有无充填和充填程度对透水率测定的影响
十二、实验评价
评价该实验的意义，确定该实验成果适用条件，找出该模型实验优点、缺陷，总结实验启发，提出对该模型实验改进的思路。