壓水試驗方法對測定巖體透水性的影響分析

佟長江

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院，廣東深圳 518002)

在巖體上或巖體內(nèi)修建水工建筑物時，必須研究建筑物區(qū)及其影響范圍內(nèi)巖體的透水性。對壩基進(jìn)行水泥灌漿是目前解決壩基巖層滲漏問題的一個有效方法。通過水泥灌漿，可以降低壩基巖體的滲透性，減少滲流量，提高抗?jié)B性能，降低孔隙壓力。其質(zhì)量檢查，是以檢查孔壓水試驗成果，結(jié)合對竣工資料和測試成果的分析綜合評定。

在灌漿試驗前，按照相關(guān)規(guī)范和工程設(shè)計要求，首先要進(jìn)行先導(dǎo)孔的壓水試驗。壓力試驗是最常用的在鉆孔內(nèi)進(jìn)行的巖體原位滲透試驗，主要用于評價巖體的滲透特征(透水率大小及其在不同壓力下的變化趨勢)，并作為滲控設(shè)計的基本依據(jù)，以此判斷巖層的透水率是否滿足設(shè)計要求，與先期完成的勘察成果進(jìn)行對比，確定是否需要修改原設(shè)計方案。因此，施工期先導(dǎo)孔壓水試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性就更加重要。

1 事例

某水庫擴(kuò)建工程，根據(jù)已經(jīng)完成的勘察成果資料，擬建壩址區(qū)第四系沖洪積層、殘坡積層總厚度4.2～12.5 m，下部為全—弱風(fēng)化巖。其中弱風(fēng)化巖最大埋深37.3 m，上部透水率 3～13.6 Lu，下部 ＜3 Lu 。設(shè)計防滲方案采用砼防滲墻下設(shè)水泥灌漿防滲帷幕的方法，防滲墻底面最深達(dá)現(xiàn)狀地面以下38 m，其下10 m設(shè)防滲帷幕。

壩址勘察期間，對樁號1BM+201段埋深40～45 m段弱風(fēng)化砂巖，采用《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》(SL31—2003)［1］中的“三級壓力、五個階段”的壓水試驗方法進(jìn)行該段巖體的透水率測試，管路及壓力表的連接如圖1，測得透水率為1.1～5.2 Lu。

施工方在完成了該段0～40 m深度的防滲墻的施工后，根據(jù)設(shè)計要求擬進(jìn)行墻下帷幕灌漿。在進(jìn)行灌漿前，進(jìn)行了先導(dǎo)孔的壓水試驗，管線及壓力表的安裝如圖2，初測巖體的透水率是244.6.Lu，同時距孔口5 m處地面有冒漿現(xiàn)象。經(jīng)10次灌漿后測得透水率為2.1 Lu(表 1)。

在另一壩段，深度57.7～62.7 m為弱風(fēng)化砂巖。施工方采用相同方法做先導(dǎo)孔的壓水試驗，測得巖體透水率為12.1 Lu，為勘察時測值的6倍。類似的情況還多次發(fā)生。

2 疑問

為何相同的巖體，采取不同的試驗方法所測得的透水率會產(chǎn)生如此大的差別?

表1 樁號1BM+201段壓水試驗結(jié)果記錄表Table1 Descriptive chart of water pressure testing results of 1BM+201 section

圖2 施工期壓水試驗方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of water pressure testing method in construction period

根據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5148—2012)［2］附錄 B“灌漿工程壓水試驗”要求，灌漿工程壓水試驗成果按以下公式計算:

式中:q為透水率，Lu;Q為壓入流量，L/min;P為作用于試段內(nèi)的全壓力，MPa;L為試段長度，m。

當(dāng)壓力表安設(shè)在孔口處的進(jìn)水管上，按式(2)計算壓水試驗壓力;壓力表安設(shè)在孔口處的回水管上，按式(3)計算壓水試驗壓力。

式中:S為作用于試段內(nèi)的全壓力，MPa;S1為壓力表指示壓力，MPa;S2為壓力表中心至壓力起算零線的水柱壓力，MPa;Sf、S'f為壓力損失，MPa;一般情況下忽略不計。所以兩種情況下，均以S=S1+S2式計算。

據(jù)此式分析，在同一個鉆孔、同一個試段，當(dāng)進(jìn)、回管的壓力表安裝高度相同(即S2相同)時，其S1(即壓力表讀數(shù))是相同的。

疑問:①壓力表安裝在回水管是否合理;②壓力損失是否可以忽略不計。

3 現(xiàn)場試驗

為解答上述疑問，原勘察單位與施工單位共同在現(xiàn)場進(jìn)行了以下試驗。

3.1 試驗1

仍采用圖2的管路連接方法，所不同的是，在進(jìn)水管上距孔口約20 m處加裝了1個壓力表，壓力表至孔底的距離為68 m(孔深48 m)。回水管上的壓力表安裝在距孔口40 m的位置，進(jìn)、回水管壓力表距地面同是0.7 m，回水管全長88 m，內(nèi)徑2.5 cm(照片1)。照片2中，左側(cè)為安裝在回水管上的壓力表，右側(cè)為安裝在進(jìn)水管上的壓力表，同時讀數(shù)相差1.2～1.4 MPa。

照片1 壓水試驗現(xiàn)場Photo1 Water pressure testing field

照片2 回、進(jìn)水管壓力表試驗現(xiàn)場實拍圖Photo 2 Photos of testing field of pressure meter of intake pipe and return pipe

通過調(diào)節(jié)流量來調(diào)節(jié)進(jìn)、出水管的壓力，試驗結(jié)果如表2:

表2 試驗1檢測結(jié)果記錄表Table2 Descriptive chart of detection results of test 1

從表2可看出，當(dāng)進(jìn)水管壓力為1.2 MPa時，出水管的壓力仍為0。調(diào)節(jié)出水管流量，其流量減小時，出水管壓力表才有壓力，并隨流量的減小而增大，但仍比進(jìn)水管小3～6倍。

3.2 試驗2

管線的連接方法與圖2相同，進(jìn)水管壓力表仍安裝在原處，所不同的是回水管的壓力表安裝在距孔口20 m處，距孔底68 m。測試結(jié)果見表3:

表3 試驗2檢測結(jié)果記錄表Table3 Descriptive chart of detection results of test 2

出水管壓力表的讀數(shù)比進(jìn)水管小0.6 ～0.9 MPa，但較表2差值減小。

3.3 試驗3

試驗地址選擇另一壩段，仍采用圖2的管路連接方法，進(jìn)水管壓力表安裝在孔口，回水管的壓力表安裝在距孔口4 m處，試驗段深度20～62.7 m(已完成灌漿并達(dá)到設(shè)計要求)，進(jìn)、出水管內(nèi)徑約1.5 cm，試驗結(jié)果見表4:

表4 試驗3檢測結(jié)果記錄表Table4 Descriptive chart of detection results of test 3

雖然該試驗段已完成灌漿，透水率已很小(0.17 Lu)，但進(jìn)、出水管壓力表數(shù)值仍有0.45 ～0.50 MPa的差值。

3.4 試驗4

試驗點選擇另一壩段，試驗段深度15.5～20.5 m(弱風(fēng)化砂巖)，進(jìn)、出水管內(nèi)徑1.5 cm，壓力表至距地面0.8 m，回水管壓力表距孔口16 m，進(jìn)水管壓力表上距孔口42 m，地下水位埋深18 m。試驗結(jié)果如表5:

表5 試驗4檢測結(jié)果記錄表Table5 Descriptive chart of detection results of test 4

照片3中，當(dāng)左側(cè)(遠(yuǎn)處)進(jìn)水管上壓力表數(shù)值已達(dá)1.3 MPa時，右側(cè)(近處)回水管上壓力表數(shù)值仍為0。

照片3 試驗4壓水試驗現(xiàn)場實拍圖Photo 3 Photo ofwater pressure testing field of test 4

3.5 試驗5

壓力表均安裝在回水管上，相距40 m，內(nèi)徑2.5 cm，通過調(diào)節(jié)回水管的流量觀測管路損失情況，結(jié)果如表6:

表6 試驗5檢測結(jié)果記錄表Table6 Descriptive chart of detection results of test 5

4 分析

上述完成的壓水試驗都具有以下共同特點:

(1)當(dāng)出水管壓力表數(shù)值顯示為0時，進(jìn)水管壓力表數(shù)值大部分已達(dá)1.0 MPa以上。

(2)出水管壓力表數(shù)值均較低，一般僅為進(jìn)水管壓力表數(shù)值的1/5～1/3。

(3)孔內(nèi)試驗段巖體吸水量越大、管內(nèi)水流速越快，則出水管壓力表數(shù)值與進(jìn)水管壓力表數(shù)值差就越大。

造成進(jìn)、出水管壓力值差有以下原因:

(1)管路損失。如表6，內(nèi)徑2.5 cm膠管，當(dāng)水流速2.34 m/s時，40 m長水平放置水管產(chǎn)生0.12 MPa的管路損失。流速越快，管路損失越大。

(2)試驗段吸水產(chǎn)生壓力釋放。水被壓入鉆孔后，絕大部分進(jìn)入巖層裂隙，產(chǎn)生較大的壓力釋放，只有少部分順回水管返回地面，由此產(chǎn)生較大的進(jìn)、出水管壓力差。因受多種因素影響，該數(shù)值很難確定。一般試驗段透水率越大，由此產(chǎn)生的差別也越大。如表4所示，完成灌漿后的試驗段透水率僅0.17 Lu，進(jìn)、出水管仍有0.5 MPa的差值，但較表2、表3的試驗結(jié)果都要小。

如果僅把回水管壓力表的數(shù)值(S1)和壓力表中心至壓力起算零線的水柱壓力(S2)作為計算試驗段透水率的全壓力值，而不考慮試驗段至回水管壓力表間所產(chǎn)生的壓力損失(S'f)，往往會造成實際灌漿壓力過大，灌漿段圍巖被劈裂，破壞其原巖結(jié)構(gòu)，達(dá)不到灌漿目的，甚至降低防滲效果。例如，在進(jìn)行某壩段42.7～47.2 m深度先導(dǎo)孔壓水試驗時，初測巖體透水率為21.6 Lu(最大壓力0.4 MPa)。完成第一次灌漿后測得透水率為10.7 Lu(最大壓力0.68 MPa);完成第二次灌漿后進(jìn)行壓水試驗，當(dāng)壓力增大到1 MPa時，測得試驗段吸水量迅速增大，5分鐘后壓力降為0，表明試驗段巖體被完全劈裂破壞，處于無壓狀態(tài)。

根據(jù)表1試驗記錄結(jié)果，“0”序次壓水試驗時最大壓力為0.06 MPa，距孔口5 m處地面有冒漿現(xiàn)象。地下40 m處水壓力為0.4 MPa，試驗時有漿從地面冒出，說明試驗段所承受的水壓力應(yīng)＞0.4 MPa。但從回水管壓力表記錄的壓力值僅0.06 MPa，與實際壓力值至少相差0.34 MPa，只有實際壓力的1/7。

5 結(jié)語

對水工建筑物進(jìn)行帷幕灌漿，作為檢測巖體透水率的先導(dǎo)孔，在進(jìn)行壓水試驗時，如管道內(nèi)的水處于靜止?fàn)顟B(tài)，則進(jìn)水管與出水管內(nèi)的水壓力值是相等的。但當(dāng)試驗段有水量損失時，其值是不等的，即進(jìn)水管的水壓力值大于出水管的水壓力值，水量損失越多，其差值越大。壓力表如安裝在孔口回水管上，所測壓力值比孔內(nèi)試驗段實際壓力小很多，因此計算出的透水率偏大。

目前，在水庫工程防滲帷幕灌漿先導(dǎo)孔的壓水試驗中，多采用上述這種“循環(huán)式”方法，其直接后果，是使原設(shè)計防滲線向下延伸，并由此增大工程投資。另一個后果，就是在灌漿過程中，由于采用過大的壓力，實際上是對圍巖進(jìn)行劈裂灌漿，從而破壞了原巖結(jié)構(gòu)，降低巖體的防滲性能。

建議在水工建筑物的壓水試驗中，當(dāng)壓力表安設(shè)在孔口處的回水管上時，壓力損失不應(yīng)忽略。先導(dǎo)孔的壓水試驗中，無論是單點法還是五點法，壓力表均應(yīng)安設(shè)在孔口進(jìn)水管上。

［1］ SL31—2003，水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程［S］.

［2］ DL/T 5148—2012，水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范［S］.