壓水試驗在工程巖體透水性評價中的應用

王丹微，龐大鵬，喬艷紅

(1.吉林建筑大學，吉林 長春 130118;2.東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130033；3.廊坊師范學院，河北 廊坊 065000)

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壓水試驗在工程巖體透水性評價中的應用

王丹微1，龐大鵬2，喬艷紅3

(1.吉林建筑大學，吉林 長春 130118;2.東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130033；3.廊坊師范學院，河北 廊坊 065000)

在核電工程的可行性研究階段，客觀準確評價工程巖體穩定性極為必要。巖土工程勘察中，在了解場地基本工程地質條件基礎上，分別對3個待選廠址中一定數量的鉆孔內巖體進行了壓水試驗，計算出各試驗段的巖體透水性指標,得出壓水試驗曲線，確定巖體的透水性等級。通過對3個待選廠址區內4個鉆孔內壓水試驗數據結果進行綜合分析，得出了巖體透水性相對較弱的廠址，為可行性研究階段的巖土工程勘察提供依據。

壓水試驗；巖體透水性;核電廠選址

0 引言

在土木工程建設中，巖體、土體及地下水作為主要地質體，其重要性不言而喻。巖體、土體是各類土木工程構筑物的地基及介質環境，而地下水的水質及滲透性也會影響到土木工程的諸多方面。因此，必須對巖體、土體的穩定性及地下水的特性進行全面準確地評價。

對于大型土木工程構筑物，如核電工程，巖體地基的穩定性及地下水的滲流特征會直接決定最終工程構筑物的安全性。為了對上述穩定性問題進行分析，有必要選取適合一系列巖土工程原位測試的方法進行試驗。在評價工程巖體穩定性及地下水滲透特征方面，壓水試驗是一種比較適宜的方法。通過該試驗，可對工程建設范圍內巖體的單位吸水率、透水率及滲透系數進行測試，進而取得工程巖體中節理張開度及巖體的滲透系數等定量參數，并獲得裂隙充填物特征[1]。在此基礎上，為核電工程最優場址的選擇提供依據。

1 壓水試驗

1.1 基本原理

在壓水試驗中，一般運用氣囊法，該氣囊也稱為止水栓塞。將止水栓塞放入鉆孔內，此時試驗段將被氣囊隔離。運用鉆機及活塞式復泵將巖體裂隙中的地下水吸入試驗段，在此基礎上，可利用地面的外接量測設備得出在不同水壓力作用下壓入巖體節理中的水量。測試結束后，可進一步計算出巖體的透水率和滲透系數等指標[2]。

1.2 試驗設備及方法

1.2.1 試驗設備

在壓水試驗過程中，主要需要的設備有止水栓塞即氣囊，供水設備(一般采用BW-150型活塞式往復泵，其最大流量為150L/min，最大壓力為1.8MPa)，量測設備(主要包括壓力表、水表、測鐘、萬用表電測水位計等)。

1.2.2 試驗方法

壓水試驗應按照相關規范進行試驗操作，如《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》(SL31-2003)和《水利水電工程地質勘察規范》(50287-99)[3]。具體試驗步驟如下。

(1)清洗鉆孔。一般運用壓水法，清孔的深度應延伸至孔底，清洗鉆孔的流量應為試驗水泵的最大出力。

(2)仔細檢查試驗設備及儀表是否滿足試驗要求，質量是否合格，將各部分連接。

(3)試驗設備連接好之后，首先觀測鉆孔內的初見水位，然后將止水栓塞下放至鉆孔試驗段，其中隔離段長度為5m左右。在此基礎上，再次觀測鉆孔內水位，水位需每隔5min觀測一次，在水位變化過程中，若水位的下降速度連續兩次均小于5cm/min，可將該出的水位深度作為水壓力的起始計算點。

(4)運用相關設備將水注入試驗段，并觀測水位變化。在試驗過程中，應嚴格將進入巖體裂隙的水壓力控制在5個壓力值等級，5個壓力值依次為0.30MPa、0.60MPa、1.00MPa、0.60MPa、0.30MPa。在試驗壓力達到指定壓力值后，保持5-10min，即可測得不同水壓力下進入巖體裂隙的水量。

2 某核電工程壓水試驗結果及分析

以某核電工程可行性研究階段的巖土工程勘察為例，進行了3個待選廠址的巖體壓水試驗。具體試驗的巖性特征為：(1)點將臺廠址，花崗巖強風化和中等風化；(2)松江廠址，花崗巖強風化；(3)四方山廠址，玄武巖強風化和微風化。

2.1 計算步驟

壓水試驗過程中，按以下計算公式計算試驗壓力[4]：

P=Pp+Pz-Ps

(1)

式中：P——試驗壓力(MPa)；Pp——壓力表壓力(MPa)；Pz——壓力表中心壓力計算零線的水柱壓力(MPa)；Ps——管路壓力損失(MPa)。

根據式(2),(3)可計算巖體的透水率和滲透系數：

(2)

(3)

式中：q——試驗段透水率(Lu)；K——巖體的滲透系數(cm/s)；L——試驗段長度(m)；P——試驗壓力階段的壓力，即為該階段最大壓力值(MPa)；Q——試驗壓力階段的壓入流量，即為該階段最大流量值(L/min)；H——試驗水頭(m)；r——鉆孔半徑(m)。

2.2 試驗成果分析

2.2.1 壓水試驗計算成果

在對3個待選廠址區的巖體進行壓水試驗后，得出3個廠址中4個鉆孔內的壓水試驗結果，即透水率、滲透系數、透水性等級。具體試驗結果如表1所示，其中，編號為DJ2代表點將臺廠址2號鉆孔，編號DJ6代表點將臺廠址6號鉆孔，編號SJ1代表松江廠址1號鉆孔，編號SF5代表四方山廠址的5號鉆孔。在對壓水試驗數據分析基礎上，得出了各鉆孔的P-Q曲線，如圖1-圖4所示。

表1 壓水試驗成果表

2.2.2 試驗結果分析

通過對表1中的數據及圖1-圖4中P-Q曲線的分析可知，點將臺廠址的花崗巖中風化段透水性為中等透水，滲透系數為1.094×10-4～1.272×10-4cm/s，結合鉆孔資料，可知巖芯較破碎，節理裂隙發育。松江廠址的花崗巖強風化段透水性為中等透水，滲透系數為1.101×10-4cm/s，結合鉆孔資料可知，巖芯較破碎，節理裂隙發育。四方山廠址的花崗巖中等風化段巖體透水性為弱透水：滲透系數分別為1.219×10-4cm/s，結合鉆孔資料可知，巖芯較破碎，節理裂隙發育；微風化段巖體的滲透系數為5.315×10-5cm/s，結合鉆孔資料可知，巖芯較破碎，節理較發育。

依據對上述計算結果及曲線的分析可知，在3個待選廠址中，巖體結構面均較發育，滲透系數差距不大，但從巖體透水性上看，四方山廠址的巖體透水性屬弱透水性，巖體性質略優于其他兩個廠址。

3 結論

(1)作為一種巖土工程原位測試手段，壓水試驗操作簡便，試驗數據較為客觀，因此，可將該試驗更多地應用到工程巖體穩定性評價中。

(2)在大型土木工程建設中，如核電工程、水利水電工程的可行性研究階段，準確地評價待選場地的巖土工程性質是極為必要的。在該階段的巖土工程勘察中，主要應通過適宜的巖土工程測試手段，選取適宜的場地。

(3)通過壓水試驗，得出該擬建核電工程3個待選廠址的巖體透水率、滲透系數及透水性等級，為最優廠址的選擇提供了有力依據。

[1] 李金軒，余修日.巖石力學與工程學報[J].2004，23(9):1476-1480.

[2] 殷黎明，楊春和，羅超文，等.高壓壓水試驗在深鉆孔中的應用[J].巖土力學，2005,26(10)：1692-1694.

[3] 王錦國，周志芳，黃勇.基于壓水試驗資料的巖體透水性分形特征研究[J].巖石力學與工程學報，2003,22(4)：562-565.

[4] 周敏，王忠福，張旭柱.高壓壓水試驗在呼和浩特抽水蓄能電站中的應用[J].工程勘察，2011,39(8)：55-59.

Application of Water Pressure Tests tothe Permeability Evaluation of Engineering Rock Mass

WANGDan-wei1,PANGDa-peng2,QIAOYan-hong3

(1.JilinJianzhuUniversity，Changchun130118，China;2.NortheastElectricPowerDesignInstituteCO.,Ltd，Changchun130033,China;3.LangfangTeachersUniversity,Langfang065000,China)

In the feasibility stage of the nuclear power engineering, it is very important to evaluate the stability of the engineering rock mass. In the process of geotechnical engineering investigation, water pressure tests have been done based on the engineering geological conditions. The tests were finished in the boreholes of 3 waiting selecting plant sites. The permeability indexes of the rock mass and water pressure curves have been obtained, and then, the grades of permeability of rock mass have also been determined. By analyzing the data of the tests, the plant site with low permeability has been chosen. In this way, the important parameters of the permeability properties were provided for the geotechnical investigation.

water pressure test; permeability of engineering rock mass; site selection of nuclear power plant

2017-02-25

王丹微(1982-)，女，工學碩士，吉林建筑大學測繪與勘查學院講師，研究方向：巖土工程。

TU195

A

1674-3229(2017)02-0073-03