淺談國際工程中鉆孔壓水實驗結果分析方法

張寶紅

（中國水利水電第十一工程局，河南 鄭州 450001）

0 引言

鉆孔壓水實驗常用來檢測圍巖及地基的滲透性能，具有準確直觀的特點，是地質勘探作業中常用的檢驗試驗方法。我國的壓水實驗規范在術語、解釋、原理及方法儀器方面，一直是與國際上的做法基本相同的。但在試驗結果處理方面，根據我國工程實踐特點，做了較大修改，這對實驗結果處理和整理資料方面，起促進作用。但是如果到了國外，則與國外同行們的成果上存著較大差異，無論是在取值范圍、判斷結論上均存在著很大不同。為了弄清楚這個問題，有必要仔細研究這個問題，利于在工作中更好地溝通。

1 我國目前采用的主要方法

我國目前在水利工程中主要以水利部《水利工程鉆孔壓水試驗規程》規定的主要方法為參考。鉆孔壓水試驗主要采用三個壓力值和五個檢測階段進行，即p1-p2-p3-p4（=p2）-p5（=p1）（p1＜p2＜p3）。如果不加說明p1、p2、p3三級壓力可以采用0.3MPa，0.6MPa直至1.0MPa，通常在單獨一個壓力階段記錄若干個檢測數據，每1min 記錄一個流量，當連續四個流量達到現行標準中有關流量穩定的要求（5 次計數的相對流量差不大于10%，或絕對差不大于1L/min），即可進行下一級壓力的試驗，試驗段長一般取5m 一段。為準確記錄瞬間流量及壓力，方便壓水試驗資料整理，目前現場均采用自動灌漿記錄儀來記錄流量與壓力，試驗完成以后，由自動記錄儀采集數據并繪制壓力-流量曲線，人們根據曲線形狀判斷孔內裂隙分布情況。規范認為鉆孔內的水流形態可以分為層流型、紊流型、擴張型、沖蝕型和充填型也就是人們常說的A、B、C、D、E 五種形態。

鉆孔內的透水率是采用式（1）進行統一計算：

以上為我國規范主要內容，從中不難看出，計算的透水率值僅與第三階段壓力及流量有關，與孔內水流形態及裂隙分布其實并不存在任何關系。而正是這一特點使得我們的分析結果與國外同行的結果之間存在較大區別，結論也自然不同。

2 國際上通用處理方法

目前國際上多數做法是依據地質學家豪斯比的研究成果《呂榮壓水試驗的常規解釋》這一篇論文中提出的處理原則進行資料整理。他認為壓水試驗結果的代表值應根據水壓-透水率分布規律圖并綜合考慮裂隙內的水流形態后而綜合確定。

2.1 利用壓力和透水率柱狀圖進行綜合分析判斷

這種方法是將壓力圖形與呂容圖放在一起進行比較，根據不同階段的壓力展現出來的呂容值圖形，將孔內的裂隙情況分成五種。

（1）在三壓力五階段試驗過程中，不同水壓階段下呂容值大致相當，則選取各個階段的呂容值的平均值作為該孔透水率的代表值。這種情況下，孔內水流為A 型層流，在整個試驗期間，巖石裂隙狀態沒有發生任何變化。水壓升高或降低不會影響巖石的裂隙，也不會大幅改變透水率。一般發生在堅硬巖石中且有微小完整的裂隙，透水率一般都很小（一般情況下超過4 個呂容值）。

（2）在三壓力五階段試驗過程中，隨著水壓升高呂容值逐漸降低，最大水壓時呂容值最小，當壓水試驗從峰值逐漸降低時，呂容值又逐漸升高或恢復原樣。則取最高水壓階段的呂容值即第三階段為該孔透水率的代表值。這種情況為B 型紊流，這可以解釋為，圍巖堅硬且內部裂隙多為中寬裂隙、較為發育。隨著水壓升高，流量也在增長，但是流量增加的幅度小于水壓增長的幅度，表現在透水率上，則為計算出的呂容值在減小。這種情況的圍巖透水率數值都偏大（一般約為20～50Lu），即使取第三階段的最小值，數值也很大（約20～30Lu）。因此取第三階段的透水率值為代表值足以說明巖石的滲透性能。在實際試驗中也的確如此，出現這種水流狀態下的呂容值都很大。

（3）在三壓力五階段試驗過程中，不同水壓時呂容值各不相同，最大水壓時呂容值最大。則取最小的呂容值作為該孔透水率的代表值（從1、2、4、5 階段中取較小值）。滲流狀態為C 型擴張型，試驗時表現為當水壓達到某一值之后，鉆孔內的吃水量突然增大，在這個壓力作用下裂隙狀態發生了突然變化，相應的鉆孔透水率也突然增大，但是這種增大過程是短暫、可恢復的，隨著水流壓力逐漸降低，裂隙又彌合到原來狀態，呈現一種彈性的狀態。這種情況下，不可取峰值而應取小值作為代表值，這也符合巖石的實際透水性能。

（4）在三壓力五階段試驗過程中，隨著水壓實驗段進展，呂容值逐漸增大不見減小的跡象。則取最大呂容值作為該孔透水率的代表值即第五階段為代表值。從圖形上判斷為沖蝕型，表現在試驗過程中，在某一個水流壓力過程中，鉆孔吃水量突然間變化劇烈，并且在以后的壓力階段，流量變得越來越大，一直到工程實驗結束。說明在水流壓力作用下鉆孔內的裂隙狀態發生了本質改變，這種改化是永久性的、不能恢復的。并且吸水量變大而且不能恢復原樣，說明裂隙中的沉積物及填充物被水流沖蝕、移動。這種情況下，應取最終值作為此孔的代表值，很有說服力。

（5）在三壓力五階段試驗過程中，隨著水壓測試進展，呂容值逐漸降低。則取最終階段（即第五階段）的呂容值作為該孔透水率的代表值。從圖形上判斷為充填型，表現在試驗期間鉆孔內的裂隙發生大的變化，圍巖的透水率逐漸變小，這種減小多數情況下是由于圍巖的裂隙被堵塞而造成的。此時內部裂隙完全處于封閉狀態，當外部水流將圍巖固有裂隙充滿后，流量也就逐漸減小，只至基本為零。說明圍巖的裂隙狀態徹底發生改變，這種情況下，應取最終值作為此孔的代表值。

因此可以看出，上述五種壓水試驗的過程，基本上就將圍巖的透水率情況描述清楚了，對應于不同情況，可以分別計算相應的透水率。

2.2 利用單位段長流量及壓力環形（）圖進行綜合分析判斷

這是一種圖形方法，理論上認為透水率（呂容值）可以表示為單位段長的流量值與壓力值的關系式。

當縱坐標表示為q/l，而橫坐標表示為p 時，則透水率Lu 就表示為該直線的斜率。斜率越大，呂容值越大，斜率越小，呂容值越小。

根據這個原理，則壓水實驗的每一階段的呂容值連線就可以表達為如圖1 單位流量-壓力流程圖所示的玫瑰花圖，在第一象限內從圓心連出的每一根直線上斜率相等，代表呂容值也均相等，相應的取值范圍及大小也作出相應的規定。

第一種情況，層流A，不同壓力階段呂容值大致相當，上升階段曲線與下降曲線基本重合，呂容值則取各個階段的呂容值的平均值作為代表值。

第二種情況：紊流B，隨著水壓增長呂容值逐漸降低，最大水壓時呂容值最小，上升階段曲線凸向Y 軸，下降階段曲線也凸向Y 軸，但在上升階段曲線下方。呂容值取最高水壓時的呂容值即第三階段值為代表值。

第三種情況：擴張型C，不同水壓時呂容值各不相同，最大水壓力時呂容值最大。上升階段曲線凸向X 軸，下降階段曲線凸向X 軸，但在上升曲線上方。鉆孔呂容值應取第1 階段或者第2 階段，第4 階段，第5 階段中的最小值為代表值。

第四種情況：沖蝕型D，隨著測試進展，呂容值逐漸增大。上升階段曲線凸向X 軸，下降階段曲線也凸向Y 軸，但在上升曲線上方。呂容值取最大呂容值作為代表值即第五階段。

第五種情況：充填型E，隨著測試進展，呂容值逐漸降低。上升階段曲線凸向Y 軸，下降階段曲線也凸向X 軸，但在上升曲線下方，呂容值取最后一個階段的檢測值為代表值。

圖1 單位流量-壓力流程

這個方法與我國規范中采用的P-Q 曲線近似，但又存在很大不同。

3 結束語

通過上述標準的對比分析，我們可以看出，采用國際上通行的圖解方法得出的結論可能更加細致直觀，與1933 年呂榮（M.Lugeon）提出的透水率基本概念是一致的，因此被目前國際絕大多數國家認可和采用一直延用至今。