水文地質勘察中壓水試驗方法及存在的問題研究

李維欣

（1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省礦山地下水安全技術創新中心，河北 石家莊 050021）

工程建設以巖體為持力層時，開展水文地質勘察工作，查明建筑物基礎及其影響范圍內巖體的地下水賦存規律與水化學特征、裂隙發育程度、滲透性參數等對于保障建設工程的安全至關重要。據美國水利行業統計數據，大約40%的土石壩破壞主因是巖土體的滲透變形，在我國這一比例則高達60%[1]。近年來，隨著工程建設項目體量不斷增長，人們對巖體滲透性的研究也逐步深入，先后涌現出現場試驗法、幾何形態法、反演法等研究方法，并不斷完善。受巖體裂隙復雜性制約，巖體滲透性的理論研究上依然存在較多難題，指導實踐應用仍有較大誤差，因此現場壓水試驗法依然是測算巖體滲透性的主流方法之一。

1 壓水試驗方法與優缺點

（1）呂榮壓水試驗。呂榮壓水試驗法是法國科學家Lugeon于1933年在估計壩基巖體穩定性時提出的，并經歷了漫長的發展過程。其操作過程為，在完成試驗段清水鉆進后，對鉆孔進行充分清洗，然后下入止水栓塞將試驗段與其余孔段隔離，測量到鉆孔內地下水的穩定水位，然后用不同的壓力向試驗段送水，通過壓力測量計、水流量測量計測定各階段的壓力值及流量值，以此計算出巖體的透水率[2]。目前，我國規范通用三級壓力五個階段的五點法（即P1→ P2→ P3→ P4（=P2）→ P5（=P3），P1＜P2＜P3）進行試驗，試驗段透水率采用第三階段的壓力值（一般為1MPa）和流量值來計算，其物理意義為試驗段壓力為1MPa時，每米試驗段的壓入水流量（L/min）[3]。呂榮壓水試驗法具有原理簡單、操作方便、適用范圍廣等優點，是當今世界各國普遍采用的常規性壓水試驗方法。但同時也存在一些不足之處，首先，該試驗對于操作精度具有較高的要求，實踐過程中，受洗井質量、止水栓塞的止水效果、地下水水位測量精度、管內壓力損耗等因素影響，試驗結果可能出現較大誤差。其次，該方法不適用于地下水水位埋深過大或水頭過高的水文地質背景。另外，該方法的原理是將裂隙發育的巖體等效為一個各向異性的多孔介質，但現實中，這種典型單元體是不存在的，其理論基礎仍需完善。

（2）三段壓水試驗。三段壓水試驗法是Louis和Maini于1972年利用室內物理模型試驗測定巖體中一條裂隙滲透性時提出的，其原理是單組裂隙內的水流方向是平行于裂隙面的二維流，用壓水試驗可準確測量該單組裂隙的滲透系數。通過多次試驗，分別獲得各組裂隙的滲透系數，將各組裂隙的滲透系數依據各組裂隙產狀進行矢量計算，就能夠獲得巖體的總滲透系數[4]。三段壓水試驗理論簡單，能夠準確獲取單組裂隙的滲透系數，在裂隙小于3組的地區較為實用。其缺點主要表現在試驗設備需特制、費用昂貴，難點在于研究某單組裂隙滲透性時，如何有效地排除其它裂隙組的影響，尤其是在裂隙密集區域，該試驗的應用有較大限制。

（3）交叉孔壓水試驗。交叉孔壓水試驗法是Hsieh和Neuma于1985年為計算各向異性的基巖裂隙含水層的滲透性而提出的[5]。該方法實施時，先打三口鉆孔，選擇其中一口鉆孔下入止水栓塞將試驗段同其余孔段隔離開，然后向試驗段注水，同時對其余兩口鉆孔的觀測段的進行水頭監測，經過多次分段試驗和注水監測交叉試驗，采用理論公式計算即可得到試驗段巖體的綜合滲透系數。交叉孔壓水試驗設備簡單，試驗前不要求預先調查掌握巖體的裂隙發育特征，鉆孔方向的布置亦無要求。缺點是其理論復雜，計算較為繁瑣。

2 呂榮壓水試驗常見問題及應對措施

自Lugeon于1933年首先提出呂榮壓水試驗方法以來，國內外在壓水試驗理論研究與方法創新上經歷了較大的變革，三段壓水試驗法、交叉孔壓水試驗法、高壓壓水試驗法等方法相繼涌現，同時，不同試驗方法的試驗設備也在向智能化、信息化等方面逐步改進。目前，我國工程界壓水試驗的主流方法依然是呂榮壓水試驗法，下面將近年來在利用呂榮壓水試驗方法工作過程中遇到的常見問題及應對措施進行分析闡述。

（1）單栓塞與雙栓塞的選擇問題。單栓塞止水優點是通過觀測水位變化就可直接判斷栓塞的止水效果，能克服孔壁不平整，便于質量控制；缺點是需分段成孔，鉆進過程和壓水試驗交替進行，試驗時間較長、鉆進過程較慢。雙栓塞止水優點是一次成孔分段試驗，試驗耗時較短，缺點是下栓塞的止水效果難以判斷、裂隙易被巖屑堵塞。通常情況下，多選擇雙栓塞，但對于地層與裂隙較復雜的試驗段宜選用單栓塞，并應著重控制下鉆速度與栓塞提升速度。

（2）加壓設備的選擇問題。目前一般宜選用電動離心泵，以保障壓力的平穩性。但對于基巖滲透系數較大、電動離心泵難以達到設計的最大壓力值時，可選用往復式水泵，選用往復式水泵時單個壓力的持續時間宜進行適當延長，以保證壓力穩定在該試驗值，同時，針對其存在壓力不穩的問題，應增設調壓器裝置。

（3）最大壓力的選擇問題。向基巖裂隙中壓水會改變裂隙的狀態，從而影響裂隙的滲透性，如果最大壓力選取不合適，會導致裂隙滲透性發生不可逆的改變。因此，最大壓力的選擇往往需要綜合考慮試驗段基巖物理力學特性與埋深情況，根據以往經驗，對于基巖強度較低的工況，埋深小于15m時取0.3MPa；埋深介于15m～30m時取0.6MPa；埋深大于30m時取1MPa。

3 結論

（1）壓水試驗法是當今測算巖體滲透性的主流方法，隨著技術的不斷進步，先后發展出呂榮壓水試驗法、三段壓水試驗法、交叉孔壓水試驗法、高壓壓水試驗法等方法。其中，呂榮壓水試驗法原理簡單、操作方便、適用范圍較廣，但其操作精度要求較高，不適用于地下水水位埋深過大或水頭過高的水文地質背景；三段壓水試驗法理論簡單，測量少于3組裂隙的滲透系數時數據更準確；交叉孔壓水試驗法設備簡單、鉆孔布設簡單，但理論復雜，計算繁瑣。

（2）呂榮壓水試驗法是我國工程界選擇的主流壓水試驗方法，由于其對操作精度具有較高要求，實踐中常常在單栓塞與雙栓塞的選擇上、加壓設備的選擇上以及最大壓力的選擇上存在一定的難題，應根據現場工況及工程地質、水文地質條件選擇適宜的試驗設備及試驗值，以此提高試驗精度，獲得相對較為準確的滲透性參數。