水利檢測工作中壓水試驗淺析

陳攻明 廣東省水利水電科學研究院

1.引言

在水壩建設中，大部分巖石裂隙灌漿用于防滲，而不是對巖體進行某種形式的機械改良。因此，灌漿截止的主要驗收標準應該是某種類型的滲透性測試（以量化處理巖體的殘余滲透性），這通常稱為壓水試驗。此類測試在施工開始前描述現場特征以及在施工期間監測和控制工作強度方面也具有同等價值。

巖石壓水試驗包括向巖體鉆孔加壓注水，并記錄施加壓力下測得的水流量。鉆孔被離散成多個層段或階段，通過使用單封隔器或雙封隔器進行隔離。壓水測試通常在已鉆至全設計深度的鉆孔中以“反向”方式進行。在這種情況下，可使用單封隔器測試底部級，使用雙封隔器組件測試底部級以上的級，雙封隔器組件由兩個封隔器組成，兩個封隔器通過中心穿孔管連接。

2.滲透率和呂榮值

壓水試驗期間記錄的測量數據和觀測值用于計算水位的滲透性。重要的是對“滲透性”一詞的使用進行限定和澄清。術語“滲透性”和“水力傳導率”更準確地應用于土壤，這些土壤通常包含相對規則的孔隙網絡，允許流體均勻地通過土體傳輸。因此，考慮壓水試驗期間收集的數據反映巖體中不連續面的輸水能力更為準確。雖然筆者指出這一區別是一個需要認識的重要概念，但本文中使用的術語“滲透性”是指巖體不連續面的平均透過率。

圖1 不同深度的呂榮試驗的最高壓力

法國地質學家呂榮在1933年開發了一種基于在鉆孔離散間隔內進行的壓水試驗來量化巖石滲透性的方法。該方法產生了一個滲透率單位，稱為呂榮（Lu）。1Lu定義為10bar在的高壓下，流入長度為1米的水試驗階段的水流量為每分鐘1升。這可以更清楚地理解為：

相關研究指出，該方法最初由法國地質學家呂榮設計用于測量水井流入量，最初選擇用于模擬當時阿爾卑斯大壩產生的水頭10bar的施加壓力對于較淺的灌漿項目來說過高。應用壓力（P）、流體流量（Q）和級長度（LS）的調整可能不同于呂榮方法中的單位值，在以下修正呂榮公式（LuMod）中進行說明：

壓水試驗階段的長度也可能對呂榮值產生誤導性影響。行業標準中，水試驗期間測得的流量可能僅通過幾個不連續面通過巖體傳輸，由此計算的呂榮值可能無法準確表示地層的滲透率。如果鉆孔和測試數據表明存在較大的不連續性，工程人員可能希望指定在鉆孔中使用縮短的階段長度進行測試的選項。

3.壓水試驗實踐

鉆孔間隔中的裂縫行為可以通過對鉆孔間隔施加一系列有效壓力的試驗來解釋。該系列中每個壓力步驟的LuMod可以表征裂縫的相對數量和尺寸、最大設計壓力的適用性以及裂縫中填充顆粒被加壓流移動和攜帶的趨勢。進一步試驗的另一種替代方法是單壓力試驗，其中一個壓力施加一段短時間。單次壓力測試通常可以節省時間和成本，但對測試結果的進一步解釋是有限的。筆者建議工程人員根據項目約束，為生產孔指定階梯式和單一壓力試驗的組合，并將階梯式壓力試驗指定為主要孔和驗證孔的最低要求。

確定壓水試驗結果和灌漿之間趨勢的能力在很大程度上取決于用于執行壓水試驗和灌漿的設備和方法之間的一致性。必須使用相同類型和尺寸的設備，以使工作人員更專注于執行工作，而不是為每項活動使用正確的設備。階段長度和應用的有效壓力范圍是方法的兩個要素，對數值結果和地層響應有較大影響。盡管在壓水試驗和灌漿期間施加的有效壓力會隨時間的不同而變化，但在壓水試驗期間收集的數據為灌漿人員提供了有關地層如何響應規定壓力范圍的見解。此外，壓水測試地層響應和灌漿性能之間的趨勢（通常在許多孔完工后確定）允許灌漿工及時決定切換灌漿混合料。與灌漿相比，使用不同壓力進行壓水試驗會妨礙識別此類趨勢的能力，從而降低灌漿程序的效率。除非能夠評估一組離散裂縫對試水和灌漿的響應，否則無法確定水和灌漿性能之間的趨勢和差異。筆者建議，為壓水測試選擇的階段間隔在鉆孔中的長度和位置與后續灌漿階段應一致。

4.案例分析

新豐江大壩是一個小型混凝土重力結構，用于儲存河源市的生產生活用水。2013年末，為了應對報告的大壩右壩肩上游漩渦和從大壩下游右岸流出的滲流，在大壩右壩肩安裝了兩排灌漿帷幕。一套III型水泥穩定灌漿用于建造帷幕，最薄的灌漿混合物的馬什粘度為40秒。初始主孔（PP）安裝間距為20米，主（P）孔安裝在PP孔之間，次（S）孔安裝在PP和P孔之間。在安裝相鄰的孔組之前，對每個孔組進行鉆孔、壓水測試和灌漿，并在對上游孔組進行灌漿之前，對下游孔組進行灌漿直至關閉。下游排需要PP、P和S孔，上游排需要PP和P孔。根據試水和灌漿的結果安裝了額外的孔。在下游路權灌漿期間，觀察到一些不良適應性問題的跡象。然而，由于觀測到的LuMod值和灌漿量似乎受非常小或非常大的孔徑的影響，并且由于觀測到LuMod的總體下降趨勢，因此未對混合料進行任何更改。隨著上游排灌漿的開始，水試驗和灌漿數據表明，一些中等大小的孔仍然敞開，最薄的灌漿混合物可能無法穿透這些孔。圖2顯示了在觀察到取水的階段計算的LuMod和LuApp值之間的比較。

LuMod值超過100的兩個上游PP階段的適用性不受關注，因為使用III型水泥灌漿時，各階段的灌漿量較大。然而，當一個上游PP階段和第一個上游P階段產生的LuMod分別為91和73，并且隨后在使用III型水泥灌漿時產生的LuApp分別為1和9時，阻礙適應性問題變得明顯。項目團隊討論了觀察到的試水和灌漿之間的差異，并決定使用微細粒灌漿以提高工程質量。經項目業主同意，開發了一種微細粒灌漿，其沼澤粘度為32秒，用于灌漿剩余的上游孔。圖2中完美適應性線附近顯示的上游P級和S級在改為微細粒灌漿后立即灌漿。在剩余上游P級和S級以及驗證孔中收集的數據表明，使用微細粒灌漿可將殘余LuMod減少至不小于20-30 Lu。現場周圍的裸露挖掘揭示了局部的粉砂袋，展示了不可溶解石灰巖地層的殘余結構，大壩是在該地層上修建的。研究小組得出結論，在右橋臺可能存在類似的粉砂層，只有非顆粒流體才能穿透。盡管局部殘余LuMod值較高，但之前在下游右岸觀察到的滲流不再可見，此后沒有進一步的漩渦報告，項目業主對結果感到滿意。

圖2 新豐江大壩壓水試驗和灌漿呂榮值比較

5.減少壓水試驗中數據的誤差

壓水測試程序、設備和輸入變量會影響水測試結果的質量。通過觀察實時數據收集的經驗和對所用設備的操作知識以及測試背后的工程原理，可以減少測試數據中的錯誤。

灌漿/測試軟管中的滯留空氣可能會在流量計和壓力傳感器等儀器中產生誤差。空氣最初存在于系統中，當封隔器未浸沒或設備發生泄漏時，空氣可進入系統。測試前，可以通過系統泵送水來凈化空氣。至少應泵送軟管的理論體積。如果封隔器在斷裂帶中充氣，水可以在封隔器周圍流動，并沿鉆孔向上流動。這可以通過孔中的水流或水位上升來識別。封隔器可在鉆孔中上下移動，直到達到良好密封。

6.總結

壓水測試通常作為巖石灌漿計劃的一部分進行，但可能未得到充分利用。灌漿程序的質量和效率可受益于適當規定和執行的水試驗，尤其是在與灌漿一致的情況下。隨著灌漿行業的發展，灌漿專業人員應利用技術和方法的進步，同時加強經驗豐富人員的價值。壓水試驗是巖石灌漿計劃的重要組成部分，通過壓水試驗我們可以在整體上把控水利工程的建設質量，在現有基礎上應持續改進壓水試驗的工藝，以便更好地服務于水利工程。