梅閣水庫鉆孔常水頭注水試驗分析

周菊英

（江門市水利水電工程質量檢測站有限公司，廣東 江門 529000）

江門市新會區梅閣水庫于1958年興建，1965年建成投入使用，位于江門市新會區東南部沙堆鎮梅閣村，西江流域下游虎跳門水道右岸，受當時歷史條件的限制，設計標準低，施工質量差，工程運行多年存在較多的隱患[1-3]。為保障梅閣水庫的安全運行，需對水庫存在的安全隱患進行除險加固。在對水庫進行地質勘察時，采用鉆孔注水試驗求取巖土層滲透性指標。通過巖土層檢測結果來判斷其滲透級別，以便梅閣水庫管理單位可以根據地層巖土滲透結果制定相應的防滲方案。

1 工程地質概況

梅閣水庫位于新會區南部，屬珠江三角洲西南部低山丘陵區。水庫三面環山，山高多在200 m以下，山坡坡度多在20°～50°之間，全年植被茂盛，山坡基本上看不到較嚴重的坍塌現象，說明沖刷較弱，邊坡基本穩定。水庫區總體北高南低，呈長條形展布，東西兩側為低山斜坡，坡面傾向庫區，山坡表面零星出露弱～微風化花崗巖孤石。

根據1∶400萬幅《中國地震烈度區劃圖》（GB 18306-2001），工程區的地震動峰值加速度為0.10（地震基本烈度為Ⅶ度），地震動反應譜特征周期為0.35 s。工程區內分布的砂土層需進行振動液化判別。

工程區屬亞熱帶海洋性季風氣候區，溫暖潮濕，雨量充沛。地表水主要為水庫水和沖溝內的水。地表水和地下水的補給來源較豐富。地下水主要有賦存于第四系覆蓋層的孔隙中的潛水和基巖裂隙水。壩基砂層為主要含水層。壩體填筑土和殘積土層屬弱含水層。基巖完整性較差，節理較發育，但透水性相對較差，基巖裂隙富水性較差。本次試驗共檢測2個孔。

2 試驗前期準備

2.1 適用條件與儀器的選取

在對梅閣水庫進行地質勘察過程中應用鉆孔常水頭注水試驗，主要是為了測試地下土層的滲透系數，其適用于滲透性比較大的壤土、粉土、砂土和砂卵礫石層，或不能進行壓水試驗的風化、破碎巖體、斷層破碎帶等透水性較強的巖體。在鉆孔注水試驗中，一般供水設備會采用水箱、水泵；測量設備需要用到水表、量桶、瞬時流量計、秒表以及米尺等；止水設備需要采用到栓套、套管；水位計采用電測水位計。而本次試驗采用的儀器有5000 mL量筒、0～50 m卷尺、0～5.5 m卷尺、XMT-E8065防雷水位控制儀等，具體見圖1。

2.2 成孔情況

根據現場測定，各檢測孔的成孔情況見表1。

表1 檢測孔的有關成孔情況

2.3 試驗原理

常水頭注水試驗（見圖1）也就是通過鉆孔向試段注水，使水頭（H）量保持一定的高度，從而測出穩定時的注水流量（Q），以及測滲入土層的水量，一般注水時長在2 h以上，根據最后一次穩定注水流量，按不同條件下相應的計算公式確定巖土層滲透系數K值。試驗過程如下：①鉆孔套管下到孔底，孔底出流進行常水頭注水試驗；②等形成穩定流，水頭底出流進行常水頭注水試驗；②等形成穩定流，水頭l cm～5 cm）；③保持水量不變，等再次形成穩定流，水頭和水量重新平衡時，測量水頭上升高度AH，試驗結束，若出現偏差可以重復上述2、3條過程[1]。

這種試驗方法適用于具有較強透水巖土層，如壤土、粉士、砂土和砂卵石層或風化破碎巖體等。當試段位于地下水位以上時，由于土層較為飽和，試驗時間相對要長一點；若當試段是細粒土的時候，其試驗時間要比粗粒土的穩定時間長[2]。

2.4 試驗方法

本次試驗按照國家水利行業現行標準《水利水電工程注水試驗規程》（SL 345-2007）中有關規定進行。

3 試驗及計算

3.1 地下水位在試驗段以上

圖2 水位在試段以上的結構

在對梅閣水庫現場試驗中，當試段位于地下水位以下時，采用式（1）計算試驗土層的滲透系數：

式中：K為試驗巖土層的滲透系數，cm/s；Q為注入流量，L/min；H為試驗水頭，cm；等于試驗水位與地下水位之差；A為試驗段形狀系數，cm，按附錄B選用。

若Q的單位取cm3/s，其它符合的單位不變，則公式變為：

為此，采用式（1）計算滲透系數時，在鉆孔的壁部和底部出現進水情況時，試驗條件應滿足l/r＞8的要求。

根據水庫除險加固工作人員的工作經驗，當試段上下巖土層的透水性比較接近或一樣時可作試驗，其鉆孔壁部和底部進水可按式（3）計算滲透系數：

式中：l為注水試驗段長度，cm；r為注水試驗段鉆孔或過濾器半徑，cm；其余符號同式（1），Q的單位為cm3/s。

根據上述計算公式可以看出，在梅閣水庫鉆孔的壁部與底部進水時，要求l/r＞8和l/r＞4，其試驗條件接近。

3.2 地下水位在試驗段以下

圖3 水位在試段以下的結構圖

當試段位于地下水位以上，且試驗條件50＜H/r＜200、H≤l 時，可采用下式計算試驗巖土層的滲透系數：

式中：r為鉆孔內半徑，cm；l為試段長度，cm；其余符號意義同式（1）。

若Q的單位取cm3/s，其它符合的單位不變，則式（5）變為：

當試驗條件不滿足上述公式時，可采用下式：

該公式的符合與意義同（5）公式。

3.3 試驗經過

本次試驗共檢測2 個孔，均位主壩的堤身鉆孔的樁號是125#、161#，采用常水頭注水試驗。其中，孔號125 采用101 mm金剛石鉆頭成孔，孔深13.9 m，用同徑套管止水分別為508 cm、302 cm、580 cm為試驗段。而孔號161 是采用91 mm合金鉆頭成孔，孔深14.7 m，是用同徑套管止水分別為468 cm、429 cm、508 cm為試驗段。試驗觀測間隔時間為5分鐘，為保障水流量的精準，可在注水管處安裝一個水表，用于記錄計時前后的水表上的讀數，從而得出5 分鐘內注水量，以及計算出平均流量。若測出的平均流量每分鐘＜0.5 L時，那么流量是低于水表最小流量范圍，可采用1000 mL量筒倒水，并進行計算注水水量，觀測穩定結果一般根據相關規程的要求。

為了確保試驗時水位處于穩定，試驗過程中可以提前放置電測水位計探頭，以此控制水頭的高度。本次試驗段地下水位為6.50 m。見表2。

表2 鉆孔常水頭注水試驗成果表

3.4 試驗結果分析

根據上表試驗結果可以看出：

（1）125#樁身段（高程16.00 m～1.20 m）滲透系數均小于1×10-5cm/s，滿足設計要求；

（2）161#樁身段（高程15.50 m～1.45 m）滲透系數均小于1×10-5cm/s，滿足設計要求。

4 結論

在梅閣水庫除險加固工程的實施中，對水庫的壩身、壩基巖土層的滲透系數進行鉆孔常水頭注水試驗，得出巖土層的滲透系數。結合江門新會梅閣水庫地層情況，對梅閣水庫除險加固工程進行鉆孔常水頭注水試驗，通過分析鉆孔常水頭注水試驗原理、滲透系數計算公式，試驗方法以及應用條件，求得巖土層的滲透系數。結果顯示125#樁身段（高程16.00 m～1.20 m）滲透系數均小于1×10-5cm/s，滿足設計要求；161#樁身段（高程15.50 m～1.45 m）滲透系數均小于1×10-5cm/s，滿足設計要求。