水利檢測工作中壓水試驗(yàn)淺析

陳攻明 廣東省水利水電科學(xué)研究院

1.引言

在水壩建設(shè)中，大部分巖石裂隙灌漿用于防滲，而不是對(duì)巖體進(jìn)行某種形式的機(jī)械改良。因此，灌漿截止的主要驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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(yàn)。此類測試在施工開始前描述現(xiàn)場特征以及在施工期間監(jiān)測和控制工作強(qiáng)度方面也具有同等價(jià)值。

巖石壓水試驗(yàn)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(gè)層段或階段，通過使用單封隔器或雙封隔器進(jìn)行隔離。壓水測試通常在已鉆至全設(shè)計(jì)深度的鉆孔中以“反向”方式進(jìn)行。在這種情況下，可使用單封隔器測試底部級(jí)，使用雙封隔器組件測試底部級(jí)以上的級(jí)，雙封隔器組件由兩個(gè)封隔器組成，兩個(gè)封隔器通過中心穿孔管連接。

2.滲透率和呂榮值

壓水試驗(yàn)期間記錄的測量數(shù)據(jù)和觀測值用于計(jì)算水位的滲透性。重要的是對(duì)“滲透性”一詞的使用進(jìn)行限定和澄清。術(shù)語“滲透性”和“水力傳導(dǎo)率”更準(zhǔn)確地應(yīng)用于土壤，這些土壤通常包含相對(duì)規(guī)則的孔隙網(wǎng)絡(luò)，允許流體均勻地通過土體傳輸。因此，考慮壓水試驗(yàn)期間收集的數(shù)據(jù)反映巖體中不連續(xù)面的輸水能力更為準(zhǔn)確。雖然筆者指出這一區(qū)別是一個(gè)需要認(rèn)識(shí)的重要概念，但本文中使用的術(shù)語“滲透性”是指巖體不連續(xù)面的平均透過率。

圖1 不同深度的呂榮試驗(yàn)的最高壓力

法國地質(zhì)學(xué)家呂榮在1933年開發(fā)了一種基于在鉆孔離散間隔內(nèi)進(jìn)行的壓水試驗(yàn)來量化巖石滲透性的方法。該方法產(chǎn)生了一個(gè)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(yàn)階段的水流量為每分鐘1升。這可以更清楚地理解為：

相關(guān)研究指出，該方法最初由法國地質(zhì)學(xué)家呂榮設(shè)計(jì)用于測量水井流入量，最初選擇用于模擬當(dāng)時(shí)阿爾卑斯大壩產(chǎn)生的水頭10bar的施加壓力對(duì)于較淺的灌漿項(xiàng)目來說過高。應(yīng)用壓力（P）、流體流量（Q）和級(jí)長度（LS）的調(diào)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(jìn)行說明：

壓水試驗(yàn)階段的長度也可能對(duì)呂榮值產(chǎn)生誤導(dǎo)性影響。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，水試驗(yàn)期間測得的流量可能僅通過幾個(gè)不連續(xù)面通過巖體傳輸，由此計(jì)算的呂榮值可能無法準(zhǔn)確表示地層的滲透率。如果鉆孔和測試數(shù)據(jù)表明存在較大的不連續(xù)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(jìn)行測試的選項(xiàng)。

3.壓水試驗(yàn)實(shí)踐

鉆孔間隔中的裂縫行為可以通過對(duì)鉆孔間隔施加一系列有效壓力的試驗(yàn)來解釋。該系列中每個(gè)壓力步驟的LuMod可以表征裂縫的相對(duì)數(shù)量和尺寸、最大設(shè)計(jì)壓力的適用性以及裂縫中填充顆粒被加壓流移動(dòng)和攜帶的趨勢。進(jìn)一步試驗(yàn)的另一種替代方法是單壓力試驗(yàn)，其中一個(gè)壓力施加一段短時(shí)間。單次壓力測試通常可以節(jié)省時(shí)間和成本，但對(duì)測試結(jié)果的進(jìn)一步解釋是有限的。筆者建議工程人員根據(jù)項(xiàng)目約束，為生產(chǎn)孔指定階梯式和單一壓力試驗(yàn)的組合，并將階梯式壓力試驗(yàn)指定為主要孔和驗(yàn)證孔的最低要求。

確定壓水試驗(yàn)結(jié)果和灌漿之間趨勢的能力在很大程度上取決于用于執(zhí)行壓水試驗(yàn)和灌漿的設(shè)備和方法之間的一致性。必須使用相同類型和尺寸的設(shè)備，以使工作人員更專注于執(zhí)行工作，而不是為每項(xiàng)活動(dòng)使用正確的設(shè)備。階段長度和應(yīng)用的有效壓力范圍是方法的兩個(gè)要素，對(duì)數(shù)值結(jié)果和地層響應(yīng)有較大影響。盡管在壓水試驗(yàn)和灌漿期間施加的有效壓力會(huì)隨時(shí)間的不同而變化，但在壓水試驗(yàn)期間收集的數(shù)據(jù)為灌漿人員提供了有關(guān)地層如何響應(yīng)規(guī)定壓力范圍的見解。此外，壓水測試地層響應(yīng)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(shí)決定切換灌漿混合料。與灌漿相比，使用不同壓力進(jìn)行壓水試驗(yàn)會(huì)妨礙識(shí)別此類趨勢的能力，從而降低灌漿程序的效率。除非能夠評(píng)估一組離散裂縫對(duì)試水和灌漿的響應(yīng)，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(xù)灌漿階段應(yīng)一致。

4.案例分析

新豐江大壩是一個(gè)小型混凝土重力結(jié)構(gòu)，用于儲(chǔ)存河源市的生產(chǎn)生活用水。2013年末，為了應(yīng)對(duì)報(bào)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(wěn)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(duì)每個(gè)孔組進(jìn)行鉆孔、壓水測試和灌漿，并在對(duì)上游孔組進(jìn)行灌漿之前，對(duì)下游孔組進(jìn)行灌漿直至關(guān)閉。下游排需要PP、P和S孔，上游排需要PP和P孔。根據(jù)試水和灌漿的結(jié)果安裝了額外的孔。在下游路權(quán)灌漿期間，觀察到一些不良適應(yīng)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(duì)混合料進(jìn)行任何更改。隨著上游排灌漿的開始，水試驗(yàn)和灌漿數(shù)據(jù)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(jì)算的LuMod和LuApp值之間的比較。

LuMod值超過100的兩個(gè)上游PP階段的適用性不受關(guān)注，因?yàn)槭褂肐II型水泥灌漿時(shí)，各階段的灌漿量較大。然而，當(dāng)一個(gè)上游PP階段和第一個(gè)上游P階段產(chǎn)生的LuMod分別為91和73，并且隨后在使用III型水泥灌漿時(shí)產(chǎn)生的LuApp分別為1和9時(shí)，阻礙適應(yīng)性問題變得明顯。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)討論了觀察到的試水和灌漿之間的差異，并決定使用微細(xì)粒灌漿以提高工程質(zhì)量。經(jīng)項(xiàng)目業(yè)主同意，開發(fā)了一種微細(xì)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(yīng)性線附近顯示的上游P級(jí)和S級(jí)在改為微細(xì)粒灌漿后立即灌漿。在剩余上游P級(jí)和S級(jí)以及驗(yàn)證孔中收集的數(shù)據(jù)表明，使用微細(xì)粒灌漿可將殘余LuMod減少至不小于20-30 Lu。現(xiàn)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?guī)r地層的殘余結(jié)構(gòu)，大壩是在該地層上修建的。研究小組得出結(jié)論，在右橋臺(tái)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(jìn)一步的漩渦報(bào)告，項(xiàng)目業(yè)主對(duì)結(jié)果感到滿意。

圖2 新豐江大壩壓水試驗(yàn)和灌漿呂榮值比較

5.減少壓水試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的誤差

壓水測試程序、設(shè)備和輸入變量會(huì)影響水測試結(jié)果的質(zhì)量。通過觀察實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)所用設(shè)備的操作知識(shí)以及測試背后的工程原理，可以減少測試數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤。

灌漿/測試軟管中的滯留空氣可能會(huì)在流量計(jì)和壓力傳感器等儀器中產(chǎn)生誤差。空氣最初存在于系統(tǒng)中，當(dāng)封隔器未浸沒或設(shè)備發(fā)生泄漏時(shí)，空氣可進(jìn)入系統(tǒng)。測試前，可以通過系統(tǒng)泵送水來凈化空氣。至少應(yīng)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(dòng)，并沿鉆孔向上流動(dòng)。這可以通過孔中的水流或水位上升來識(shí)別。封隔器可在鉆孔中上下移動(dòng)，直到達(dá)到良好密封。

6.總結(jié)

壓水測試通常作為巖石灌漿計(jì)劃的一部分進(jìn)行，但可能未得到充分利用。灌漿程序的質(zhì)量和效率可受益于適當(dāng)規(guī)定和執(zhí)行的水試驗(yàn)，尤其是在與灌漿一致的情況下。隨著灌漿行業(yè)的發(fā)展，灌漿專業(yè)人員應(yīng)利用技術(shù)和方法的進(jìn)步，同時(shí)加強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)豐富人員的價(jià)值。壓水試驗(yàn)是巖石灌漿計(jì)劃的重要組成部分，通過壓水試驗(yàn)我們可以在整體上把控水利工程的建設(shè)質(zhì)量，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上應(yīng)持續(xù)改進(jìn)壓水試驗(yàn)的工藝，以便更好地服務(wù)于水利工程。