水利水電工程中鉆孔壓水試驗管路壓力損失實用性分析

楊光 胡寧 劉時琦 賈楨

鉆孔壓水試驗是評定巖層滲透性最基本和最重要的現(xiàn)場試驗，為防滲設(shè)計提供了重要的基礎(chǔ)資料。國內(nèi)目前有關(guān)壓水試驗及其運用的研究非常廣泛，楊進[1]對鉆孔壓水試驗的方法運用范圍和特殊情況處理方式進行了研究；2003年我國出版了SL 31—2003《水利水電工程壓水試驗規(guī)程》[2]，該規(guī)程對壓水試驗管路壓力損失的計算方法給出了詳細的規(guī)定；法國呂榮實驗標(biāo)準(zhǔn)NF P94-131，1994《Essai d'eau Lugeon》規(guī)定如果壓力表沒有直接放置在試驗段則必須記取壓力損失[3]；歐洲壓水試驗規(guī)范 BS EN ISO 22282-3：2012《Geotechnical investigation and testing—Geohydraulic testing》中規(guī)定必須對系統(tǒng)壓力損失進行評估[4]。然而，籠統(tǒng)地考慮管路壓力損失不便于壓水試驗的現(xiàn)場操作，因此，是否應(yīng)在所有現(xiàn)場試驗中均嚴格按照規(guī)范要求進行壓力損失計算，仍然存在一定爭議。本文利用經(jīng)驗公式計算和現(xiàn)場實測的兩種方式對管路損失壓力進行了分析，供壓水試驗現(xiàn)場操作提供參考。

1 經(jīng)驗公式計算法

本次計算是以常規(guī)性壓水試驗為基礎(chǔ)的，根據(jù)《水利水電工程壓水試驗規(guī)程》（以下稱“壓水試驗規(guī)程”）[4]，當(dāng)工作管內(nèi)徑一致且內(nèi)壁粗糙度變化不大時可采用經(jīng)驗公式計算管路壓力損失。因此，根據(jù)工程經(jīng)驗，本文假設(shè)壓水試驗中采用的是相同直徑相同材質(zhì)的壓力管作為經(jīng)驗公式計算的基礎(chǔ)，并且在計算過程中忽略管路連接處的壓力損失。

1.1 計算公式

計算管路壓力損失公式：

式中 PS——管路壓力損失；

λ——摩阻系數(shù)，λ=2×10-4～4×10-4MPa/m；

Lp——工作管長度，m；

d——工作管內(nèi)徑，m；

v——內(nèi)流速，m/s；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

q——試驗段透水率，Lu；

L——試驗段長度，m；

Q——試驗段計算流量，L/min；

P——試驗段壓力，MPa。

1.2 計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

依據(jù)工程經(jīng)驗和相關(guān)規(guī)范計算過程中有以下幾點假設(shè)：

（1）試驗段壓力P的取值為：0～20 m采用0.6 MPa，大于20 m采用1.0 MPa；

（2）工作管內(nèi)徑d為某水電站現(xiàn)場試驗所用鉆桿內(nèi)徑，即38 mm；

（3）試驗段長度L采用5 m；

（4）為充分考慮管路的壓力損失，摩阻系數(shù)λ取高值4×10-4MPa/m。

本文采用固定透水率計算不同管路長度下管路壓力損失的方法。計算的透水率為0.1、0.5、1.0、3、5、10、13、18 Lu，分別對應(yīng)極微透水、微透水、弱透水和中等透水巖層下的情況，計算工作管路長度為5～100 m，每間隔5 m計算1次。

1.3 計算結(jié)果及分析

根據(jù)式（2）和式（3）以及1.2中關(guān)于試驗段長度和工作管路內(nèi)徑假設(shè)可以分別計算出不同透水率下工作管路內(nèi)流體流速，見表1。

由表1和式（1）可以計算出不同透水系數(shù)下管路損失壓力隨工作管路長度（即鉆孔深度）變化情況，計算結(jié)果如圖1所示。

表1 不同透水率下管路內(nèi)流速

由圖1可以得出以下幾點結(jié)論：

（1）當(dāng)透水率小于5 Lu時，即使管路長度達100 m，壓力損失也較小，為0.007 2 MPa，小于1 m水頭，可忽略不計。

（2）當(dāng)透水率為10 Lu時，管路長度小于25 m，壓力損失較小，小于1 m水頭，可忽略不計；當(dāng)管路長大于25 m時，管路長度每增加約30 m，管路損失壓力增加約1 m水頭。

（3）當(dāng)透水率為10～15 Lu時，可取13 Lu作為代表值，管路每增加20 m管長，管路損失壓力增加約1 m水頭。

（4）當(dāng)透水率為15～20 Lu時，可取18 Lu作為代表值，管路每增加10 m管長，管路損失壓力約增加1 m水頭。

圖1 不同透水率下管路損失壓力值隨管道長度變化情況

2 現(xiàn)場實測法

為進一步探明在鉆孔壓水試驗中管路損失壓力對試驗結(jié)果的影響，筆者在喀麥隆某水電站進行了現(xiàn)場實測，實測模擬狀態(tài)為極微透水和微透水狀態(tài)。試驗采用的試驗裝置如圖2所示。

圖中：（1）壓力表1表示壓水試驗規(guī)程中用安設(shè)在進水管上的壓力計測壓情況；（2）壓力表2表示壓水試驗規(guī)程中用安設(shè)在與試驗段連通測壓管上的壓力計測壓情景；（3）壓力管長度為40 m。

2.1 試驗過程

（1）試驗儀器按照圖2所示試驗裝置進行連接；（2）對氣囊式栓塞進行充氣，形成模擬試驗孔段；（3）試壓，檢查裝置是否存在漏水現(xiàn)象；（4）進行0.5 MPa壓力級下壓水試驗，當(dāng)壓力穩(wěn)定1 min開始，每間隔10 s同時對壓力表1和壓力表2進行讀數(shù)；有效讀數(shù)組數(shù)不少于6組；（5）進行1.0 MPa壓力級下壓水試驗，當(dāng)壓力穩(wěn)定1 min開始，每間隔10 s同時對壓力表1和壓力表2進行讀數(shù)；有效讀數(shù)組數(shù)不少于6組；（6）分析試驗數(shù)據(jù)成果。

圖2 壓水實驗?zāi)M裝置

2.2 試驗結(jié)果與分析

兩只壓力表讀數(shù)見表2，可見，在0.5 MPa壓力級進行壓水試驗時，壓力表1的平均讀數(shù)為0.507 MPa，壓力表2的平均讀數(shù)為0.508 MPa，兩者相差為0.001 MPa，該差值僅為設(shè)置壓力的0.2%。且按規(guī)范規(guī)定壓力表的量程為0.05 MPa，該壓力差遠小于量程，因此，此時的管路壓力損失是無法記取的。

在1.0 MPa壓力級進行壓水試驗時，壓力表1的平均讀數(shù)為0.963 MPa，壓力表2的平均讀數(shù)為0.991 MPa，兩者相差為0.028 MPa，該差值也較小，僅為設(shè)置壓力的2.8%。

此外，兩組試驗均為壓力表2讀數(shù)大于壓力表1讀數(shù)，這應(yīng)該是由于水體流動過程中滯后效應(yīng)和儀器本身精度導(dǎo)致的，這也表明管路壓力損失對試驗結(jié)果的影響小于試驗過程和儀器精度造成的影響。

綜上所述，40 m長度管線壓力管安設(shè)在進水管上或安設(shè)在與試驗段連通測壓管上所測得的壓力變化較小，可見極微透水情況下管路壓力損失對試驗結(jié)果的影響遠小于儀器精度及壓力滯后效應(yīng)對結(jié)果的影響。現(xiàn)場試驗結(jié)果跟1.3中計算結(jié)果中的透水率小于5 Lu時，即使管道長達100 m壓力損失也可忽略不計是相符合的。規(guī)范中雖然已經(jīng)表明流量越大管道損失越大，但對極微透水或微透水情況仍然需要嚴格按照規(guī)范中的公式或試驗方法對管路壓力損失進行計算，這是不合理的。因此，我們建議野外實際操作時，如果試驗段為極微透水或微透水狀態(tài)可直接采用測量壓力進行滲透系數(shù)計算，不用記取管路壓力損失。

表2 不同壓力級下壓力表讀數(shù)

3結(jié)語

通過理論計算和現(xiàn)場試驗驗證，并結(jié)合在水利水電工程勘察中，考慮到略微的差異對水電站壩基滲透性等級判定和施工措施（如帷幕灌漿）中沒有質(zhì)的影響，從便于現(xiàn)場操作來說現(xiàn)行規(guī)范有局限性。故建議，在前期現(xiàn)場勘察中，鉆孔壓水試驗做如下處理：

（1）對于極微透水和微透水和呂榮值小于5 Lu的弱透水巖層，建議現(xiàn)場操作時可不記取壓水試驗過程中的管路損失壓力。

（2）對于呂榮值為5～10 Lu的弱透水巖層，現(xiàn)場操作可按照壓力管路長度每增加30 m損失1 m水頭壓力的方式計算管路壓力損失。

（3）對于呂榮值為10～15 Lu的中等透水巖層，現(xiàn)場操作可按照壓力管路長度每增加20 m損失1 m水頭壓力的方式計算管路壓力損失。

（4）對于呂榮值為15～20 Lu的中等透水巖層，現(xiàn)場操作可按照壓力管路長度每增加10 m損失1 m水頭壓力的方式計算管路壓力損失。