淺談國際工程中鉆孔壓水實驗結(jié)果分析方法

張寶紅

（中國水利水電第十一工程局，河南 鄭州 450001）

0 引言

鉆孔壓水實驗常用來檢測圍巖及地基的滲透性能，具有準(zhǔn)確直觀的特點，是地質(zhì)勘探作業(yè)中常用的檢驗試驗方法。我國的壓水實驗規(guī)范在術(shù)語、解釋、原理及方法儀器方面，一直是與國際上的做法基本相同的。但在試驗結(jié)果處理方面，根據(jù)我國工程實踐特點，做了較大修改，這對實驗結(jié)果處理和整理資料方面，起促進(jìn)作用。但是如果到了國外，則與國外同行們的成果上存著較大差異，無論是在取值范圍、判斷結(jié)論上均存在著很大不同。為了弄清楚這個問題，有必要仔細(xì)研究這個問題，利于在工作中更好地溝通。

1 我國目前采用的主要方法

我國目前在水利工程中主要以水利部《水利工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》規(guī)定的主要方法為參考。鉆孔壓水試驗主要采用三個壓力值和五個檢測階段進(jìn)行，即p1-p2-p3-p4（=p2）-p5（=p1）（p1＜p2＜p3）。如果不加說明p1、p2、p3三級壓力可以采用0.3MPa，0.6MPa直至1.0MPa，通常在單獨一個壓力階段記錄若干個檢測數(shù)據(jù)，每1min 記錄一個流量，當(dāng)連續(xù)四個流量達(dá)到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)流量穩(wěn)定的要求（5 次計數(shù)的相對流量差不大于10%，或絕對差不大于1L/min），即可進(jìn)行下一級壓力的試驗，試驗段長一般取5m 一段。為準(zhǔn)確記錄瞬間流量及壓力，方便壓水試驗資料整理，目前現(xiàn)場均采用自動灌漿記錄儀來記錄流量與壓力，試驗完成以后，由自動記錄儀采集數(shù)據(jù)并繪制壓力-流量曲線，人們根據(jù)曲線形狀判斷孔內(nèi)裂隙分布情況。規(guī)范認(rèn)為鉆孔內(nèi)的水流形態(tài)可以分為層流型、紊流型、擴張型、沖蝕型和充填型也就是人們常說的A、B、C、D、E 五種形態(tài)。

鉆孔內(nèi)的透水率是采用式（1）進(jìn)行統(tǒng)一計算：

以上為我國規(guī)范主要內(nèi)容，從中不難看出，計算的透水率值僅與第三階段壓力及流量有關(guān)，與孔內(nèi)水流形態(tài)及裂隙分布其實并不存在任何關(guān)系。而正是這一特點使得我們的分析結(jié)果與國外同行的結(jié)果之間存在較大區(qū)別，結(jié)論也自然不同。

2 國際上通用處理方法

目前國際上多數(shù)做法是依據(jù)地質(zhì)學(xué)家豪斯比的研究成果《呂榮壓水試驗的常規(guī)解釋》這一篇論文中提出的處理原則進(jìn)行資料整理。他認(rèn)為壓水試驗結(jié)果的代表值應(yīng)根據(jù)水壓-透水率分布規(guī)律圖并綜合考慮裂隙內(nèi)的水流形態(tài)后而綜合確定。

2.1 利用壓力和透水率柱狀圖進(jìn)行綜合分析判斷

這種方法是將壓力圖形與呂容圖放在一起進(jìn)行比較，根據(jù)不同階段的壓力展現(xiàn)出來的呂容值圖形，將孔內(nèi)的裂隙情況分成五種。

（1）在三壓力五階段試驗過程中，不同水壓階段下呂容值大致相當(dāng)，則選取各個階段的呂容值的平均值作為該孔透水率的代表值。這種情況下，孔內(nèi)水流為A 型層流，在整個試驗期間，巖石裂隙狀態(tài)沒有發(fā)生任何變化。水壓升高或降低不會影響巖石的裂隙，也不會大幅改變透水率。一般發(fā)生在堅硬巖石中且有微小完整的裂隙，透水率一般都很?。ㄒ话闱闆r下超過4 個呂容值）。

（2）在三壓力五階段試驗過程中，隨著水壓升高呂容值逐漸降低，最大水壓時呂容值最小，當(dāng)壓水試驗從峰值逐漸降低時，呂容值又逐漸升高或恢復(fù)原樣。則取最高水壓階段的呂容值即第三階段為該孔透水率的代表值。這種情況為B 型紊流，這可以解釋為，圍巖堅硬且內(nèi)部裂隙多為中寬裂隙、較為發(fā)育。隨著水壓升高，流量也在增長，但是流量增加的幅度小于水壓增長的幅度，表現(xiàn)在透水率上，則為計算出的呂容值在減小。這種情況的圍巖透水率數(shù)值都偏大（一般約為20～50Lu），即使取第三階段的最小值，數(shù)值也很大（約20～30Lu）。因此取第三階段的透水率值為代表值足以說明巖石的滲透性能。在實際試驗中也的確如此，出現(xiàn)這種水流狀態(tài)下的呂容值都很大。

（3）在三壓力五階段試驗過程中，不同水壓時呂容值各不相同，最大水壓時呂容值最大。則取最小的呂容值作為該孔透水率的代表值（從1、2、4、5 階段中取較小值）。滲流狀態(tài)為C 型擴張型，試驗時表現(xiàn)為當(dāng)水壓達(dá)到某一值之后，鉆孔內(nèi)的吃水量突然增大，在這個壓力作用下裂隙狀態(tài)發(fā)生了突然變化，相應(yīng)的鉆孔透水率也突然增大，但是這種增大過程是短暫、可恢復(fù)的，隨著水流壓力逐漸降低，裂隙又彌合到原來狀態(tài)，呈現(xiàn)一種彈性的狀態(tài)。這種情況下，不可取峰值而應(yīng)取小值作為代表值，這也符合巖石的實際透水性能。

（4）在三壓力五階段試驗過程中，隨著水壓實驗段進(jìn)展，呂容值逐漸增大不見減小的跡象。則取最大呂容值作為該孔透水率的代表值即第五階段為代表值。從圖形上判斷為沖蝕型，表現(xiàn)在試驗過程中，在某一個水流壓力過程中，鉆孔吃水量突然間變化劇烈，并且在以后的壓力階段，流量變得越來越大，一直到工程實驗結(jié)束。說明在水流壓力作用下鉆孔內(nèi)的裂隙狀態(tài)發(fā)生了本質(zhì)改變，這種改化是永久性的、不能恢復(fù)的。并且吸水量變大而且不能恢復(fù)原樣，說明裂隙中的沉積物及填充物被水流沖蝕、移動。這種情況下，應(yīng)取最終值作為此孔的代表值，很有說服力。

（5）在三壓力五階段試驗過程中，隨著水壓測試進(jìn)展，呂容值逐漸降低。則取最終階段（即第五階段）的呂容值作為該孔透水率的代表值。從圖形上判斷為充填型，表現(xiàn)在試驗期間鉆孔內(nèi)的裂隙發(fā)生大的變化，圍巖的透水率逐漸變小，這種減小多數(shù)情況下是由于圍巖的裂隙被堵塞而造成的。此時內(nèi)部裂隙完全處于封閉狀態(tài)，當(dāng)外部水流將圍巖固有裂隙充滿后，流量也就逐漸減小，只至基本為零。說明圍巖的裂隙狀態(tài)徹底發(fā)生改變，這種情況下，應(yīng)取最終值作為此孔的代表值。

因此可以看出，上述五種壓水試驗的過程，基本上就將圍巖的透水率情況描述清楚了，對應(yīng)于不同情況，可以分別計算相應(yīng)的透水率。

2.2 利用單位段長流量及壓力環(huán)形（）圖進(jìn)行綜合分析判斷

這是一種圖形方法，理論上認(rèn)為透水率（呂容值）可以表示為單位段長的流量值與壓力值的關(guān)系式。

當(dāng)縱坐標(biāo)表示為q/l，而橫坐標(biāo)表示為p 時，則透水率Lu 就表示為該直線的斜率。斜率越大，呂容值越大，斜率越小，呂容值越小。

根據(jù)這個原理，則壓水實驗的每一階段的呂容值連線就可以表達(dá)為如圖1 單位流量-壓力流程圖所示的玫瑰花圖，在第一象限內(nèi)從圓心連出的每一根直線上斜率相等，代表呂容值也均相等，相應(yīng)的取值范圍及大小也作出相應(yīng)的規(guī)定。

第一種情況，層流A，不同壓力階段呂容值大致相當(dāng)，上升階段曲線與下降曲線基本重合，呂容值則取各個階段的呂容值的平均值作為代表值。

第二種情況：紊流B，隨著水壓增長呂容值逐漸降低，最大水壓時呂容值最小，上升階段曲線凸向Y 軸，下降階段曲線也凸向Y 軸，但在上升階段曲線下方。呂容值取最高水壓時的呂容值即第三階段值為代表值。

第三種情況：擴張型C，不同水壓時呂容值各不相同，最大水壓力時呂容值最大。上升階段曲線凸向X 軸，下降階段曲線凸向X 軸，但在上升曲線上方。鉆孔呂容值應(yīng)取第1 階段或者第2 階段，第4 階段，第5 階段中的最小值為代表值。

第四種情況：沖蝕型D，隨著測試進(jìn)展，呂容值逐漸增大。上升階段曲線凸向X 軸，下降階段曲線也凸向Y 軸，但在上升曲線上方。呂容值取最大呂容值作為代表值即第五階段。

第五種情況：充填型E，隨著測試進(jìn)展，呂容值逐漸降低。上升階段曲線凸向Y 軸，下降階段曲線也凸向X 軸，但在上升曲線下方，呂容值取最后一個階段的檢測值為代表值。

圖1 單位流量-壓力流程

這個方法與我國規(guī)范中采用的P-Q 曲線近似，但又存在很大不同。

3 結(jié)束語

通過上述標(biāo)準(zhǔn)的對比分析，我們可以看出，采用國際上通行的圖解方法得出的結(jié)論可能更加細(xì)致直觀，與1933 年呂榮（M.Lugeon）提出的透水率基本概念是一致的，因此被目前國際絕大多數(shù)國家認(rèn)可和采用一直延用至今。