梅閣水庫鉆孔常水頭注水試驗(yàn)分析

周菊英

（江門市水利水電工程質(zhì)量檢測站有限公司，廣東 江門 529000）

江門市新會區(qū)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(qū)東南部沙堆鎮(zhèn)梅閣村，西江流域下游虎跳門水道右岸，受當(dāng)時(shí)歷史條件的限制，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量差，工程運(yùn)行多年存在較多的隱患[1-3]。為保障梅閣水庫的安全運(yùn)行，需對水庫存在的安全隱患進(jìn)行除險(xiǎn)加固。在對水庫進(jìn)行地質(zhì)勘察時(shí)，采用鉆孔注水試驗(yàn)求取巖土層滲透性指標(biāo)。通過巖土層檢測結(jié)果來判斷其滲透級別，以便梅閣水庫管理單位可以根據(jù)地層巖土滲透結(jié)果制定相應(yīng)的防滲方案。

1 工程地質(zhì)概況

梅閣水庫位于新會區(qū)南部，屬珠江三角洲西南部低山丘陵區(qū)。水庫三面環(huán)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(yán)重的坍塌現(xiàn)象，說明沖刷較弱，邊坡基本穩(wěn)定。水庫區(qū)總體北高南低，呈長條形展布，東西兩側(cè)為低山斜坡，坡面傾向庫區(qū)，山坡表面零星出露弱～微風(fēng)化花崗巖孤石。

根據(jù)1∶400萬幅《中國地震烈度區(qū)劃圖》（GB 18306-2001），工程區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.10（地震基本烈度為Ⅶ度），地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。工程區(qū)內(nèi)分布的砂土層需進(jìn)行振動(dòng)液化判別。

工程區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖潮濕，雨量充沛。地表水主要為水庫水和沖溝內(nèi)的水。地表水和地下水的補(bǔ)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(jié)理較發(fā)育，但透水性相對較差，基巖裂隙富水性較差。本次試驗(yàn)共檢測2個(gè)孔。

2 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

2.1 適用條件與儀器的選取

在對梅閣水庫進(jìn)行地質(zhì)勘察過程中應(yīng)用鉆孔常水頭注水試驗(yàn)，主要是為了測試地下土層的滲透系數(shù)，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(jìn)行壓水試驗(yàn)的風(fēng)化、破碎巖體、斷層破碎帶等透水性較強(qiáng)的巖體。在鉆孔注水試驗(yàn)中，一般供水設(shè)備會采用水箱、水泵；測量設(shè)備需要用到水表、量桶、瞬時(shí)流量計(jì)、秒表以及米尺等；止水設(shè)備需要采用到栓套、套管；水位計(jì)采用電測水位計(jì)。而本次試驗(yàn)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(jù)現(xiàn)場測定，各檢測孔的成孔情況見表1。

表1 檢測孔的有關(guān)成孔情況

2.3 試驗(yàn)原理

常水頭注水試驗(yàn)（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(wěn)定時(shí)的注水流量（Q），以及測滲入土層的水量，一般注水時(shí)長在2 h以上，根據(jù)最后一次穩(wěn)定注水流量，按不同條件下相應(yīng)的計(jì)算公式確定巖土層滲透系數(shù)K值。試驗(yàn)過程如下：①鉆孔套管下到孔底，孔底出流進(jìn)行常水頭注水試驗(yàn)；②等形成穩(wěn)定流，水頭底出流進(jìn)行常水頭注水試驗(yàn)；②等形成穩(wěn)定流，水頭l cm～5 cm）；③保持水量不變，等再次形成穩(wěn)定流，水頭和水量重新平衡時(shí)，測量水頭上升高度AH，試驗(yàn)結(jié)束，若出現(xiàn)偏差可以重復(fù)上述2、3條過程[1]。

這種試驗(yàn)方法適用于具有較強(qiáng)透水巖土層，如壤土、粉士、砂土和砂卵石層或風(fēng)化破碎巖體等。當(dāng)試段位于地下水位以上時(shí)，由于土層較為飽和，試驗(yàn)時(shí)間相對要長一點(diǎn)；若當(dāng)試段是細(xì)粒土的時(shí)候，其試驗(yàn)時(shí)間要比粗粒土的穩(wěn)定時(shí)間長[2]。

2.4 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)按照國家水利行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》（SL 345-2007）中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3 試驗(yàn)及計(jì)算

3.1 地下水位在試驗(yàn)段以上

圖2 水位在試段以上的結(jié)構(gòu)

在對梅閣水庫現(xiàn)場試驗(yàn)中，當(dāng)試段位于地下水位以下時(shí)，采用式（1）計(jì)算試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)：

式中：K為試驗(yàn)巖土層的滲透系數(shù)，cm/s；Q為注入流量，L/min；H為試驗(yàn)水頭，cm；等于試驗(yàn)水位與地下水位之差；A為試驗(yàn)段形狀系數(shù)，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?yōu)椋?/p>

為此，采用式（1）計(jì)算滲透系數(shù)時(shí)，在鉆孔的壁部和底部出現(xiàn)進(jìn)水情況時(shí)，試驗(yàn)條件應(yīng)滿足l/r＞8的要求。

根據(jù)水庫除險(xiǎn)加固工作人員的工作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)試段上下巖土層的透水性比較接近或一樣時(shí)可作試驗(yàn)，其鉆孔壁部和底部進(jìn)水可按式（3）計(jì)算滲透系數(shù)：

式中：l為注水試驗(yàn)段長度，cm；r為注水試驗(yàn)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(jù)上述計(jì)算公式可以看出，在梅閣水庫鉆孔的壁部與底部進(jìn)水時(shí)，要求l/r＞8和l/r＞4，其試驗(yàn)條件接近。

3.2 地下水位在試驗(yàn)段以下

圖3 水位在試段以下的結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)試段位于地下水位以上，且試驗(yàn)條件50＜H/r＜200、H≤l 時(shí)，可采用下式計(jì)算試驗(yàn)巖土層的滲透系數(shù)：

式中：r為鉆孔內(nèi)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?yōu)椋?/p>

當(dāng)試驗(yàn)條件不滿足上述公式時(shí)，可采用下式：

該公式的符合與意義同（5）公式。

3.3 試驗(yàn)經(jīng)過

本次試驗(yàn)共檢測2 個(gè)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(yàn)。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(yàn)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(yàn)段。試驗(yàn)觀測間隔時(shí)間為5分鐘，為保障水流量的精準(zhǔn)，可在注水管處安裝一個(gè)水表，用于記錄計(jì)時(shí)前后的水表上的讀數(shù)，從而得出5 分鐘內(nèi)注水量，以及計(jì)算出平均流量。若測出的平均流量每分鐘＜0.5 L時(shí)，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(jìn)行計(jì)算注水水量，觀測穩(wěn)定結(jié)果一般根據(jù)相關(guān)規(guī)程的要求。

為了確保試驗(yàn)時(shí)水位處于穩(wěn)定，試驗(yàn)過程中可以提前放置電測水位計(jì)探頭，以此控制水頭的高度。本次試驗(yàn)段地下水位為6.50 m。見表2。

表2 鉆孔常水頭注水試驗(yàn)成果表

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上表試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

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

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

4 結(jié)論

在梅閣水庫除險(xiǎn)加固工程的實(shí)施中，對水庫的壩身、壩基巖土層的滲透系數(shù)進(jìn)行鉆孔常水頭注水試驗(yàn)，得出巖土層的滲透系數(shù)。結(jié)合江門新會梅閣水庫地層情況，對梅閣水庫除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行鉆孔常水頭注水試驗(yàn)，通過分析鉆孔常水頭注水試驗(yàn)原理、滲透系數(shù)計(jì)算公式，試驗(yàn)方法以及應(yīng)用條件，求得巖土層的滲透系數(shù)。結(jié)果顯示125#樁身段（高程16.00 m～1.20 m）滲透系數(shù)均小于1×10-5cm/s，滿足設(shè)計(jì)要求；161#樁身段（高程15.50 m～1.45 m）滲透系數(shù)均小于1×10-5cm/s，滿足設(shè)計(jì)要求。