水文地质勘察中压水试验方法及存在的问题研究

李维欣

（1.华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021；2.河北省矿山地下水安全技术创新中心，河北 石家庄 050021）

工程建设以岩体为持力层时，开展水文地质勘察工作，查明建筑物基础及其影响范围内岩体的地下水赋存规律与水化学特征、裂隙发育程度、渗透性参数等对于保障建设工程的安全至关重要。据美国水利行业统计数据，大约40%的土石坝破坏主因是岩土体的渗透变形，在我国这一比例则高达60%[1]。近年来，随着工程建设项目体量不断增长，人们对岩体渗透性的研究也逐步深入，先后涌现出现场试验法、几何形态法、反演法等研究方法，并不断完善。受岩体裂隙复杂性制约，岩体渗透性的理论研究上依然存在较多难题，指导实践应用仍有较大误差，因此现场压水试验法依然是测算岩体渗透性的主流方法之一。

1 压水试验方法与优缺点

（1）吕荣压水试验。吕荣压水试验法是法国科学家Lugeon于1933年在估计坝基岩体稳定性时提出的，并经历了漫长的发展过程。其操作过程为，在完成试验段清水钻进后，对钻孔进行充分清洗，然后下入止水栓塞将试验段与其余孔段隔离，测量到钻孔内地下水的稳定水位，然后用不同的压力向试验段送水，通过压力测量计、水流量测量计测定各阶段的压力值及流量值，以此计算出岩体的透水率[2]。目前，我国规范通用三级压力五个阶段的五点法（即P1→ P2→ P3→ P4（=P2）→ P5（=P3），P1＜P2＜P3）进行试验，试验段透水率采用第三阶段的压力值（一般为1MPa）和流量值来计算，其物理意义为试验段压力为1MPa时，每米试验段的压入水流量（L/min）[3]。吕荣压水试验法具有原理简单、操作方便、适用范围广等优点，是当今世界各国普遍采用的常规性压水试验方法。但同时也存在一些不足之处，首先，该试验对于操作精度具有较高的要求，实践过程中，受洗井质量、止水栓塞的止水效果、地下水水位测量精度、管内压力损耗等因素影响，试验结果可能出现较大误差。其次，该方法不适用于地下水水位埋深过大或水头过高的水文地质背景。另外，该方法的原理是将裂隙发育的岩体等效为一个各向异性的多孔介质，但现实中，这种典型单元体是不存在的，其理论基础仍需完善。

（2）三段压水试验。三段压水试验法是Louis和Maini于1972年利用室内物理模型试验测定岩体中一条裂隙渗透性时提出的，其原理是单组裂隙内的水流方向是平行于裂隙面的二维流，用压水试验可准确测量该单组裂隙的渗透系数。通过多次试验，分别获得各组裂隙的渗透系数，将各组裂隙的渗透系数依据各组裂隙产状进行矢量计算，就能够获得岩体的总渗透系数[4]。三段压水试验理论简单，能够准确获取单组裂隙的渗透系数，在裂隙小于3组的地区较为实用。其缺点主要表现在试验设备需特制、费用昂贵，难点在于研究某单组裂隙渗透性时，如何有效地排除其它裂隙组的影响，尤其是在裂隙密集区域，该试验的应用有较大限制。

（3）交叉孔压水试验。交叉孔压水试验法是Hsieh和Neuma于1985年为计算各向异性的基岩裂隙含水层的渗透性而提出的[5]。该方法实施时，先打三口钻孔，选择其中一口钻孔下入止水栓塞将试验段同其余孔段隔离开，然后向试验段注水，同时对其余两口钻孔的观测段的进行水头监测，经过多次分段试验和注水监测交叉试验，采用理论公式计算即可得到试验段岩体的综合渗透系数。交叉孔压水试验设备简单，试验前不要求预先调查掌握岩体的裂隙发育特征，钻孔方向的布置亦无要求。缺点是其理论复杂，计算较为繁琐。

2 吕荣压水试验常见问题及应对措施

自Lugeon于1933年首先提出吕荣压水试验方法以来，国内外在压水试验理论研究与方法创新上经历了较大的变革，三段压水试验法、交叉孔压水试验法、高压压水试验法等方法相继涌现，同时，不同试验方法的试验设备也在向智能化、信息化等方面逐步改进。目前，我国工程界压水试验的主流方法依然是吕荣压水试验法，下面将近年来在利用吕荣压水试验方法工作过程中遇到的常见问题及应对措施进行分析阐述。

（1）单栓塞与双栓塞的选择问题。单栓塞止水优点是通过观测水位变化就可直接判断栓塞的止水效果，能克服孔壁不平整，便于质量控制；缺点是需分段成孔，钻进过程和压水试验交替进行，试验时间较长、钻进过程较慢。双栓塞止水优点是一次成孔分段试验，试验耗时较短，缺点是下栓塞的止水效果难以判断、裂隙易被岩屑堵塞。通常情况下，多选择双栓塞，但对于地层与裂隙较复杂的试验段宜选用单栓塞，并应着重控制下钻速度与栓塞提升速度。

（2）加压设备的选择问题。目前一般宜选用电动离心泵，以保障压力的平稳性。但对于基岩渗透系数较大、电动离心泵难以达到设计的最大压力值时，可选用往复式水泵，选用往复式水泵时单个压力的持续时间宜进行适当延长，以保证压力稳定在该试验值，同时，针对其存在压力不稳的问题，应增设调压器装置。

（3）最大压力的选择问题。向基岩裂隙中压水会改变裂隙的状态，从而影响裂隙的渗透性，如果最大压力选取不合适，会导致裂隙渗透性发生不可逆的改变。因此，最大压力的选择往往需要综合考虑试验段基岩物理力学特性与埋深情况，根据以往经验，对于基岩强度较低的工况，埋深小于15m时取0.3MPa；埋深介于15m～30m时取0.6MPa；埋深大于30m时取1MPa。

3 结论

（1）压水试验法是当今测算岩体渗透性的主流方法，随着技术的不断进步，先后发展出吕荣压水试验法、三段压水试验法、交叉孔压水试验法、高压压水试验法等方法。其中，吕荣压水试验法原理简单、操作方便、适用范围较广，但其操作精度要求较高，不适用于地下水水位埋深过大或水头过高的水文地质背景；三段压水试验法理论简单，测量少于3组裂隙的渗透系数时数据更准确；交叉孔压水试验法设备简单、钻孔布设简单，但理论复杂，计算繁琐。

（2）吕荣压水试验法是我国工程界选择的主流压水试验方法，由于其对操作精度具有较高要求，实践中常常在单栓塞与双栓塞的选择上、加压设备的选择上以及最大压力的选择上存在一定的难题，应根据现场工况及工程地质、水文地质条件选择适宜的试验设备及试验值，以此提高试验精度，获得相对较为准确的渗透性参数。