水利检测工作中压水试验浅析

陈攻明 广东省水利水电科学研究院

1.引言

在水坝建设中，大部分岩石裂隙灌浆用于防渗，而不是对岩体进行某种形式的机械改良。因此，灌浆截止的主要验收标准应该是某种类型的渗透性测试（以量化处理岩体的残余渗透性），这通常称为压水试验。此类测试在施工开始前描述现场特征以及在施工期间监测和控制工作强度方面也具有同等价值。

岩石压水试验包括向岩体钻孔加压注水，并记录施加压力下测得的水流量。钻孔被离散成多个层段或阶段，通过使用单封隔器或双封隔器进行隔离。压水测试通常在已钻至全设计深度的钻孔中以“反向”方式进行。在这种情况下，可使用单封隔器测试底部级，使用双封隔器组件测试底部级以上的级，双封隔器组件由两个封隔器组成，两个封隔器通过中心穿孔管连接。

2.渗透率和吕荣值

压水试验期间记录的测量数据和观测值用于计算水位的渗透性。重要的是对“渗透性”一词的使用进行限定和澄清。术语“渗透性”和“水力传导率”更准确地应用于土壤，这些土壤通常包含相对规则的孔隙网络，允许流体均匀地通过土体传输。因此，考虑压水试验期间收集的数据反映岩体中不连续面的输水能力更为准确。虽然笔者指出这一区别是一个需要认识的重要概念，但本文中使用的术语“渗透性”是指岩体不连续面的平均透过率。

图1 不同深度的吕荣试验的最高压力

法国地质学家吕荣在1933年开发了一种基于在钻孔离散间隔内进行的压水试验来量化岩石渗透性的方法。该方法产生了一个渗透率单位，称为吕荣（Lu）。1Lu定义为10bar在的高压下，流入长度为1米的水试验阶段的水流量为每分钟1升。这可以更清楚地理解为：

相关研究指出，该方法最初由法国地质学家吕荣设计用于测量水井流入量，最初选择用于模拟当时阿尔卑斯大坝产生的水头10bar的施加压力对于较浅的灌浆项目来说过高。应用压力（P）、流体流量（Q）和级长度（LS）的调整可能不同于吕荣方法中的单位值，在以下修正吕荣公式（LuMod）中进行说明：

压水试验阶段的长度也可能对吕荣值产生误导性影响。行业标准中，水试验期间测得的流量可能仅通过几个不连续面通过岩体传输，由此计算的吕荣值可能无法准确表示地层的渗透率。如果钻孔和测试数据表明存在较大的不连续性，工程人员可能希望指定在钻孔中使用缩短的阶段长度进行测试的选项。

3.压水试验实践

钻孔间隔中的裂缝行为可以通过对钻孔间隔施加一系列有效压力的试验来解释。该系列中每个压力步骤的LuMod可以表征裂缝的相对数量和尺寸、最大设计压力的适用性以及裂缝中填充颗粒被加压流移动和携带的趋势。进一步试验的另一种替代方法是单压力试验，其中一个压力施加一段短时间。单次压力测试通常可以节省时间和成本，但对测试结果的进一步解释是有限的。笔者建议工程人员根据项目约束，为生产孔指定阶梯式和单一压力试验的组合，并将阶梯式压力试验指定为主要孔和验证孔的最低要求。

确定压水试验结果和灌浆之间趋势的能力在很大程度上取决于用于执行压水试验和灌浆的设备和方法之间的一致性。必须使用相同类型和尺寸的设备，以使工作人员更专注于执行工作，而不是为每项活动使用正确的设备。阶段长度和应用的有效压力范围是方法的两个要素，对数值结果和地层响应有较大影响。尽管在压水试验和灌浆期间施加的有效压力会随时间的不同而变化，但在压水试验期间收集的数据为灌浆人员提供了有关地层如何响应规定压力范围的见解。此外，压水测试地层响应和灌浆性能之间的趋势（通常在许多孔完工后确定）允许灌浆工及时决定切换灌浆混合料。与灌浆相比，使用不同压力进行压水试验会妨碍识别此类趋势的能力，从而降低灌浆程序的效率。除非能够评估一组离散裂缝对试水和灌浆的响应，否则无法确定水和灌浆性能之间的趋势和差异。笔者建议，为压水测试选择的阶段间隔在钻孔中的长度和位置与后续灌浆阶段应一致。

4.案例分析

新丰江大坝是一个小型混凝土重力结构，用于储存河源市的生产生活用水。2013年末，为了应对报告的大坝右坝肩上游漩涡和从大坝下游右岸流出的渗流，在大坝右坝肩安装了两排灌浆帷幕。一套III型水泥稳定灌浆用于建造帷幕，最薄的灌浆混合物的马什粘度为40秒。初始主孔（PP）安装间距为20米，主（P）孔安装在PP孔之间，次（S）孔安装在PP和P孔之间。在安装相邻的孔组之前，对每个孔组进行钻孔、压水测试和灌浆，并在对上游孔组进行灌浆之前，对下游孔组进行灌浆直至关闭。下游排需要PP、P和S孔，上游排需要PP和P孔。根据试水和灌浆的结果安装了额外的孔。在下游路权灌浆期间，观察到一些不良适应性问题的迹象。然而，由于观测到的LuMod值和灌浆量似乎受非常小或非常大的孔径的影响，并且由于观测到LuMod的总体下降趋势，因此未对混合料进行任何更改。随着上游排灌浆的开始，水试验和灌浆数据表明，一些中等大小的孔仍然敞开，最薄的灌浆混合物可能无法穿透这些孔。图2显示了在观察到取水的阶段计算的LuMod和LuApp值之间的比较。

LuMod值超过100的两个上游PP阶段的适用性不受关注，因为使用III型水泥灌浆时，各阶段的灌浆量较大。然而，当一个上游PP阶段和第一个上游P阶段产生的LuMod分别为91和73，并且随后在使用III型水泥灌浆时产生的LuApp分别为1和9时，阻碍适应性问题变得明显。项目团队讨论了观察到的试水和灌浆之间的差异，并决定使用微细粒灌浆以提高工程质量。经项目业主同意，开发了一种微细粒灌浆，其沼泽粘度为32秒，用于灌浆剩余的上游孔。图2中完美适应性线附近显示的上游P级和S级在改为微细粒灌浆后立即灌浆。在剩余上游P级和S级以及验证孔中收集的数据表明，使用微细粒灌浆可将残余LuMod减少至不小于20-30 Lu。现场周围的裸露挖掘揭示了局部的粉砂袋，展示了不可溶解石灰岩地层的残余结构，大坝是在该地层上修建的。研究小组得出结论，在右桥台可能存在类似的粉砂层，只有非颗粒流体才能穿透。尽管局部残余LuMod值较高，但之前在下游右岸观察到的渗流不再可见，此后没有进一步的漩涡报告，项目业主对结果感到满意。

图2 新丰江大坝压水试验和灌浆吕荣值比较

5.减少压水试验中数据的误差

压水测试程序、设备和输入变量会影响水测试结果的质量。通过观察实时数据收集的经验和对所用设备的操作知识以及测试背后的工程原理，可以减少测试数据中的错误。

灌浆/测试软管中的滞留空气可能会在流量计和压力传感器等仪器中产生误差。空气最初存在于系统中，当封隔器未浸没或设备发生泄漏时，空气可进入系统。测试前，可以通过系统泵送水来净化空气。至少应泵送软管的理论体积。如果封隔器在断裂带中充气，水可以在封隔器周围流动，并沿钻孔向上流动。这可以通过孔中的水流或水位上升来识别。封隔器可在钻孔中上下移动，直到达到良好密封。

6.总结

压水测试通常作为岩石灌浆计划的一部分进行，但可能未得到充分利用。灌浆程序的质量和效率可受益于适当规定和执行的水试验，尤其是在与灌浆一致的情况下。随着灌浆行业的发展，灌浆专业人员应利用技术和方法的进步，同时加强经验丰富人员的价值。压水试验是岩石灌浆计划的重要组成部分，通过压水试验我们可以在整体上把控水利工程的建设质量，在现有基础上应持续改进压水试验的工艺，以便更好地服务于水利工程。