1、水利水电工程钻孔压水试验规程 SL2592 条 文 说 明 修 订 说 明 钻孔压水试验是工程地质勘察中最常用的原位渗透试验之一。水利水电工程钻孔压水试验规程(SDJ1678)(以下简称原规程)在试验方法和成果表达方式上与目前国际上通用的方法不完全一致，还不能全面了解在不同压力下岩体渗透特性的变化。为了提高压水试验的技术水平，适应对外开放的需要，便于国际间的工程合作和技术交流，并按国家计委关于积极采用国际标准的精神，水利水电规划设计院以(85)水规勘使字第102号函，指定水利电力部东北勘测设计院对原规程进行修订。 本规程在修订过程中得到了全国各水利水电勘测设计单位的积极支持和配合，修订组调查和
2、总结了国内压水试验工作的经验，进行了野外对比试验和室内试验，参考了国外有关规程，吸取了国外压水试验成果资料。 本规程在修订过程中，水利水电规划设计院召开了两次审查讨论会。 第一次会议是1987年11月在长春召开的初稿讨论会。与会代表认为：本规程提出的压水试验方法，具有大压力、多阶段循环、流量稳定时间短的特点，它适合于我国水利水电建设的特点和需要，也符合国际压水试验方法发展的总趋势。会议对主要技术问题进行了讨论，对一些具体内容提出了补充修改意见。 第二次会议是1988年9月在北京召开的送审稿审查会。会议认为，规程修订工作的基础比较牢靠，本规程与原规程相比，科学性更强，获得的资料更全面，成果的可靠
3、性更高，技术上是可行的，与国际上通用的吕荣压水试验方法也是吻合的。并对试段长度、压力值、压力阶段和水位观测稳定标准等主要技术问题进行了审议。 本规程与原规程的主要不同之处如下表所示： 本规程与原规程主要不同之处表 项 目 原 规 程 本 规 程 成果表达 采用单位吸水量()单位是L/(minmm) 采用透水率(q)，单位是吕荣Lu 试验方法 自上而下的用单栓塞分段压水 除单栓塞分段压水方法外，还规定在满足一定条件下，可用双栓塞分段压水 压力阶段 一个阶段 五个阶段 压 力 值 一级压力(0.3MPa) 三级压力分别为0.3、0.6、1.0MPa试 段 实际压力 采用压力表读数按公式计算 优先采
4、用试段压力计直接测定 洗 孔 采用压水法、抽水法或压水-抽水法 压水法和活塞抽吸洗孔法 水位观测 稳定标准 10min观测一次，连续三次读数变化速度均小于1cm/min 5min读数一次，连续两次的下降速度均小于5cm/min 流量观测 10min读数一次 1或2min观测一次 本规程共分五章48条，五个附录。本说明是按规程正文的章节条顺序编写的。五个附录未编写说明。 本条文说明由王行本编写。 水利水电工程钻孔压水试验规程修订组 1 总 则 1.0.1 在岩体上或岩体内修建水工建筑物时，必须研究建筑物附近及其影响范围内岩体的透水性。测定岩体渗透性的方法有压水试验、注水试验、抽水试验等，其中压水
5、试验是最常用的在钻孔内进行的岩体原位渗透试验。具体做法是在钻进过程中或钻孔结束后，用栓塞将某一长度的孔段与其余孔段隔离开，用不同的压力向试段内送水，测定其相应的流量值，并据此计算岩体的透水率。 压水试验成果主要用于评价岩体的渗透特性(透水率大小及其在不同压力下的变化趋势)，并作为防渗帷幕设计的基本依据。当条件简单时，也可用于渗漏量计算。 1.0.2 本条有两点需要加以说明： 一、本规程采用吕荣试验作为常规性的压水试验方法 吕荣试验方法是1933年吕荣(M.Lugeon)首先提出的，在实践中经过多次修正而臻于完善，目前已为大多数国家所采用。这种试验方法的主要特点是： (1)采用多级压力、多阶段循
6、环的试验方法。 (2)试验压力较大，最大压力通常为1MPa。 (3)每阶段的试验时间较短，一般为10min左右。 (4)用吕荣值(lu)作为岩体透水率的单位。 与水利水电工程钻孔压水试验规程(SDJ1678)(以下简称原规程)相比，本规程推荐的方法具有如下优点： (1)能了解在不同压力下以及在最大压力前、后同一压力下岩体透水性的变化情况，所得资料更加丰富、全面。 (2)能取得多组数据，可以互相校核，所得资料更为可靠。 (3)每次试验所用的时间与原规程基本相同。 (4)成果表达方式与国际通用标准一致，有利于国际间的工程合作和技术交流。 二、专门性的压水试验方法 近年来，在防渗设计和计算中，更普遍
7、地采用有限元法和其它数学方法，因此对水文地质参数提出了更高的要求，即不再满足于求得单位长度孔段的平均渗透性，还希望了解岩体渗透性的非均质性和方向性。为了达到这个目的，许多研究者针对具体工程的特点和需要，提出并采用了各种非常规的压水试验方法。这些方法可归纳为如下几个方面： (一)使压水试验时的边界条件和渗流状态尽量与理论一致 (1)测定一组裂隙的渗透性 首先根据地质测绘和裂隙统计资料，确定出该场地的主要裂隙组，据此设计钻孔方位，使试段只包含一组裂隙，且与之正交(图1.0.2-1)。 路易斯(C.Louis)和麦尼(Y.N.T.Maini)在法国的大麦森(Grand Maison)坝采用了上述方法
8、。求得各主要裂隙组的方向渗透性，并据此设计坝基的帷幕和排水设施。我国小浪底工程也做过类似的试验。 (2)使试段内的渗流条件为平面流 路易斯设计了一种由24个栓塞组成的试验器，这种试验可隔离出2或3个试段，并同时加压充水，其中上、下试段为辅助试段，渗流为三维流，中间试段为正式试段，渗流为平面流(图1.0.2-2)。 (二)采用附加手段以取得更多的资料 (1)多孔压水试验 在压水试验钻孔周围设置一批观测孔，孔内设置双栓塞，以了解压水试验的影响范围、岩体渗透性的非均质性和各向异性。 (2)使用示踪剂 在压入水中加入氯化钠、放射性示踪剂(碘B1、溴83等)、颜料(若丹明、亚甲蓝等)，以测定压水试验时的
9、渗透途径、速度和方向。 图1.0.2-1 测定一组裂隙透水性的钻孔布置示意图 图1.0.2-2 研究平面渗流的栓塞布置示意图 (三)特殊性试验 (1)源-汇试验 此法用于了解某一地质体(例如断层)两侧的水力联系。用三栓塞试验器隔离出两个试段，使所研究的地质体位于两个试段之间(图1.0.2-3)。分别对两个试段进行压水试验，一段附加压力为正(源)，另一段附加压力为负(汇)。然后用上述压力同时进行两个试段的试验，其结果与分别进行的试验成果对比，计算该地质体的渗透性。 图1.0.2-3 研究特殊地质体透水性的栓塞布置示意图 (2)抽水-压水对比试验 布拉辛顿(FCBrassington)和瓦特豪尔(
10、SWaltha11)曾在英国西北部的水文地质勘察中，用双栓塞隔离试段，然后分别进行压水试验和抽水试验，并将成果加以比较。 (3)压气试验 压气试验的用途有两方面：一是在干燥岩石或冻结岩石中，用压气试验代替压水试验。二是适应某些特殊建筑物的需要，评价岩体的透气性，如地下核电站在发生事故时放射性蒸气的泄漏速度，地下水电站密闭式调压室内压缩空气的逸出速度等。 苏联制定了专门的压气试验规范。别亚吉奥(EBiagio)和迈尔沃尔(FMyrvoll)也做过这种试验。 (4)自由振荡试验 这种试验方法是艾德尔(KHIdel)提出的。方法是用栓塞隔离试段，输入压缩空气迫使地下水位下降一定幅度，然后迅速打开排气
11、阀，使压缩空气排出钻孔，观测水位从振荡到静止的过程，并据此计算岩体的渗透性。 1.0.3 本规程的适用范围是水利水电工程地质勘察中的压水试验工作。帷幕灌浆施工过程中的压水试验工作应按照专门的规定进行。 2 基 本 规 定 2.1 试验方法与试段长度 2.1.1 常用的压水试验方法是用单栓塞隔离试段，随着钻孔的加深自上而下地分段进行。本规程仍推荐此方法作为基本的压水试验方法。同时还规定，在满足一定条件下，也可以采用双栓塞自上而下或自下而上地分段进行试验。 现就双栓塞试验问题作如下说明： 一、双栓塞试验的优缺点 双栓塞试验的优点是： (1)试验工作与钻探工作可以部分或全部分离，因而费用较低。 (2
12、)某些操作步骤(如洗孔、水位测量等)可以合并进行，试验时间较短。 (3)可以根据孔内实际情况合理地确定栓塞置放位置和试段长度，试验成果与地质条件之间的相关性较好。 双栓塞试验的缺点是： (1)双栓塞(特别是下栓塞)的止水可靠性不易检验。 (2)由于钻程较长，岩粉堵塞裂隙的可能性增大。 二、关于双栓塞设备及其止水可靠性 工作可靠的双栓塞设备，是进行双栓塞试验的前提。目前，国际市场上已有多种双栓塞，国内东北勘测设计院等单位进行研究试制，根据生产性试验的资料，其效果比较好，并已通过鉴定。对于双栓塞的工作可靠性及其检验问题，从结构上采取了下列措施： (1)增大栓塞长度。 (2)使下栓塞的工作状态与上栓
13、塞严格同步。 (3)在下栓塞下部设置测压管或传感器。 (4)用水管将下栓塞下部与上栓塞上部连通，若下栓塞漏水，上栓塞上部的水位就将上升。 通过试验，证明双栓塞工作状态良好。据国外的试验资料(例如皮尔逊和莫尼、布拉辛顿和瓦特豪尔)，试验时也均未发现栓塞有漏水现象，说明设备问题是可以解决的。 三、关于双栓塞试验的岩粉堵塞裂隙问题 从八十年代开始，我国在水利水电工程钻探领域全面推广应用金刚石钻进。由于金刚石钻孔的钻进效率高，耗时少，孔径小，破碎岩石的体积小，孔内流速较大，孔壁较平直，钻具与孔壁的间隙小，提动钻具时孔壁受到较大的抽吸作用，因此，与碾砂钻孔相比，金刚石钻孔裂隙被堵塞的可能性大大减少。如果
14、采用更有效的洗孔方法(例如活塞抽吸洗孔法)，无疑将进一步降低裂隙堵塞的可能性。 单、双栓塞对比试验的实际资料，目前有大藤峡、哈泥河和三峡3个工程9个钻孔的58段成果，其中可供对比的有5个钻孔23段试验成果，见表2.1.1。 表2.1.1 单、双栓试验成果对比情况表 项 目 段 数 占总段数(%) 单、双塞试验成果值相同或接近 11 48 单塞试验成果大于双塞试验成果值 2 9 单塞试验成果小于双塞试验成果值 10 43 布拉辛顿和瓦特豪尔曾指出，与单栓塞试验相比，双栓塞试验增加了一次绕栓塞渗流的机会，因此，如无其它因素影响，双栓塞试验成果值一般大于单栓塞试验成果。 从表2.1.1可以看出，单栓
15、塞试验成果值大于双栓塞试验成果(亦即双栓塞试验时裂隙被岩粉堵塞)的比例不大，说明岩粉堵塞对试验成果的影响不太严重。 四、双栓塞试验方法的使用条件 为了确保双栓塞压水试验的资料质量，在规程中规定了采用双栓塞试验方法的一些条件，如采用金刚石钻进，岩石坚硬(软岩岩粉颗粒较细，易于堵塞裂隙)、孔壁完整、连续钻进深度不超过40m等，这些规定的目的都是尽量减少岩粉堵塞裂隙的影响。 2.1.2 本规程规定试验段长度一般为5m，与原规程相同。 试验段是编制渗透剖面图的基本单位。目前的压水试验，求得的透水率是试段的平均值，如试段过长，势必影响成果的精度；如试段过短，又会增加压水试验的次数和费用。国外有关规程中规
16、定的试段长度在36m之间，多数为5m，与我国规定基本上一致。 对于地质构造条件特殊(如断层带、裂隙密集带等)的孔段、透水性相差悬殊的孔段，均应根据具体情况确定试段的位置和长度，同时还应考虑下一试段栓塞止水的可靠性。 2.1.3 本条为解释性条文，具体说明不同情况下如何计算试段长度。 2.2 压力阶段与压力值 2.2.1 本条规定压水试验一般按三级压力、五个阶段进行。三级压力值一般分别为0.3MPa、0.6MPa和1.0MPa。 、多阶段试验的必要性 1933年，法国工程师吕荣首先提出在钻孔内进行压水试验，作为判断坝基是否需要进行帷幕灌浆的依据，当时是采用1MPa的压力进行一阶段试验。经过一段时
17、间的实践，人们逐渐认识到一阶段试验成果有一定的局限性。大量的试验成果表明： (1)在不同的压力下，岩体裂隙内的渗流状态是不相同的。 (2)在不同的压力下，岩体的裂隙状态(开度、充填物的位置等)会发生变化，因而其渗透性也会发生变化。 只有采用多级压力进行循环试验，将不同压力下的流量变化情况以及最大压力前、后同一压力下的流量变化情况进行对比分析，才能了解渗流状态和裂隙状态的具体情况，从而便于合理地确定岩体真实的渗透性。只做一阶段试验，特别是只做压力高达1MPa的一阶段试验，难以判别岩体是否已经产生了抬动变形或充填物冲蚀等现象，所得的成果是不够全面的。 二、压力阶段数 目前，各国的压水试验均采用多级
18、压力循环试验的方法，但具体规定不尽一致。多数国家采用三级压力五个阶段，即逐渐升压至最大压力，然后按原压力逐级下降p1-p2-p3-p4(p2)-p5(=p1)，p1p2p3。有的国家采用四级压力七个阶段的试验方法，即p1-p2-p3-p4-p5(=p3)-p6(=p2)-p7(=p1)，p1p2p3p4。美国垦务局采用五级压力八个阶段，即p1-p2-p3-p4-p5-p6(=p1)-p7(=p3)-p8(p5)，p1p2p3p4p5。他们采用较多压力阶段的原因，是希望求出PQ曲线的非线性度m，并据此计算透水率。日本建设省的“吕荣试验技术方法”中规定为五级压力九个阶段，即p1-p2-p3-p4-
19、p5-p6(=p4)-p7(=p3)-p8(p2)-p9(=p1)，p1p2p3p4p5，原因是他们对最大试验压力不加任何限制，并希望通过试验求出试段的临界压力。 经过权衡，我们选用了三级压力五个阶段的试验方法。因为一般说来，这样做既可满足需要，又不致使试验时间过长。当某个工程如认为有必要时，也可以采用较多的压力阶段。 三、试验压力 鉴于吕荣值的定义压力为1MPa，故试验的最大压力(p3)一般应达到该值，用法定计量单位表示，则为1MPa。至于吕荣为什么取定义压力为1MPa，未见有明确的解释。推测吕荣在提出这种试验方法时，是把它作为灌浆的模拟试验，而帷幕灌浆所用压力通常较高。 为了使试验成果均匀
20、分布，其余两级压力(p1、p2)应分别为13p3、23p3。当p3为1MPa时，p1、p2分别为0.3MPa和0.6MPa。 一般说来，确定试验的最大压力时无需考虑挡水建筑物的规模。因为，第一，在理论上，渗流速度或渗流量取决于梯度而不是压力的大小，而同一种坝型坝基水力梯度的分布情况大体相同，与其规模无关；第二，压水试验时岩体中的水力梯度分布情况与蓄水后坝基的水力梯度分布情况完全不同，两者不能直接类比。但是，如果坝比较高，坝基内又存在可能产生渗透变形的地质体时，除应进行专门的渗透稳定性试验外，也可以选择一部分孔段适当增大试验压力。 2.2.2 当试验段位置距地表较近或岩体软弱时，采用最大压力为1
21、MPa进行试验，可能会导致岩体抬动变形，使所得的透水率失真。因此，多数国家都对岩面以下一定深度内的试段所采用的最大试验压力(p3)加以限制。最常用的压力随深度的增量为每1ft增加1lbin2或每米增加0.023MPa。 但实际上，上述数值只能供确定浅部试段的试验压力时参考，因为在压水试验时岩体是否会产生抬动变形，取决于很多因素，例如： 一、裂隙中渗透压力的大小是岩体能否产生抬动变形的关键，而渗透压力的分布情况与裂隙的性态(产状、延伸长度、宽度和渗透性的变化等)有关。一般说来，裂隙中的渗透压力不是均匀分布的，往往在钻孔孔壁附近较大，向远处迅速衰减，情况比较复杂。 二、要使岩体上抬，除了克服岩体自
22、重压力外，还必须克服岩体间镶嵌、咬合作用所形成的结构力。马尔科斯(FMarcos)引入参数Fc表示结构力的大小 Fphcc=式中 pc使岩体产生抬动的临界压力； 岩石容重； h试段深度。 布鲁斯(OABruce)等在英国的基尔德(Kielder)坝做了两个孔的水力劈裂试验，得出Fc为1.242.59，与摩根斯坦(Mogenstein)和伏格汉(Vaughan)1963年在砂页岩中所得数值(Fc1.22.4)接近。实际上，结构力与岩体的强度、风化程度、裂隙产状和发育程度有关，其数值可能在一个较大的范围内变化。 三、如果考虑水下岩石的浮容重，则地下水位以下的压力增量理论上仅为每米0.013MPa。
23、 鉴于上述这些情况，很难精确地确定压力增量值，故本规程没有规定出具体的最大压力值。在实际试验时，建议采取如下措施： (1)在每个工程开始工作时，对浅部试段进行少数试验，以确定不引起岩体变形抬动的最大试验压力。 (2)当岩体强度较低，或裂隙比较发育时，建议参考采取下列数值确定最大试验压力： 当试段深度(基岩面以下)小于15m时，p30.3MPa； 当试段深度(基岩面以下)为1530m时，p30.6MPa； 当试段深度(基岩面以下)30m时，p31MPa。 p1、p2分别为p3的13和23。 2.2.3 当试段的透水率小于1Lu时，PQ曲线通常为直线。国外的资料中对透水率小于1Lu的试验成果不区分
24、PQ曲线类型。因此，本条规定当试段的透水率小于1Lu时可不再进行降压阶段的试验。 2.2.4 本条是解释性条文，具体说明试段压力的定义和在不同情况下的计算方法。 2.2.5 本条说明不同情况下压力计算零线的确定方法。这些确定原则，对竖直钻孔和倾斜钻孔都是适用的。 在压力计算零线问题上，有两点需加说明： (1)压力计算零线的确定前提是试段岩体的渗透性为均质的。不符合这一前提，规程中的规定自然就是不正确的。但目前的压水试验方法无法解决岩体渗透性的非均质性问题。 (2)当地下水位位于试段内时，即使按照均质岩体的假设，规程中的规定严格地说也是不正确的。但考虑到实际差别不大，为便于计算，仍沿用原规程的规
25、定，未予修改。 2.2.6 本条说明管路压力损失的确定方法。 初期的吕荣试验是不考虑管路压力损失的。后来认识到这样做过于粗糙，因此目前所有的国外规程都规定必须计入管路压力损失。实测资料表明，当流量较大(例如大于50Lmin)时，管路压力损失急剧增大，不计管路压力损失将导致成果产生较大误差。此外，不计压力损失还会改变PQ曲线的形状，使出现B型(紊流型)曲线的比例增大。 确定管路压力损失的方法有公式计算和实际测定两种。用公式计算与实际测定结果差异较大。因此，宜优先采用试段压力计实测试段的实际压力，否则，应在地面测定每米钻杆和每付接头在不同流量下的压力损失，并编制出图表供现场试验时使用。由于我国目前
26、使用的钻杆和接头在规格和内表面光洁度等方面不尽相同，因此实测工作只能由各单位各自进行，而不能采用全国统一的图表。 表2.2.6 管路压力损失实测表 管长(m)的压力损失 流 量 (L/min) 每米钻杆 压力损失 每付接头 压力损失 25 50 75 100 25 50 75 100 0.010 0.085 0.140 0.212 0.090 0.211 0.591 1.177 0.61 2.97 5.86 10.01 1.31 6.15 12.32 21.19 2.01 9.33 18.77 32.38 2.71 12.51 25.23 43.56 注：1.设每根钻杆长5m； 2.压力损失均
27、以米水柱计。 表2.2.6是东北勘测设计院实测的管路压力损失资料(钻杆外径50mm，内径38mm；接头外径50mm，内径22mm)。从表中可以看出，管路压力损失随流量的增大而急剧增大，且压力损失主要产生在接头部位。 2.3 试验钻孔 2.3.1 我国水利水电工程地质钻探的钻孔直径为59150mm，其中金刚石钻进的常用孔径为59mm、75mm、91mm，钢砂(钢粒)钻进的常用孔径为91mm、110mm、130mm、150mm。试验钻孔的孔径对压水试验成果有影响，但一般说来这种影响很微小，可以忽略不计。孔径特大或特小的钻孔，其渗流的边界条件差异较大，因此，在将这类钻孔的压水试验成果与常规直径钻孔的
28、压水试验成果作对比之前，应进行专门的试验论证。 2.3.2 为了减少岩粉堵塞，压水试验钻孔最好采用金刚石或合金钻进。泥浆钻进会使孔壁上形成一层泥膜，并堵塞裂隙，因此压水试验钻孔严禁使用泥浆钻进。 在金刚石钻进时，通常使用乳化冲洗液。乳化液由水、油和表面活性剂组成。乳化液中的油珠重新凝结并离析出来的现象称为破乳。乳化液破乳后，将产生大量油泥、泡沫和胶状物，会严重堵塞裂隙，妨碍水流通过。当水中钙镁离子含量超过610-4时，离子型乳化液将变成钙镁盐，导致乳化液严重破乳。此外，石灰岩、白云岩及其他含二价金属元素的岩石对活性剂有强烈吸附作用，也将使乳化液严重破乳，故在碳酸盐类岩石中钻进压水试验钻孔时，应
29、选用合适的冲洗液。 为了使钻进时冲洗液能在孔口返出，减少岩粉堵塞裂隙的机会，试验钻孔的套管脚应进行止水。 2.3.3 为了防止由于钻孔相距过近，在压水试验时产生水流串通而影响试验成果的真实性，故本条规定，如在10m范围内，布置两个以上钻孔时，应先钻进压水试验钻孔。 3 试 验 设 备 3.1 止水栓塞 3.1.1 止水栓塞是压水试验的关键设备。目前国内使用的止水栓塞有双管循环式、单管顶压式、水压式和气压式四种类型。双管循环式栓塞的优点是不必考虑管路压力损失，缺点是需要下两套管子，对小口径金刚石钻孔不适用，且操作费时，钻孔较深时尤其如此，这种栓塞目前已很少采用。单管顶压式栓塞的优点是操作简单，缺
30、点是栓塞长度较短，当孔壁岩石较破碎时止水效果较差。水压式和气压式栓塞的共同特点是胶囊易与孔壁紧贴，即使在孔壁不太平直的情况下，也能实现面接触，且栓塞较长、止水可靠性好，对不同孔径、孔深的钻孔均能适应，操作比较方便。水压式栓塞的缺点是试验结束后胶囊内的水不易排放干净。气压式栓塞的缺点是在钻场上需要有一套高压充气装置。从止水可靠性的观点出发，本规程建议优先选用气压式或水压式栓塞。 3.1.2 关于止水栓塞长度问题，东北院曾进行电拟试验，以比较不同栓塞长度的绕渗量大小(假设地层的渗透性为均质)。试验结果表明，当栓塞长度达到7.5倍钻孔孔径时，绕渗量增加速度减缓。伯利斯(JCBliss)和拉许顿(KR
31、Rushton)用数学模型研究栓塞长度的影响，得出类似的结论。因此，规程中规定止水栓塞长度不小于试验钻孔孔径的7倍。此外，从保持栓塞附近岩体的渗流稳定性角度出发，也要求栓塞有一定的长度。 3.2 供水设备 3.2.1 自流供水是压水试验的最佳供水方法，它使压水试验能在静水压力下进行，压力稳定，在条件允许时宜优先采用。 3.2.2 对供水设备的基本要求是压力稳定、出水均匀，在1MPa压力下流量能保持100Lmin。应当指出，上述供水能力只能使岩体透水率小于20Lu的试段达到预定的最大试验压力1MPa。因此，当坝址的岩体透水性普遍较大时，应选用供水能力更大的水泵。如能满足试验压力的要求，宜选用电动
32、离心泵。当采用往复式水泵时，应在出水口处安设容积不小于5L的稳压空气室，以提高出水口压力的稳定性。 3.2.3 为了保持试验用水清洁，滤水器上应包设过滤网，并与水池底部保持一定距离(不小于0.3m)。 供水调节阀门应灵活可靠，使压力能迅速调整至预定值。 3.3 量测设备 3.3.1 国内研制的试段压力计有昆明勘测设计院的SCY-1型钻孔压水试段测压仪和成都勘测设计院的ZS1000型水文地质综合测试仪。它们都是用压力传感器量测试段内的压力变化，用电缆传到地面，通过二次仪表显示或记录压力值。这两种仪器均已通过鉴定。 压力表目前仍是主要的测压工具。压力表的工作压力应保持在有效范围内(即极限压力值的1
33、3至34)。鉴于吕荣试验所用的压力值变化幅度较大，为满足上述要求，试验期间必须更换压力表。 3.3.2 目前我国在压水试验时所用的流量计实际上是表示累计水量的水表，这种水表只有和测时计联合使用，并通过计算才能得出流量值。本规程规定每隔一或二分钟测读一次流量，用这种水表既无法直观地反映出流量的瞬时变化，又易发生差错。目前我国市场上尚没有能完全满足压水试验需要的流量计(量测范围为1100Lmin，能测定正向和反向流量)，有待进一步研制、选型。 3.3.3 目前我国的地下水位量测设备，大多是在导线的一端接测头，另一端接万能表。导线无专用线架，也不能显示深度，要靠人工丈量；测头规格不一，绝缘不好，往往
34、反应不灵，或出现误读。 3.3.4 本条规定试验用仪表应专管专用，并定期校正。 4 现 场 试 验 4.1 操作程序 4.1.1 本条概述了压水试验现场工作的基本操作步骤。当采用双栓塞进行压水试验时，某些步骤(洗孔、水位测量、仪表安装等)可以简化。 4.1.2 本条强调在试验前应对各种设备、仪表进行检查。 4.2 洗孔 4.2.1 关于洗孔方法，本规程规定一般情况下采用压水洗孔法，当对洗孔有较高要求时，宜采用活塞抽吸洗孔法。 压水洗孔法是国内外常用的洗孔方法，即将大量清水送入孔内，使孔内岩粉随回水带出。为了使水能在全孔内循环，增加洗孔效果，洗孔时钻具应下到孔底，流量应达到水泵的最大出力。 活塞
35、抽吸洗孔法在供水水井中已被广泛应用，其原理是快速上下提动活塞，使活塞以下的孔段产生负压，从而将附在孔壁上以及进入钻孔孔壁附近的裂隙内的岩粉吸出。这种方法设备简单，操作方便。用金刚石钻进的钻孔，由于孔壁规整，活塞造成的抽吸作用更大，因而效果更好。但在岩石比较破碎的孔段，用此法洗孔可能导致孔壁坍塌，故不宜采用。 原规程曾列入抽水洗孔法，但因为地面水泵吸程有限，而用抽筒抽水，水量小，效果差，实际上很少采用，故本规程没有列入这种洗孔方法。 有的作者(如布拉辛顿和瓦特豪尔)还介绍过空气洗孔法，即向孔内注入压缩空气，使之形成水、空气和岩粉的混合物，研磨孔壁并清除孔内的沉淀物，效果不错。考虑到我国大多数钻探
36、现场没有空压设备，故规程中未列入。 4.2.2 本条规定了洗孔的结束标准。原规程中还有一条标准：“取粉管不满”，因目前金刚石钻孔的洗孔钻具中没有取粉管，故予取消。 4.3 试段隔离 4.3.1 本条强调下塞前应检查工作管和防止接头处漏水。 4.3.2 为了保证气压式或水压式栓塞的隔离效果，充气(水)压力应大于该试段的最大试验压力，并在整个试验过程中保持不变。 4.3.3 要提高试段隔离工作的质量，一是要有性能良好的止水栓塞。二是要选择适当的栓塞位置。国外有关规程十分强调栓塞位置的选择，例如英国场地勘察标准(BSS9301981)中要求，在确定栓塞位置时，除了仔细观察钻孔岩芯外，还应进行测井或电
37、视观测。 4.3.4 当试段隔离无效时，应及时采取措施，不允许轻易放弃该段的试验。规程中列举了几种处理措施，可根据具体情况选定。灌制混凝土塞位前，先要扩大孔径，灌制后又要有一定的待凝时间，比较费时、费工，故只有在栓塞止水困难，其他措施均无效时，或表层风化岩带较厚，又需要进行压水试验时，才采用这种方法。 4.4 水位观测 4.4.1 试验前地下水位观测的主要目的，是确定水柱压力的起算点，即确定压力计算零线。 在水位观测问题上，国内外的看法颇不一致。一是是否需要进行观测，二是如何进行观测。 一、试验前是否需要进行水位观测 豪斯比(ACHoulsby)认为，在计算试验压力时，无需进行地下水位位置的修
38、正，当然也就不必测定地下水位。他认为地下水位的位置实际上可以假定为接近地表，因为“一系列的压水试验，加上钻进时的水，通常使渗透性小的地基充满水，以致即使试验前的水位不在地表，不久也会上升到这个位置”。这种观点，显然是错误的。因为即使是均一岩体，按照反漏斗的概念，也只是在靠近钻孔附近水头较大，距孔壁稍远处水头即迅速下降，决不会大面积地上升到地面。 大多数学者不同意豪斯比的意见，认为初期的吕荣试验不考虑水柱压力的影响，故成果过于粗糙，特别是高山峡谷地区，地下水位埋藏较深的情况下，如不计入水柱压力，成果将出现成倍的误差。而要计算水柱压力，就必须在试验前观测地下水位。 二、如何进行水位观测 各国的压水
39、试验规程都规定要进行水位观测，但大多未作具体说明，只有日本建设省的吕荣试验技术准则中作了如下规定：“最好以下塞后的内管水位为基础，直接测定作用于试验段上的水位。但有时水位长时间不能稳定，所以一般测定长时间搁置后的水位，即测定每天早晨工作开始前的孔内水位，把它作为试验时的水位”。 在分析国内外资料的基础上，本规程规定观测工作一般在试段隔离后，在工作管内进行。理由是：第一，理论上合理；第二，只要有合适的仪器，并确定适当的标准，这样做并不费事；第三，通过观测，有可能了解到岩体中含水层分布和变化等水文地质特性，在某种意义上，这种了解甚至比一次压水试验更有价值。不这样做，这部分资料就将缺失，这是很可惜的
40、。 4.4.2 本条对水位观测的结束标准作出规定。确定标准的原则是既使因水位观测引起的压力误差控制在合理的范围内，又不致花费过多的时间。 为了确定水位观测结束标准，分别对以下两种情况作了估算： 一、试段位于天然地下水位以下 栓塞隔离后，工作管内的水位逐渐下降，向天然地下水位逼近，这个过程，可视为一次变水头压水试验。若试段长度为l(m)，工作管内半径为r0(cm)，试段岩体的透水率为q(Lu)，则某一瞬时管内水位与天然地下水位的高差H(m)与该瞬间的水位下降速度v(cmmin)之间关系如下 Hvrlq=0210（4.4.2） 允许的H值应与压力表的精度等级相适应。对于精度等级为1.5级和2.5级
41、，极限压力为1.5MPa的压力表，允许误差为2.253.75m，故取H3m。 若l5m，r0=2cm，则得 Hvq= 025.由此可得v，q与H之间的关系，见表4.4.2。 表4.4.2 v，q，H值关系表 q(Lu) 0.5 1.0 2.0 v(cm/min) H(m) 1 2 5 10 0.5 1.0 2.5 5.0 0.25 0.5 1.25 2.5 0.125 0.25 0.625 1.25 表4.4.2说明，如取v=5cmmin，则当试段透水率q0.5Lu时均可满足H3m的标准；反之，如H3m，则该试段q0.5Lu，岩体的透水性很小，超出了仪表精度和实际需要研究的范围。因此，水位观测
42、结束标准定为5cmmin是合适的。 二、试段位于天然地下水位以上 这种情况下，岩体本来是干燥的，由于钻进时向孔内给水，使岩体中存在一个悬挂于天然地下水位之上的暂时性水体，在钻孔内可以测到水位，且逐渐下降。这个暂时性水体在压水试验过程中是否起作用，看法不尽相同。但多数人认为，由于钻进时间较长，这个水体的范围会大于压水试验的影响范围，因而可以起与天然地下水位相似的作用，这一点已为大量的野外压水试验成果所证实。 在压水试验期间，这个暂时性水位的变化规律很难精确地表达。一般地说，由于试验水的加入，将会出现水位下降速度减慢、水位不变，甚至水位上升等情况。但在估计暂时性水位对压水试验的影响时，不妨假设最极
43、端的情况，即在压水试验过程中暂时性水位仍以与压水试验前相同的速度下降，且在整个试验期间内速度不变。吕荣试验的试验时间约为1小时，若水位允许误差为3m，则压水试验前孔内水位的允许下降速度为： 300605= cm / min也就是说，在这种情况下，水位观测结束标准也可以确定为5cmmin。 当然，以上估算都是粗略的，但这些估算说明，对试验压力较大的吕荣试验而言，放宽水位测量标准不会影响试验成果的精度。 4.4.3 水位观测过程中如发现存在承压水或多层水等现象时，观测工作应遵照专门的规定，更细致地进行，不应与以确定压力计算零线为目的的水位观测工作混为一谈。 4.5 压力和流量观测 4.5.1 本条
44、强调在向试段充水之前，应打开排气阀，使管路充分排气，然后再开始试验，否则将对试验成果有较大影响。 4.5.2 压力、流量观测工作有两种方式：一种是调节压力使之稳定不变，观测流量随时间的变化情况；另一种是调节流量使之稳定不变，观测压力随时间的变化情况。目前常用的是前一种方式，本规程推荐的也是这一种。实际上，在没有瞬时流量计的情况下，这种观测方式是唯一可行的。 4.5.3 本条对流量观测的间隔时间、次数和结束标准作出规定。现对上述问题加以说明。 一、短时间试验的成果可靠性 吕荣压水试验的一个重要特点，就是试验的持续时间短。国外资料的具体规定不尽相同，大体上在510min之间。 许多学者对压水试验达
45、到稳定所需的时间进行了研究，一致认为，该时间与试段岩体的渗透性成反比关系，即岩体渗透性愈小，达到稳定所需的时间愈长。布拉辛顿和瓦特豪尔列出了两者之间的关系(未说明计算时假定的边界条件)见表4.5.3-1。 表4.5.3-1 稳定时间与渗透性关系表 渗透系数(m/d) 达到稳定状态所需时间(min)10 1 0.1 0.01 1 3 30 300 伯利斯和拉许顿假设压水试验时的边界条件相当于承压含水层，用数值解法求得当渗透系数为0.1md，储水系数为10-4时，达到稳定所需时间为20.4min(渗透系数0.1md大体上相当于10Lu)。皮尔逊和莫尼也认为，压水试验时流量可能要在3060min后才
46、趋于稳定。 从理论上分析，当试段位于地下水位以下，岩体原已处于饱和状态时，压水试验的流量需要经历一段时间之后才能达到稳定，其原因可能有两方面：一是当裂隙网互相切割、且大体上均匀分布时，压水使钻孔附近的地下水位上升，这部分岩体充水饱和需要一定的时间；二是当试段附近裂隙以水平为主，压水时这部分岩体处于承压状态，在试验压力作用下岩体产生弹性变形，具有一定的储水能力，这部分体积充水需要一定的时间。布里斯和拉许顿的计算看来属于后一种情况。岩体渗透性愈小，补充这部分水量所需的时间也就愈长。不论是那一种情况，流量都应当逐渐减小，最后趋近于恒定值。因此，如果试验时间不足，则所得流量值应当偏大。 除了理论分析之
47、外，还应当从实际使用的角度出发，对延续时间为10min左右的试验成果的可靠性，进行考察评价。由于我国吕荣试验实际资料不多，故利用了豪斯比列举的四个坝址811次试验资料，以及布鲁斯(DABruce)和米尔摩尔(JPMillmore)列举的基尔德(Kielder)坝77次试验资料，见表4.5.3-2。 表4.5.3-2 试验延续时间与成果精度关系表 表4.5.3-2中的数字均为占总段数的百分比。PQ曲线类型划分采用了豪斯比的方案，即分为A型(层流型)、B型(紊流型)、C型(扩张型)、D型(冲蚀型)和E型(充填型)五种。五种类型的详细说明见第5章。 从试验延续时间和成果可靠性的角度看，A、B、C三种
48、类型在最大压力前、后同一压力(第1点和第5点，第2点和第4点)下的流量值相同或基本相同，这就能够说明，试验延续时间虽短，但对试验成果的精度影响甚小。从工程实际使用的观点看，成果是可靠的。D型(冲蚀型)最大压力前的流量小于最大压力后同一压力下的流量(即Q5Q1，Q4Q2)，显然与试验延续时间不足，流量未达到完全稳定无关。只有E型成果最大压力前的流量大于最大压力后同一压力下的流量(即Q5Q1，Q4Q2)。产生这种类型曲线的影响因素比较复杂，包括裂隙在试验过程中被堵塞，部分裂隙处于封闭状态等，当然也不能完全排除试验延续时间不足这种可能性。但这种类型成果所占的比例很小。在五个坝址，近900段试验成果中
49、仅占413，平均为6。由此说明，延续时间为10min左右的试验成果，尽管从理论上看未达稳定，但至少对90以上的试段而言，不影响其实际使用，成果是可靠的。 二、观测间隔 为了了解试验时流量的变化情况，我们原则上希望每分钟观测一次，对于直读式流量计来说，这样做并无困难。但目前我国大多数试验采用水表测流量，每分钟观测一次过于紧张，故规程规定每隔1或2分钟观测一次，视工地的具体情况而定。当然，如果2分钟观测一次，则试验所需时间必然要长些。 三、观测结束标准和取值 理论上，流量在向稳定值趋近的过程中，其变化值是随时间递减的。为了使试验成果更可靠，要求在某一时段内流量的变化值不大于某一标准，这样试验虽未达到真正稳定，但至少已进入缓变段，因而可以把试验误差控制在一定范围之内。 参考国外有关资料，规程规定五次流量读数的相对差不大于10，或绝对差不大于1Lmin，该阶段试验即可结束。绝对差的标准主要是根据流量计实际可能达到的精度确定的。 取最后一次流量读数作为计算值，比取该时段内的平均值更合理些，也较方便。
