李維欣

（1.華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050021）

工程建設(shè)以巖體為持力層時(shí)，開(kāi)展水文地質(zhì)勘察工作，查明建筑物基礎(chǔ)及其影響范圍內(nèi)巖體的地下水賦存規(guī)律與水化學(xué)特征、裂隙發(fā)育程度、滲透性參數(shù)等對(duì)于保障建設(shè)工程的安全至關(guān)重要。據(jù)美國(guó)水利行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，大約40%的土石壩破壞主因是巖土體的滲透變形，在我國(guó)這一比例則高達(dá)60%[1]。近年來(lái)，隨著工程建設(shè)項(xiàng)目體量不斷增長(zhǎng)，人們對(duì)巖體滲透性的研究也逐步深入，先后涌現(xiàn)出現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法、幾何形態(tài)法、反演法等研究方法，并不斷完善。受巖體裂隙復(fù)雜性制約，巖體滲透性的理論研究上依然存在較多難題，指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用仍有較大誤差，因此現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)法依然是測(cè)算巖體滲透性的主流方法之一。

1 壓水試驗(yàn)方法與優(yōu)缺點(diǎn)

（1）呂榮壓水試驗(yàn)。呂榮壓水試驗(yàn)法是法國(guó)科學(xué)家Lugeon于1933年在估計(jì)壩基巖體穩(wěn)定性時(shí)提出的，并經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。其操作過(guò)程為，在完成試驗(yàn)段清水鉆進(jìn)后，對(duì)鉆孔進(jìn)行充分清洗，然后下入止水栓塞將試驗(yàn)段與其余孔段隔離，測(cè)量到鉆孔內(nèi)地下水的穩(wěn)定水位，然后用不同的壓力向試驗(yàn)段送水，通過(guò)壓力測(cè)量計(jì)、水流量測(cè)量計(jì)測(cè)定各階段的壓力值及流量值，以此計(jì)算出巖體的透水率[2]。目前，我國(guó)規(guī)范通用三級(jí)壓力五個(gè)階段的五點(diǎn)法（即P1→ P2→ P3→ P4（=P2）→ P5（=P3），P1＜P2＜P3）進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)段透水率采用第三階段的壓力值（一般為1MPa）和流量值來(lái)計(jì)算，其物理意義為試驗(yàn)段壓力為1MPa時(shí)，每米試驗(yàn)段的壓入水流量（L/min）[3]。呂榮壓水試驗(yàn)法具有原理簡(jiǎn)單、操作方便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今世界各國(guó)普遍采用的常規(guī)性壓水試驗(yàn)方法。但同時(shí)也存在一些不足之處，首先，該試驗(yàn)對(duì)于操作精度具有較高的要求，實(shí)踐過(guò)程中，受洗井質(zhì)量、止水栓塞的止水效果、地下水水位測(cè)量精度、管內(nèi)壓力損耗等因素影響，試驗(yàn)結(jié)果可能出現(xiàn)較大誤差。其次，該方法不適用于地下水水位埋深過(guò)大或水頭過(guò)高的水文地質(zhì)背景。另外，該方法的原理是將裂隙發(fā)育的巖體等效為一個(gè)各向異性的多孔介質(zhì)，但現(xiàn)實(shí)中，這種典型單元體是不存在的，其理論基礎(chǔ)仍需完善。

（2）三段壓水試驗(yàn)。三段壓水試驗(yàn)法是Louis和Maini于1972年利用室內(nèi)物理模型試驗(yàn)測(cè)定巖體中一條裂隙滲透性時(shí)提出的，其原理是單組裂隙內(nèi)的水流方向是平行于裂隙面的二維流，用壓水試驗(yàn)可準(zhǔn)確測(cè)量該單組裂隙的滲透系數(shù)。通過(guò)多次試驗(yàn)，分別獲得各組裂隙的滲透系數(shù)，將各組裂隙的滲透系數(shù)依據(jù)各組裂隙產(chǎn)狀進(jìn)行矢量計(jì)算，就能夠獲得巖體的總滲透系數(shù)[4]。三段壓水試驗(yàn)理論簡(jiǎn)單，能夠準(zhǔn)確獲取單組裂隙的滲透系數(shù)，在裂隙小于3組的地區(qū)較為實(shí)用。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在試驗(yàn)設(shè)備需特制、費(fèi)用昂貴，難點(diǎn)在于研究某單組裂隙滲透性時(shí)，如何有效地排除其它裂隙組的影響，尤其是在裂隙密集區(qū)域，該試驗(yàn)的應(yīng)用有較大限制。

（3）交叉孔壓水試驗(yàn)。交叉孔壓水試驗(yàn)法是Hsieh和Neuma于1985年為計(jì)算各向異性的基巖裂隙含水層的滲透性而提出的[5]。該方法實(shí)施時(shí)，先打三口鉆孔，選擇其中一口鉆孔下入止水栓塞將試驗(yàn)段同其余孔段隔離開(kāi)，然后向試驗(yàn)段注水，同時(shí)對(duì)其余兩口鉆孔的觀測(cè)段的進(jìn)行水頭監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)多次分段試驗(yàn)和注水監(jiān)測(cè)交叉試驗(yàn)，采用理論公式計(jì)算即可得到試驗(yàn)段巖體的綜合滲透系數(shù)。交叉孔壓水試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，試驗(yàn)前不要求預(yù)先調(diào)查掌握巖體的裂隙發(fā)育特征，鉆孔方向的布置亦無(wú)要求。缺點(diǎn)是其理論復(fù)雜，計(jì)算較為繁瑣。

2 呂榮壓水試驗(yàn)常見(jiàn)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

自Lugeon于1933年首先提出呂榮壓水試驗(yàn)方法以來(lái)，國(guó)內(nèi)外在壓水試驗(yàn)理論研究與方法創(chuàng)新上經(jīng)歷了較大的變革，三段壓水試驗(yàn)法、交叉孔壓水試驗(yàn)法、高壓壓水試驗(yàn)法等方法相繼涌現(xiàn)，同時(shí)，不同試驗(yàn)方法的試驗(yàn)設(shè)備也在向智能化、信息化等方面逐步改進(jìn)。目前，我國(guó)工程界壓水試驗(yàn)的主流方法依然是呂榮壓水試驗(yàn)法，下面將近年來(lái)在利用呂榮壓水試驗(yàn)方法工作過(guò)程中遇到的常見(jiàn)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行分析闡述。

（1）單栓塞與雙栓塞的選擇問(wèn)題。單栓塞止水優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)觀測(cè)水位變化就可直接判斷栓塞的止水效果，能克服孔壁不平整，便于質(zhì)量控制；缺點(diǎn)是需分段成孔，鉆進(jìn)過(guò)程和壓水試驗(yàn)交替進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)、鉆進(jìn)過(guò)程較慢。雙栓塞止水優(yōu)點(diǎn)是一次成孔分段試驗(yàn)，試驗(yàn)耗時(shí)較短，缺點(diǎn)是下栓塞的止水效果難以判斷、裂隙易被巖屑堵塞。通常情況下，多選擇雙栓塞，但對(duì)于地層與裂隙較復(fù)雜的試驗(yàn)段宜選用單栓塞，并應(yīng)著重控制下鉆速度與栓塞提升速度。

（2）加壓設(shè)備的選擇問(wèn)題。目前一般宜選用電動(dòng)離心泵，以保障壓力的平穩(wěn)性。但對(duì)于基巖滲透系數(shù)較大、電動(dòng)離心泵難以達(dá)到設(shè)計(jì)的最大壓力值時(shí)，可選用往復(fù)式水泵，選用往復(fù)式水泵時(shí)單個(gè)壓力的持續(xù)時(shí)間宜進(jìn)行適當(dāng)延長(zhǎng)，以保證壓力穩(wěn)定在該試驗(yàn)值，同時(shí)，針對(duì)其存在壓力不穩(wěn)的問(wèn)題，應(yīng)增設(shè)調(diào)壓器裝置。

（3）最大壓力的選擇問(wèn)題。向基巖裂隙中壓水會(huì)改變裂隙的狀態(tài)，從而影響裂隙的滲透性，如果最大壓力選取不合適，會(huì)導(dǎo)致裂隙滲透性發(fā)生不可逆的改變。因此，最大壓力的選擇往往需要綜合考慮試驗(yàn)段基巖物理力學(xué)特性與埋深情況，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于基巖強(qiáng)度較低的工況，埋深小于15m時(shí)取0.3MPa；埋深介于15m～30m時(shí)取0.6MPa；埋深大于30m時(shí)取1MPa。

3 結(jié)論

（1）壓水試驗(yàn)法是當(dāng)今測(cè)算巖體滲透性的主流方法，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，先后發(fā)展出呂榮壓水試驗(yàn)法、三段壓水試驗(yàn)法、交叉孔壓水試驗(yàn)法、高壓壓水試驗(yàn)法等方法。其中，呂榮壓水試驗(yàn)法原理簡(jiǎn)單、操作方便、適用范圍較廣，但其操作精度要求較高，不適用于地下水水位埋深過(guò)大或水頭過(guò)高的水文地質(zhì)背景；三段壓水試驗(yàn)法理論簡(jiǎn)單，測(cè)量少于3組裂隙的滲透系數(shù)時(shí)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確；交叉孔壓水試驗(yàn)法設(shè)備簡(jiǎn)單、鉆孔布設(shè)簡(jiǎn)單，但理論復(fù)雜，計(jì)算繁瑣。

（2）呂榮壓水試驗(yàn)法是我國(guó)工程界選擇的主流壓水試驗(yàn)方法，由于其對(duì)操作精度具有較高要求，實(shí)踐中常常在單栓塞與雙栓塞的選擇上、加壓設(shè)備的選擇上以及最大壓力的選擇上存在一定的難題，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件選擇適宜的試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)值，以此提高試驗(yàn)精度，獲得相對(duì)較為準(zhǔn)確的滲透性參數(shù)。