压水试验在工程岩体透水性评价中的应用

王丹微，庞大鹏，乔艳红

(1.吉林建筑大学，吉林 长春 130118;2.东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130033；3.廊坊师范学院，河北 廊坊 065000)



压水试验在工程岩体透水性评价中的应用

王丹微1，庞大鹏2，乔艳红3

(1.吉林建筑大学，吉林 长春 130118;2.东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130033；3.廊坊师范学院，河北 廊坊 065000)

在核电工程的可行性研究阶段，客观准确评价工程岩体稳定性极为必要。岩土工程勘察中，在了解场地基本工程地质条件基础上，分别对3个待选厂址中一定数量的钻孔内岩体进行了压水试验，计算出各试验段的岩体透水性指标,得出压水试验曲线，确定岩体的透水性等级。通过对3个待选厂址区内4个钻孔内压水试验数据结果进行综合分析，得出了岩体透水性相对较弱的厂址，为可行性研究阶段的岩土工程勘察提供依据。

压水试验；岩体透水性;核电厂选址

0 引言

在土木工程建设中，岩体、土体及地下水作为主要地质体，其重要性不言而喻。岩体、土体是各类土木工程构筑物的地基及介质环境，而地下水的水质及渗透性也会影响到土木工程的诸多方面。因此，必须对岩体、土体的稳定性及地下水的特性进行全面准确地评价。

对于大型土木工程构筑物，如核电工程，岩体地基的稳定性及地下水的渗流特征会直接决定最终工程构筑物的安全性。为了对上述稳定性问题进行分析，有必要选取适合一系列岩土工程原位测试的方法进行试验。在评价工程岩体稳定性及地下水渗透特征方面，压水试验是一种比较适宜的方法。通过该试验，可对工程建设范围内岩体的单位吸水率、透水率及渗透系数进行测试，进而取得工程岩体中节理张开度及岩体的渗透系数等定量参数，并获得裂隙充填物特征[1]。在此基础上，为核电工程最优场址的选择提供依据。

1 压水试验

1.1 基本原理

在压水试验中，一般运用气囊法，该气囊也称为止水栓塞。将止水栓塞放入钻孔内，此时试验段将被气囊隔离。运用钻机及活塞式复泵将岩体裂隙中的地下水吸入试验段，在此基础上，可利用地面的外接量测设备得出在不同水压力作用下压入岩体节理中的水量。测试结束后，可进一步计算出岩体的透水率和渗透系数等指标[2]。

1.2 试验设备及方法

1.2.1 试验设备

在压水试验过程中，主要需要的设备有止水栓塞即气囊，供水设备(一般采用BW-150型活塞式往复泵，其最大流量为150L/min，最大压力为1.8MPa)，量测设备(主要包括压力表、水表、测钟、万用表电测水位计等)。

1.2.2 试验方法

压水试验应按照相关规范进行试验操作，如《水利水电工程钻孔压水试验规程》(SL31-2003)和《水利水电工程地质勘察规范》(50287-99)[3]。具体试验步骤如下。

(1)清洗钻孔。一般运用压水法，清孔的深度应延伸至孔底，清洗钻孔的流量应为试验水泵的最大出力。

(2)仔细检查试验设备及仪表是否满足试验要求，质量是否合格，将各部分连接。

(3)试验设备连接好之后，首先观测钻孔内的初见水位，然后将止水栓塞下放至钻孔试验段，其中隔离段长度为5m左右。在此基础上，再次观测钻孔内水位，水位需每隔5min观测一次，在水位变化过程中，若水位的下降速度连续两次均小于5cm/min，可将该出的水位深度作为水压力的起始计算点。

(4)运用相关设备将水注入试验段，并观测水位变化。在试验过程中，应严格将进入岩体裂隙的水压力控制在5个压力值等级，5个压力值依次为0.30MPa、0.60MPa、1.00MPa、0.60MPa、0.30MPa。在试验压力达到指定压力值后，保持5-10min，即可测得不同水压力下进入岩体裂隙的水量。

2 某核电工程压水试验结果及分析

以某核电工程可行性研究阶段的岩土工程勘察为例，进行了3个待选厂址的岩体压水试验。具体试验的岩性特征为：(1)点将台厂址，花岗岩强风化和中等风化；(2)松江厂址，花岗岩强风化；(3)四方山厂址，玄武岩强风化和微风化。

2.1 计算步骤

压水试验过程中，按以下计算公式计算试验压力[4]：

P=Pp+Pz-Ps

(1)

式中：P——试验压力(MPa)；Pp——压力表压力(MPa)；Pz——压力表中心压力计算零线的水柱压力(MPa)；Ps——管路压力损失(MPa)。

根据式(2),(3)可计算岩体的透水率和渗透系数：

(2)

(3)

式中：q——试验段透水率(Lu)；K——岩体的渗透系数(cm/s)；L——试验段长度(m)；P——试验压力阶段的压力，即为该阶段最大压力值(MPa)；Q——试验压力阶段的压入流量，即为该阶段最大流量值(L/min)；H——试验水头(m)；r——钻孔半径(m)。

2.2 试验成果分析

2.2.1 压水试验计算成果

在对3个待选厂址区的岩体进行压水试验后，得出3个厂址中4个钻孔内的压水试验结果，即透水率、渗透系数、透水性等级。具体试验结果如表1所示，其中，编号为DJ2代表点将台厂址2号钻孔，编号DJ6代表点将台厂址6号钻孔，编号SJ1代表松江厂址1号钻孔，编号SF5代表四方山厂址的5号钻孔。在对压水试验数据分析基础上，得出了各钻孔的P-Q曲线，如图1-图4所示。

表1 压水试验成果表

2.2.2 试验结果分析

通过对表1中的数据及图1-图4中P-Q曲线的分析可知，点将台厂址的花岗岩中风化段透水性为中等透水，渗透系数为1.094×10-4～1.272×10-4cm/s，结合钻孔资料，可知岩芯较破碎，节理裂隙发育。松江厂址的花岗岩强风化段透水性为中等透水，渗透系数为1.101×10-4cm/s，结合钻孔资料可知，岩芯较破碎，节理裂隙发育。四方山厂址的花岗岩中等风化段岩体透水性为弱透水：渗透系数分别为1.219×10-4cm/s，结合钻孔资料可知，岩芯较破碎，节理裂隙发育；微风化段岩体的渗透系数为5.315×10-5cm/s，结合钻孔资料可知，岩芯较破碎，节理较发育。

依据对上述计算结果及曲线的分析可知，在3个待选厂址中，岩体结构面均较发育，渗透系数差距不大，但从岩体透水性上看，四方山厂址的岩体透水性属弱透水性，岩体性质略优于其他两个厂址。

3 结论

(1)作为一种岩土工程原位测试手段，压水试验操作简便，试验数据较为客观，因此，可将该试验更多地应用到工程岩体稳定性评价中。

(2)在大型土木工程建设中，如核电工程、水利水电工程的可行性研究阶段，准确地评价待选场地的岩土工程性质是极为必要的。在该阶段的岩土工程勘察中，主要应通过适宜的岩土工程测试手段，选取适宜的场地。

(3)通过压水试验，得出该拟建核电工程3个待选厂址的岩体透水率、渗透系数及透水性等级，为最优厂址的选择提供了有力依据。

[1] 李金轩，余修日.岩石力学与工程学报[J].2004，23(9):1476-1480.

[2] 殷黎明，杨春和，罗超文，等.高压压水试验在深钻孔中的应用[J].岩土力学，2005,26(10)：1692-1694.

[3] 王锦国，周志芳，黄勇.基于压水试验资料的岩体透水性分形特征研究[J].岩石力学与工程学报，2003,22(4)：562-565.

[4] 周敏，王忠福，张旭柱.高压压水试验在呼和浩特抽水蓄能电站中的应用[J].工程勘察，2011,39(8)：55-59.

Application of Water Pressure Tests tothe Permeability Evaluation of Engineering Rock Mass

WANGDan-wei1,PANGDa-peng2,QIAOYan-hong3

(1.JilinJianzhuUniversity，Changchun130118，China;2.NortheastElectricPowerDesignInstituteCO.,Ltd，Changchun130033,China;3.LangfangTeachersUniversity,Langfang065000,China)

In the feasibility stage of the nuclear power engineering, it is very important to evaluate the stability of the engineering rock mass. In the process of geotechnical engineering investigation, water pressure tests have been done based on the engineering geological conditions. The tests were finished in the boreholes of 3 waiting selecting plant sites. The permeability indexes of the rock mass and water pressure curves have been obtained, and then, the grades of permeability of rock mass have also been determined. By analyzing the data of the tests, the plant site with low permeability has been chosen. In this way, the important parameters of the permeability properties were provided for the geotechnical investigation.

water pressure test; permeability of engineering rock mass; site selection of nuclear power plant

2017-02-25

王丹微(1982-)，女，工学硕士，吉林建筑大学测绘与勘查学院讲师，研究方向：岩土工程。

TU195

A

1674-3229(2017)02-0073-03