李 健，于開寧，梁 釗，沈 振，王曉明

（1.河北地質(zhì)大學(xué) 河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 石家莊050031；2.青島海洋地質(zhì)工程勘察院，山東 青島266071；3.北京礦物局綜合地質(zhì)工程公司，北京102300）

壓水試驗是測試深部巖體滲透性的重要方法之一，由于能靈活調(diào)節(jié)試段位置和試段長度且試驗數(shù)據(jù)易獲得等特點，被廣泛應(yīng)用于地下能源儲備庫、礦業(yè)開采、地質(zhì)調(diào)查等工程［1-6］。對地下工程而言，巖體的滲透系數(shù)不僅是預(yù)測施工期涌水量的重要參數(shù)，而且由于巖體的滲透性主要受結(jié)構(gòu)面的發(fā)育規(guī)模、裂隙的連通情況等因素影響，巖體的滲透系數(shù)也與巖石質(zhì)量指標(biāo)（rock quality designation，RQD）、圍巖等級關(guān)系密切。準確測得巖體的滲透系數(shù)是地下工程能否順利實施的關(guān)鍵因素之一，眾多學(xué)者就壓水試驗方法及試驗成果進行了大量研究，梁德賢等［7］利用壓水試驗成果，從紊流非達西流角度出發(fā)，提出了高水壓條件下巖體滲透系數(shù)的計算公式。宋礦銀［8］結(jié)合煙臺LPG 水封洞庫項目研發(fā)了一套自動化程度高、易于操作的壓水試驗設(shè)備，并認為在單孔內(nèi)采用雙封塞密封試段更科學(xué)合理，測得的巖體滲透系數(shù)也更準確。范波等［9］介紹了單孔壓水試驗、三段式壓水試驗和多孔交叉壓水試驗的相關(guān)理論，分析了各自的特點和不足：單孔壓水試驗要求精度高，需要一種高精度高自動化的設(shè)備用以提高試驗精度和效率。然而上述學(xué)者在各種工程中用到的壓水試驗，都是按照傳統(tǒng)規(guī)范方法進行，這些試驗方法未考慮在試段內(nèi)直接測取試段壓力，且在低滲透性試段內(nèi)測試精度有限。在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場測試經(jīng)驗，對單孔壓水試驗進行改進，包括試驗設(shè)備和成果分析方法。使用改進后的試驗方法在寧波大榭島熔結(jié)凝灰?guī)r地區(qū)進行應(yīng)用，以檢驗改進效果。

1 單孔內(nèi)巖體滲透系數(shù)取值

測定巖體滲透系數(shù)的試驗方法可分為兩大類：一是穩(wěn)態(tài)法；二是非穩(wěn)態(tài)法［10］。壓水試驗屬于穩(wěn)態(tài)法，即在穩(wěn)定的試段壓力下讀取穩(wěn)定的壓入流量。單孔壓水試驗中，一般采用3個壓力點5個壓力階段進行施壓，即P1→P2→P3→P2→P1，國內(nèi)規(guī)范推薦P1=0.3 MPa、P2=0.6 MPa、P3=1.0 MPa；歐洲規(guī)范中P1=1/4Pmax，P2=1/2Pmax，P3=Pmax。其中：Pmax=0.012 5×Z（Pmax為試段最大壓力，MPa；Z 為試段頂部至孔口之間的高差，m）。記錄各壓力點的流量，繪制對應(yīng)的壓力-流量曲線。一般取最大壓力下的壓力和流量計算該試段的滲透系數(shù)，國內(nèi)規(guī)范［11］中計算滲透系數(shù)的公式為：

其中：K 為巖體滲透系數(shù)，m/d；Q 為壓入流量，m3/d，試驗中為了方便記錄采用L/min；H 為試驗水頭，m，是試段壓力P 轉(zhuǎn)化的水柱高度；L 為試段長度，m；r0為鉆孔半徑，m。

在巖體較完整、滲透系數(shù)較小的試段進行壓水試驗時，常會遇到在較大壓力下壓入流量接近0的情況。由式（1）可知受流量計最小精確讀數(shù)的影響，使用壓水試驗方法測試巖體滲透系數(shù)時會存在下限：如當(dāng)流量計的最小分度值為0.1 L/min，即測不到小于0.1 L/min的流量值，將Q=0.1 L/min代入式（1）計算出的滲透系數(shù)為1.0×10-5m/d，則在該試驗條件下壓水試驗無法測得小于1.0×10-5m/d的滲透系數(shù)。與壓水試驗相比，脈沖試驗更適于測試滲透性低的巖體［12］。脈沖試驗（pressure pulse test）又稱壓力消散試驗，屬于非穩(wěn)態(tài)法，其原理是對試段施加標(biāo)準壓力后密封試段，觀測并記錄壓力（試驗水頭）隨時間衰減曲線，通過解偏微分方程，確定巖石的滲透系數(shù)。利用脈沖試驗測試巖體滲透性在國內(nèi)外均有廣泛的研究和應(yīng)用：Selvadurai等［13］研究了脈沖試驗測試巖體滲透性時氣體摻入對衰減率的影響；陳群策等［12］在甘肅某花崗閃長巖地區(qū)同時進行壓水試驗和脈沖試驗，認為脈沖試驗更適用于測試滲透性較低的巖體。

脈沖試驗可用圖解法求解滲透系數(shù)K（圖1）。圖解法的具體做法是：把試驗所得H/H0隨時間衰減的實測點（其中H 為記錄的某一時刻水頭衰減的殘余值，H0為脈沖試驗開始時的水頭）以同一比例畫在透明的單對數(shù)坐標(biāo)紙上，水平移動試驗曲線，比較其與標(biāo)準曲線的接近程度，固定試驗曲線與標(biāo)準曲線最接近位置，定出β=1直線（即Ttπ/VwCwρwg=1）與試驗曲線圖t軸相交的坐標(biāo)值tm，則可求出巖層的導(dǎo)水系數(shù)［14］。

巖層導(dǎo)水系數(shù)：

其中：Cw為水的壓縮系數(shù)，m2/N；ρw 為水的密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2；Vw為水的體積，m3。

進而得到試段滲透系數(shù)：

其中L 為試段長度，m。

對試段進行密封、加壓是脈沖試驗和壓水試驗都需要的試驗條件，使用安裝在進水管上的壓力計即可觀測壓力消散，因此，只需稍加改進，壓水試驗設(shè)備就可用于脈沖試驗。

2 壓水試驗的改進

圖1 脈沖試驗標(biāo)準曲線Fig.1 Standard curve of pulse test

本次改進基于一套國內(nèi)較先進的壓水試驗設(shè)備，該設(shè)備采用雙水壓封塞密封試段，通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速控制試段壓力，使用安裝在進水管上的高精度電子流量計、電子壓力計來讀取流量和壓力數(shù)據(jù)，為確保管路系統(tǒng)的密封性，使用特制的合金鉆桿作為進水管。設(shè)備硬件方面的改進主要有以下三點：①使用推拉閥門連接鉆桿和上封塞；②在試段內(nèi)安裝水壓探頭；③在進水系統(tǒng)管路上安裝兩個閥門。改進后的設(shè)備及試驗步驟如圖2。

圖2 改進后的試驗設(shè)備及試驗步驟Fig.2 Improved test equipment and test steps

試驗數(shù)據(jù)分析方面的改進主要針對試段壓力計算。現(xiàn)場試驗時當(dāng)采用安設(shè)在與試段連通的測壓管上的壓力計時，試段壓力按式（4）計算：

其中：P 為試段壓力，MPa；Pp為壓力計指示壓力，MPa；Pz為壓力計中心至壓力計算零線的水柱壓力，MPa（圖3）。

當(dāng)采用安設(shè)在進水管的壓力計測壓時，試段壓力按式（5）計算：

其中Ps為管路壓力損失，MPa。其余符號同式（4）。

式（5）中當(dāng)壓力計安裝在進水管上時，壓力計和試段之間管路中的水是流動的，這就會造成一部分水壓被管路對水流的阻力所損耗。而式（4）中壓力計是安裝在與試段連通的測壓管上，由于測壓管內(nèi)的水是不流動的，此時測壓管中的水只起到傳遞水壓的作用。假設(shè)在圖3中，將測壓管上的壓力計安裝在與鉆孔水位齊平的位置，此時Pz=0，試段壓力P 等于測壓管壓力計指示壓力Pp，由于鉆孔內(nèi)的水位是靜止的，測壓管中的水不流動，在測壓管任意位置處管內(nèi)外的壓力差始終為壓力計指示壓力Pp（即Pp=P）。由此可以推斷壓水試驗中用來計算滲透系數(shù)K 的試驗水頭H 實質(zhì)上是試段位置加壓后的水頭與該處初始水頭的差值。結(jié)合式（4）～（5）可以推導(dǎo)出某一深度地面壓力計指示壓力Pp、試段壓力P 與管損壓力Ps的關(guān)系公式如下：

圖3 壓力計中心至壓力計算零線的水柱壓力PzFig.3 Water-column pressure（Pz）from the center of pressure gauge to the zero line

其中：P1為試驗時試段內(nèi)水壓，MPa；P2為試驗前試段內(nèi)水壓，MPa。其余符號同上。

使用改進后的設(shè)備進行試驗具有以下幾方面優(yōu)勢：

1）提高試驗效率

推拉閥門的加入省去了封塞加壓管。推拉閥門是一種能夠切換水流回路的裝置，在向孔內(nèi)下放封塞時推拉閥門處于拉出狀態(tài)，此時鉆桿與封塞連通，通過鉆桿可以給封塞加壓；當(dāng)封塞膨脹固定在孔壁上后，下壓鉆桿，鉆桿與試段連通，即可進行試驗。改進后的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單緊湊，方便運輸安裝，在深孔中連續(xù)進行試驗時效率提升尤為明顯。

2）提高試驗精度

由于試驗現(xiàn)場條件復(fù)雜，在試驗過程中會有很多干擾因素，例如巖石吸水和管路壓力損耗會使試段壓力小于預(yù)期值，具體有多少壓力傳遞至試段無法準確計算。針對這一問題，在試段內(nèi)安裝了高精度的水壓探頭（最大量程3.5 MPa，精度約±1.8 KPa）用來直接記錄試驗前和試驗時試段內(nèi)的水壓。試驗時準確記錄各試段各壓力段的開始、結(jié)束時間，按式（6）計算該試段壓力P。

3）擴展設(shè)備應(yīng)用范圍

與壓水試驗相比，脈沖試驗更適于測試低滲透性低的巖體。壓水試驗過程中遇到壓入流量特別?。ㄐ∮?.01 L/min）時可進行脈沖試驗。壓水試驗適用于滲透系數(shù)較大的巖體（大于10-5m/d），脈沖試驗適用于滲透系數(shù)較低的巖體，彌補了壓水試驗的短板，在現(xiàn)場試驗中推薦先使用壓水試驗方法進行試壓，當(dāng)壓入流量較小時轉(zhuǎn)而進行脈沖試驗。

3 在寧波大榭島熔結(jié)凝灰?guī)r地區(qū)的應(yīng)用

試驗所在地區(qū)基巖主體由上侏羅統(tǒng)高塢組（J3g）及西山頭組（J3x）上段組成，巖性為流紋質(zhì)晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r、英安質(zhì)含角礫晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖等。覆蓋層主要為第四系坡積、沖積及濱海沉積。場地地下水補給來源主要為大氣降水，地表無水系。采用單孔分段式壓水試驗，試段長度10 m。試段壓力分級分階段施加，結(jié)合國內(nèi)外規(guī)范對試驗壓力的要求，各試段的加壓順序及轉(zhuǎn)為脈沖試驗的條件按表1執(zhí)行，取各試段最大壓力下的壓力和流量計算該試段的滲透系數(shù)。

表1 試驗壓力隨深度變化及脈沖試驗條件Tab.1 Variation of test pressure with depth and conditions of the pulse test

由于設(shè)備改進后并不影響其原有功能，因此可以使用改進前和改進后的方法計算同一試段滲透系數(shù)。

3.1 傳統(tǒng)試驗方法

選取V5號孔內(nèi)進行的15段壓水?dāng)?shù)據(jù)進行分析計算，其中管路壓力損失按式（8）計算：

其中：λ為摩阻系數(shù)，λ=2×10-4～4×10-4MPa/m；Lp為工作管長度，m；d 為工作管內(nèi)徑，m；v 為管內(nèi)流速，m/s；g 為重力加速度，m/s2。

試驗前后測量鉆孔水位，記錄穩(wěn)定的壓力流量值。根據(jù)試驗管路條件，選取λ=3×10-4MPa/m，運用式（1）、式（5）計算各試段滲透系數(shù)和壓力，計算結(jié)果見表2。

表2 V5號孔使用傳統(tǒng)方法計算結(jié)果表Tab.2 Results obtained from traditional methods for hole V5

3.2 改進后的試驗方法

嚴格按照要求進行試驗，準確記錄各試段各壓力階段的開始、結(jié)束時間，精確到秒。試驗完成后數(shù)據(jù)分類匯總。各試段首先進行壓水試驗，在達到相應(yīng)條件時額外進行脈沖試驗。使用改進后的試驗方法對V5號孔進行數(shù)據(jù)分析。

3.2.1 高精度壓水試驗

試段1～5及15壓入流量較大，分別按式（1）和式（6）計算試段壓力和試段滲透系數(shù)，計算結(jié)果見表3。

表3 V5號孔使用改進方法計算結(jié)果表Tab.3 Results obtained from the improved method for hole V5

由表3中數(shù)據(jù)可知，改進后的試段壓力計算無須考慮管損壓力、水位變化、試段巖體吸水等因素，這些改進在排除干擾的同時也提高了試驗精度。

3.2.2 脈沖試驗

V5號孔第6～14段在一定壓力下壓入流量接近0時，需額外進行脈沖試驗，試段壓力加至1.5 MPa后關(guān)閉水閥，按照表4的時間間隔記錄壓力（水頭）衰減。

將試驗所得H/H0隨時間衰減的實測點，畫在與脈沖試驗標(biāo)準曲線同比例的對數(shù)坐標(biāo)紙上。水平移動實測曲線（圖4點劃線），在標(biāo)準曲線上找到與實測曲線最相近的一條，固定實測曲線與該條標(biāo)準曲線最接近的位置，此時標(biāo)準曲線上β=1的直線（圖4虛線）在實測曲線上對應(yīng)的時間值即為tm，表4記錄的V5號孔第6段脈沖試驗實測曲線與標(biāo)準曲線見圖4。

表4 V5號孔第6段脈沖試驗記錄表Tab.4 The sixth pulse test record table of V5 hole

由圖4可知，該試段tm約420 s。計算導(dǎo)水系數(shù)的其他參數(shù)中水的壓縮系數(shù)Cw=4.6×10-10m2/N，水的密度ρw=1 000 kg/m3，g=9.8 m/s2，水的體積Vw=0.071 m3（包含內(nèi)徑19 mm 的加壓管76.7 m 和直徑95 mm 試段10 m 中水的體積），將以上參數(shù)代入式（2）、式（3）中計算該試段的導(dǎo)水率及滲透系數(shù)。用同樣的方法計算V5號孔第7～14段脈沖試驗數(shù)據(jù)，計算結(jié)果見表5。

脈沖試驗結(jié)果表明，在壓入流量接近0的不同試段，滲透系數(shù)可能相差數(shù)10倍，脈沖試驗結(jié)果在低滲透性的試段具有重要參考價值。

3.3 對比分析

將V5號孔15段改進前與改進后的試驗數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果見表6。

圖4 實測曲線與標(biāo)準曲線Fig.4 Measured curve and standard curve

表5 脈沖試驗結(jié)果Tab.5 Results of pulse test

由表6可知，在進行壓水試驗的試段（試段1～5、15），使用改進前后的試段壓力計算的滲透系數(shù)最大只相差20%，精度提高程度不大；而在滲透性差（壓入流量很?。┬枰~外進行脈沖試驗的試段（試段6～14），改進前受流量計最小分度值的影響，只能確定該段滲透系數(shù)小于10-5m/d，改進后在這些試段額外進行脈沖試驗，測得的滲透系數(shù)在某些試段遠小于1.0×10-5m/d，如試段13相差約845倍，大致相差了3個數(shù)量級。以上數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)壓水試驗方法在數(shù)據(jù)獲取和計算方法上存在不足，改進后試驗精度提高程度較大。

改進前后V5號孔各試段滲透系數(shù)對比見圖5。

表6 改進前后試驗成果對比Tab.6 Comparison of experimental results before and after improvement

對比分析結(jié)果表明：改進后使用壓力探頭直接測取傳遞到試段內(nèi)的壓力準確；當(dāng)巖體的滲透系數(shù)小于10-5m/d時，常規(guī)的壓水試驗方法不再適用，而應(yīng)采用脈沖試驗。脈沖試驗不僅能得到更低更精確的試段滲透系數(shù)，而且容易由壓水試驗轉(zhuǎn)換。脈沖試驗的這些特點很好地補充了壓水試驗在測試低滲透性試段方面的不足。

4 結(jié)論

圖5 改進前后各試段滲透系數(shù)對比Fig.5 Comparison of the permeability coefficients before and after improvement

1）由于施加在試段上的壓力不能無限大，壓水試驗中流量計的最小精確讀數(shù)決定了壓水試驗的測量下限，對于滲透性很差的試段無法準確測得其滲透系數(shù)。而改進后的試驗方法允許對滲透性很差的試段額外進行脈沖試驗，能夠得到精確的滲透系數(shù)（小于1.0×10-5m/d），較好地解決了這個問題。

2）改進后在不影響試驗原有功能的前提下使試驗數(shù)據(jù)更豐富準確，提高了試驗效率，擴展了試驗設(shè)備的功能性，并在實際應(yīng)用中收到一定效果，對相關(guān)類型的試驗具有參考價值。