浅谈国际工程中钻孔压水实验结果分析方法

张宝红

（中国水利水电第十一工程局，河南 郑州 450001）

0 引言

钻孔压水实验常用来检测围岩及地基的渗透性能，具有准确直观的特点，是地质勘探作业中常用的检验试验方法。我国的压水实验规范在术语、解释、原理及方法仪器方面，一直是与国际上的做法基本相同的。但在试验结果处理方面，根据我国工程实践特点，做了较大修改，这对实验结果处理和整理资料方面，起促进作用。但是如果到了国外，则与国外同行们的成果上存着较大差异，无论是在取值范围、判断结论上均存在着很大不同。为了弄清楚这个问题，有必要仔细研究这个问题，利于在工作中更好地沟通。

1 我国目前采用的主要方法

我国目前在水利工程中主要以水利部《水利工程钻孔压水试验规程》规定的主要方法为参考。钻孔压水试验主要采用三个压力值和五个检测阶段进行，即p1-p2-p3-p4（=p2）-p5（=p1）（p1＜p2＜p3）。如果不加说明p1、p2、p3三级压力可以采用0.3MPa，0.6MPa直至1.0MPa，通常在单独一个压力阶段记录若干个检测数据，每1min 记录一个流量，当连续四个流量达到现行标准中有关流量稳定的要求（5 次计数的相对流量差不大于10%，或绝对差不大于1L/min），即可进行下一级压力的试验，试验段长一般取5m 一段。为准确记录瞬间流量及压力，方便压水试验资料整理，目前现场均采用自动灌浆记录仪来记录流量与压力，试验完成以后，由自动记录仪采集数据并绘制压力-流量曲线，人们根据曲线形状判断孔内裂隙分布情况。规范认为钻孔内的水流形态可以分为层流型、紊流型、扩张型、冲蚀型和充填型也就是人们常说的A、B、C、D、E 五种形态。

钻孔内的透水率是采用式（1）进行统一计算：

以上为我国规范主要内容，从中不难看出，计算的透水率值仅与第三阶段压力及流量有关，与孔内水流形态及裂隙分布其实并不存在任何关系。而正是这一特点使得我们的分析结果与国外同行的结果之间存在较大区别，结论也自然不同。

2 国际上通用处理方法

目前国际上多数做法是依据地质学家豪斯比的研究成果《吕荣压水试验的常规解释》这一篇论文中提出的处理原则进行资料整理。他认为压水试验结果的代表值应根据水压-透水率分布规律图并综合考虑裂隙内的水流形态后而综合确定。

2.1 利用压力和透水率柱状图进行综合分析判断

这种方法是将压力图形与吕容图放在一起进行比较，根据不同阶段的压力展现出来的吕容值图形，将孔内的裂隙情况分成五种。

（1）在三压力五阶段试验过程中，不同水压阶段下吕容值大致相当，则选取各个阶段的吕容值的平均值作为该孔透水率的代表值。这种情况下，孔内水流为A 型层流，在整个试验期间，岩石裂隙状态没有发生任何变化。水压升高或降低不会影响岩石的裂隙，也不会大幅改变透水率。一般发生在坚硬岩石中且有微小完整的裂隙，透水率一般都很小（一般情况下超过4 个吕容值）。

（2）在三压力五阶段试验过程中，随着水压升高吕容值逐渐降低，最大水压时吕容值最小，当压水试验从峰值逐渐降低时，吕容值又逐渐升高或恢复原样。则取最高水压阶段的吕容值即第三阶段为该孔透水率的代表值。这种情况为B 型紊流，这可以解释为，围岩坚硬且内部裂隙多为中宽裂隙、较为发育。随着水压升高，流量也在增长，但是流量增加的幅度小于水压增长的幅度，表现在透水率上，则为计算出的吕容值在减小。这种情况的围岩透水率数值都偏大（一般约为20～50Lu），即使取第三阶段的最小值，数值也很大（约20～30Lu）。因此取第三阶段的透水率值为代表值足以说明岩石的渗透性能。在实际试验中也的确如此，出现这种水流状态下的吕容值都很大。

（3）在三压力五阶段试验过程中，不同水压时吕容值各不相同，最大水压时吕容值最大。则取最小的吕容值作为该孔透水率的代表值（从1、2、4、5 阶段中取较小值）。渗流状态为C 型扩张型，试验时表现为当水压达到某一值之后，钻孔内的吃水量突然增大，在这个压力作用下裂隙状态发生了突然变化，相应的钻孔透水率也突然增大，但是这种增大过程是短暂、可恢复的，随着水流压力逐渐降低，裂隙又弥合到原来状态，呈现一种弹性的状态。这种情况下，不可取峰值而应取小值作为代表值，这也符合岩石的实际透水性能。

（4）在三压力五阶段试验过程中，随着水压实验段进展，吕容值逐渐增大不见减小的迹象。则取最大吕容值作为该孔透水率的代表值即第五阶段为代表值。从图形上判断为冲蚀型，表现在试验过程中，在某一个水流压力过程中，钻孔吃水量突然间变化剧烈，并且在以后的压力阶段，流量变得越来越大，一直到工程实验结束。说明在水流压力作用下钻孔内的裂隙状态发生了本质改变，这种改化是永久性的、不能恢复的。并且吸水量变大而且不能恢复原样，说明裂隙中的沉积物及填充物被水流冲蚀、移动。这种情况下，应取最终值作为此孔的代表值，很有说服力。

（5）在三压力五阶段试验过程中，随着水压测试进展，吕容值逐渐降低。则取最终阶段（即第五阶段）的吕容值作为该孔透水率的代表值。从图形上判断为充填型，表现在试验期间钻孔内的裂隙发生大的变化，围岩的透水率逐渐变小，这种减小多数情况下是由于围岩的裂隙被堵塞而造成的。此时内部裂隙完全处于封闭状态，当外部水流将围岩固有裂隙充满后，流量也就逐渐减小，只至基本为零。说明围岩的裂隙状态彻底发生改变，这种情况下，应取最终值作为此孔的代表值。

因此可以看出，上述五种压水试验的过程，基本上就将围岩的透水率情况描述清楚了，对应于不同情况，可以分别计算相应的透水率。

2.2 利用单位段长流量及压力环形（）图进行综合分析判断

这是一种图形方法，理论上认为透水率（吕容值）可以表示为单位段长的流量值与压力值的关系式。

当纵坐标表示为q/l，而横坐标表示为p 时，则透水率Lu 就表示为该直线的斜率。斜率越大，吕容值越大，斜率越小，吕容值越小。

根据这个原理，则压水实验的每一阶段的吕容值连线就可以表达为如图1 单位流量-压力流程图所示的玫瑰花图，在第一象限内从圆心连出的每一根直线上斜率相等，代表吕容值也均相等，相应的取值范围及大小也作出相应的规定。

第一种情况，层流A，不同压力阶段吕容值大致相当，上升阶段曲线与下降曲线基本重合，吕容值则取各个阶段的吕容值的平均值作为代表值。

第二种情况：紊流B，随着水压增长吕容值逐渐降低，最大水压时吕容值最小，上升阶段曲线凸向Y 轴，下降阶段曲线也凸向Y 轴，但在上升阶段曲线下方。吕容值取最高水压时的吕容值即第三阶段值为代表值。

第三种情况：扩张型C，不同水压时吕容值各不相同，最大水压力时吕容值最大。上升阶段曲线凸向X 轴，下降阶段曲线凸向X 轴，但在上升曲线上方。钻孔吕容值应取第1 阶段或者第2 阶段，第4 阶段，第5 阶段中的最小值为代表值。

第四种情况：冲蚀型D，随着测试进展，吕容值逐渐增大。上升阶段曲线凸向X 轴，下降阶段曲线也凸向Y 轴，但在上升曲线上方。吕容值取最大吕容值作为代表值即第五阶段。

第五种情况：充填型E，随着测试进展，吕容值逐渐降低。上升阶段曲线凸向Y 轴，下降阶段曲线也凸向X 轴，但在上升曲线下方，吕容值取最后一个阶段的检测值为代表值。

图1 单位流量-压力流程

这个方法与我国规范中采用的P-Q 曲线近似，但又存在很大不同。

3 结束语

通过上述标准的对比分析，我们可以看出，采用国际上通行的图解方法得出的结论可能更加细致直观，与1933 年吕荣（M.Lugeon）提出的透水率基本概念是一致的，因此被目前国际绝大多数国家认可和采用一直延用至今。