3.3 高压压水试验方法研究

3.3.1 试验对象和适用范围

试验对象：水工建筑物工作水压力大于1.0MPa环境中的岩体。

适用范围：钻孔高压压水试验适用于抽水蓄能电站、高水头电站、高水头压力管道工程的地质勘察。

3.3.2 试验钻孔布置方案和原则

高压压水试验位置宜选择在运行期承受高水头作用临近部位的岩体中进行压水测试。试验钻孔分为压水试验孔和监测孔两大类。

1.压水试验孔

一般情况下，压水试验孔宜采用铅直布置方式。当测试岩体为层状结构、或裂隙发育分组明显、或断层结构时，压水试验孔宜垂直于岩体结构面、裂隙面和断层面布置。

2.监测孔

监测孔宜布置在压水试验孔周围。渗压监测孔宜与压水试验孔平行，对高压输水隧道，渗压监测孔间距取相互平行的输水隧道间距值；或者取高压输水隧道与其他最近距离洞室间的最小距离。

3.3.3 试验仪器、设备和装置

试验所需仪器有流量计、压力计、水位计、渗压计。

高压压水试验所需的设备和装置有供水设备、量测设备和监测设备以及止水装置。

1.供水设备要求

（1） 水泵供水流量Q（L/min）按上限透水率q（Lu）、结合试验段长L（m）以及试验最高压力p（MPa）进行确定，计算公式为

（2） 压力稳定，出水稳定，工作可靠，且水泵额定压力大于试验最大压力和管路压力损失之和。

（3） 供水调节阀要灵活可靠，不漏水。

（4） 吸水笼头应设置1~2层孔径小于2mm的过滤网，且距离水池底部30cm以上。

（5） 当高压压水岩体为Ⅲ、Ⅳ类围岩等破碎岩体时，至少备用同一型号的水泵一台。

2.量测设备要求

（1） 压力传感器的压力范围应大于试验最大压力。

（2） 压力计感应灵敏，卸压后指针应归零。压力计的量程应大于试验最大压力，工作压力应保持在极限压力值的1/3~3/4范围内。

（3） 流量计应能在设计最高压力作用下正常工作，流量计量程与供水设备的排水量相匹配，且能测定正向和反向流量。

（4） 高压压水试验宜采用自动测量压力和流量的记录仪。

3.监测设备要求

（1） 水位计应灵敏可靠，不受孔壁附着水或孔内滴水的影响，水位计导线应经常检测。

（2） 渗压计灵敏可靠，其最大量程不大于压水孔最大压力值。渗压计的数据应自动量测采集。

4.止水装置要求

（1） 止水可靠，操作方便。

（2） 压水孔止水栓塞长度不小于8倍钻孔孔径。

（3） 压水孔止水栓塞宜优先选用液压式栓塞。

（4） 渗压孔止水宜采用微膨胀水泥砂浆进行封堵。

3.3.4 主要试验方法、参数及其选择原则

1.试验方法的选择

压水试验每级压水历时的不同反映了不同的岩体渗透特性。因此，压水试验目的不同，压水试验采用的方法也不同。根据每级压水历时时间的差异，高压压水试验方法分为快速法、中速法和慢速法3种。高压压水试验方法的选择需遵循以下基本原则：

快速法：适用于了解岩体的水力劈裂特性和短期透水特性，确定岩体水力劈裂压力、灌浆压力和短期透水率。

中速法：适用于了解岩体短期或长期透水特性，确定岩体的短期或长期透水率、渗透系数和极限水力坡降。

慢速法：适用于了解岩体长期透水特性，确定岩体长期透水率、渗透系数和极限水力坡降。

另外，根据工程具体情况，如需要了解岩体在运行期承受高、低水压交替作用情况下的渗透性，还可在各种试验方法基础上进行多次循环压水试验。多次循环压水时，第一次循环压水与退水参数相同，第二次以上循环压水试验时，根据工程具体情况，压力级差可取第一次的1~2倍。根据试验过程中供水方式的不同，高压压水试验分为纯压法和循环式压水法。

纯压法：压入孔内的水量通过岩层中的裂隙内向四周流动扩散而不返回流出孔外的一种压水法，称为纯压法。地质勘探孔大都采用这种方法进行压水试验。

循环式压水法：水泵将从水源箱吸取的水量压出，使水通过送水管、压水内管，进入试验段，其中一部分水量压入岩石裂隙，向四周扩散，一部分水量，因裂隙容量所限，当不能进入裂隙而沿回水管路流出孔外时，返回水源箱。这种水呈循环往复式流动状态的压水，称为循环式压水试验。压水试验本无需采用循环法，因在灌浆工程中的钻孔进行压水试验时，由于一般多采用循环灌浆法灌浆，为了工作方便，就利用原循环灌浆的设备直接进行压水试验，从而形成了这种循环式压水法。

2.主要试验参数

高压压水试验的主要参数包括试验起始压力、设计最大控制压力、压力级差、每级压水历时（压水持续时间）。

3.选择原则

表3.1给出了国内部分工程的高压压水试验参数。

压水试验参数的合理选择与试验目的和选用的压水试验方法有关。从表3.1可知，尽管高压压水试验的起始压力、压力级差各有不同，但对抽水蓄能电站而言，起始压力都在1.0MPa之上。理论上讲，围岩在水压1.0MPa以下的透水性可采用常规压水试验加以研究，因此，在高压压水试验可以不反映低水压情况下的相关特性。综合各个工程采用的实际起始压力，建议高压压水试验起始压力取1.0MPa。

目前绝大多数高压压水试验最大压水试验压力采用1.2倍的运行水压力值，也有部分工程采用1.3倍运行压力进行试验控制。鉴于此，建议压水设计最大控制压力按岩体在运行期间承担的最大动水头的1.2~1.3倍确定。

压力级差和压水持续时间的选择与所采用的试验方法有关。

（1） 快速法。从表3.1可见，快速法压水的压力级差在不同工程中，取值差异较大。理论上讲，快速法压水最适合于了解岩体的劈裂特性，如果级差太大，当岩体在两个压力级差之间发生劈裂时，就容易导致劈裂压力试验取值的较大误差。考虑到快速法压水持续时间短，因此，压力级差不宜过大。

1）压力级差：压水压力不大于0.8倍最小初始地应力时，建议压力级差取0.5MPa；压水压力大于0.8倍最小初始地应力时，建议压力级差取0.2~0.3MPa;

2）每级压力持续时间：5~10min。

（2）中速法。

1）压力级差：压水压力不大于最小初始地应力时，压力级差1.0~1.5MPa；压水压力大于最小初始地应力时，压力级差0.5~1.0MPa；

2）压力持续时间：30~60min。

（3）慢速法。

1）压力级差：压水压力不大于最小初始地应力时,压力级差1.5~2.0MPa；压水压力大于最小初始地应力时，压力级差1.0MPa;

2）压力持续时间：120~240min。

高压压水试验方法和试验参数的确定，应结合工程实际情况，参考上述成果进行选择。

3.3.5 试验流程和施工工艺

试验流程：试验准备→洗孔→安装止水栓塞→压水孔初始水位观测→试验性压水→常规压水试验1次→高压压水→压力流量观测。

施工工艺：钻孔定位测量→钻机安装→供水池修建→钻孔→洗孔→高压水泵组安装→止水栓塞安装→压水设备调试→监测仪器调试。

3.3.6 试验资料整理方法及其标准图表

试验资料整理包括校核原始记录、绘制p-Q曲线、确定p-Q曲线类型、绘制稳压阶段透水率-时间关系曲线。当布置有观测孔时，绘制试验压力与观测孔出水流量关系曲线、绘制试验压力和观测孔压力与时间关系曲线。

p-Q曲线绘制时升压过程用实线，降压过程用虚线。

p、Q-t曲线绘制中时间轴的比例尺可根据快速法、中速法和慢速法进行适当调整。

高压压水试验p-Q曲线类型总体上分为两类：一类劈裂型，见图3.3中的A、B和C型；另一类为非劈裂型，见图3.3中的D、E和F型。劈裂型和非劈裂型又可进一步细分，见图3.3；p-Q曲线特征描述见表3.2。

A型p-Q曲线表明当压水压力小于某一数值（拐点）时，岩体的渗透性较弱；压水压力一旦超过拐点压力后，渗透性急剧增加，岩体发生明显的劈裂，拐点处压力可确定为劈裂压力。压力增大到一定程度后压力和透水量保持稳定，结构面贯通，压力增加困难。岩体在高压水作用下基本保持弹性变形。

B型p-Q曲线表明当压水压力小于某一数值（拐点）时，岩体的渗透性较弱；压水压力一旦超过拐点压力后，渗透性急剧增加，岩体发生明显的劈裂，拐点处压力可确定为劈裂压力。压力增大到一定程度后压力和透水量保持稳定，结构面贯通，压力增加困难。岩体在高压水作用下产生较大的塑性变形。

C型p-Q曲线呈现出两个拐点，第一个拐点表明岩体在水压力作用下被冲蚀，透水量增大，拐点处的压力可称为扩容压力；当压力增大到第二个拐点后，岩体裂隙进一步扩张，透水量显著增大，该拐点处的压力为劈裂压力，压力增大到一定程度后压力和透水量保持稳定，结构面贯通，压力增加困难。岩体在高压水作用下基本保持弹性变形。

D型p-Q曲线表明岩体本身渗透性较强，岩体透水量随压力增加而呈同步增大的趋势，岩体在高压压水过程中基本保持弹性变形。

E型p-Q曲线没有明显拐点，且凸向Q轴，表明岩体在高压压水试验过程中部分裂隙被颗粒堵塞（填充），渗水通道减小，降压阶段的流量较升压阶段流量小。试验过程中岩体没有产生劈裂。

F型p-Q曲线没有明显拐点，且凸向p轴，表明原来颗粒填充的部分裂隙在高压水作用下被冲蚀，渗水通道增加，降压阶段的流量较升压阶段流量大。试验过程中岩体没有产生劈裂。