多用途压水连通试验方法与流程

1.本发明涉及水利水电工程勘察领域，更具体地说它是多用途压水连通试验方法，更具体地说它是基于结构面发育规律性、渗透能力各向异性及压力传递作用，将压水试验与连通试验结合，以实现测定岩体渗透性参数和查明岩体承压水赋存状态、水力联系等多用途的一项方法。


背景技术：

2.在水利水电工程建设中，防渗处理是关系到水库能否蓄水发挥效益、大坝渗流是否安全的关键。岩体中存在各类结构面，其工程性状、渗透特性具各向异性，水库、坝基防渗应合理选择防渗依托层，防渗深度过大会造成工程投资浪费，过小则不能截断渗漏通道遗留安全问题。有些岩体中还存在承压水，承压水赋存部位岩体渗透性相对较大，除会产生渗漏问题外，承压水压力还可能对大坝等挡水建筑物地基稳定不利。因此，查明岩体渗透特性及地下水尤其是承压水赋存状态、水力联系，成为水利水电工程地质勘察的重要工作。
3.为评价岩体的渗透特性，目前一般采用钻孔压水试验，通过记录试段压力与压入流量之间的关系，测定透水率，具体操作方法已在相关标准中进行了规定，技术成熟。为评价地下水的水力联系，目前一般通过连通试验，主要采用指示剂投放、灌水、堵洞等方式，但上述方式的连通试验适用于通道连通性较好的地区，特别是岩溶地区，在低渗透、非岩溶地区应用少、效果差。压水试验和连通试验分别独立进行，且在非岩溶地区一般不考虑进行连通试验。但在工程实践中，压水试验随钻探过程持续进行，如钻探时揭示出地下水特别是承压水时，仅利用钻孔进行压水试验测定岩体透水率，如不考虑利用该钻孔查明其水力联系或充分发挥其它方面的作用，容易造成资源浪费、勘察工作效率低下。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了提供一种多用途压水连通试验方法，为一项在进行压水试验时同步开展连通试验的方法，该方法可实现测定岩体渗透性参数和查明岩体承压水赋存状态、水力联系等多用途，具有技术可靠、操作便捷、提高工效的优点。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：多用途压水连通试验方法，其特征在于：包括如下步骤，
6.步骤一：拟定特定观测线；
7.步骤二：布置压水钻孔与观测钻孔；
8.步骤三：确定压水钻孔承压水试段位置；
9.步骤四：进行压水试验；
10.步骤五：压水试验时同步进行观测钻孔水位的观测；
11.步骤六：试验数据整理，绘制压水钻孔试段压力、观测钻孔水位与时间关系曲线图。
12.在上述技术方案中，在步骤一中，特定观测线为根据主要结构面发育走向、状态来
拟定的压水钻孔与观测钻孔的连线；压水钻孔与观测钻孔的连线为观测线，观测线不能随意布置而是应根据主要结构面发育走向、状态来拟定的特定观测线，观测线条数不少于主要结构面组数，观测线方向应与主要结构面走向相当；
13.在工程区现场系统搜集各结构面走向、倾向、倾角、充填物特性等，编制结构面走向玫瑰花图，玫瑰花图可反映结构面的发育程度，最发育的结构面是工程区内的主要结构面；当某一组走向的主要结构面闭合或附有结构密实的充填物，这组主要结构面透水性微弱，不可能含有地下水或与其它地下水发生水力联系，观测线布置时可不考虑该组主要结构面；当某一组走向的主要结构面透水性强，则这组主要结构面含有地下水或与其它地下水发生水力联系，是作为观测线布置时应考虑的主要结构面；
14.按照上述原则，图1中根据结构面走向玫瑰花图，发育两组主要结构面，相应地布置第
①
、
②
两条观测线(如图2所示)，这两条观测线方向分别与两组主要结构面走向一致，且夹角均为θ(单位为度)。
15.在上述技术方案中，步骤二中，特定观测线有多条；压水钻孔设置在多条特定观测线的交点处；
16.压水钻孔和观测钻孔均位于特定观测线上，每条特定观测线上布置1～3个观测钻孔(如图2所示)；
17.观测钻孔与压水钻孔之间的距离，宜根据基岩地质结构、岩体渗透性、地下水特性等因素确定，相邻钻孔间距(即为相邻设置的压水钻孔与观测钻孔的间距，或为相邻设置的两个压水钻孔的间距)一般小于50米；压水钻孔的孔径宜为75毫米或91毫米，钻孔采用金刚石或合金钻进，可采用清水作冲洗液，不应使用泥浆等护壁材料；
18.压水钻孔深度以钻至承压含水层以下5米作为控制，以保证揭穿整个含水部位，而观测钻孔深度以揭示出承压水即可；
19.按照上述原则，图2中第一观测线与第二观测线的交点处为压水钻孔yk0，第一观测线上布置两个观测钻孔，分别为：gk1-1、gk1-2；第二观测线上布置两个观测钻孔，分别为：gk2-1、gk2-2。
20.在上述技术方案中，在步骤三中，将工作管的压水栓塞自上而下放置于承压水出露部位，通过观测工作管内及管外的水位变化，进一步确定压水钻孔承压水试验段位置(如图3所示)。
21.在上述技术方案中，放置工作管前，承压水从钻孔(即，压水钻孔，如yk0)孔口流出，放置工作管后，由于栓塞的阻水作用，承压水从工作管内流出，工作管外水位则为静止水位(如图3a所示)；
22.将栓塞逐渐下移，当工作管内和管外均出现水流时(如图3b所示)，可确定试段的顶板；
23.将栓塞继续下移，当工作管外出现水流，同时工作管内水位为静止水位(如图3c所示)，可确定试段的底板；
24.压水试验采用带有双栓塞的工作管，上、下栓塞分别置于已确定的试段的顶板、底板处(如图3d所示)，两个栓塞之间的孔段是承压水赋存空间(即承压水的出露部位)，作为压水试验的试段。
25.在上述技术方案中，在步骤四中，按现行相关技术标准的要求，在压水钻孔中进行
承压水试段的压水试验，试验按三级压力、五个阶段(p1－p2－p3－p2—p1)进行，p1、p2、p3为试段压力，一般分别为0.3兆帕、0.6兆帕、1.0兆帕；
26.放置工作管，用双栓塞隔离试段后，进行工作管内水位观测，将工作管内稳定的水位线作为压力计算零线；压力表置于钻孔(即，压水钻孔，如yk0)孔口，如压力计算零线高于孔口h米，则在压水试验过程中，对应试段压力p1、p2、p3的压力表读数分别为(0.01h p1)兆帕、(0.01h p2)兆帕、(0.01h p3)兆帕，并测量相应的流量(单位为升/分钟)。
27.在上述技术方案中，在步骤五中，在进行压水试验时，压水钻孔试段被施加大小不同的压力，可能会引起观测钻孔水位的变化，在压水试验时应同步进行观测钻孔水位的观测；对应压水试验的五个阶段，每个阶段各观测钻孔水位观测时间间隔为1～5分钟；当水位变幅大取短的时间间隔，当水位变幅小则取长的时间间隔，直至观测钻孔水位持续稳定。
28.在上述技术方案中，在步骤六中，对试验过程中获得的相关数据进行整理，计算承压水试段透水率，绘制压水钻孔试段压力、观测钻孔水位与时间关系曲线图(如图4所示)；根据透水率，可以评价承压水赋存部位的渗透特性；根据压水钻孔试段压力、观测钻孔水位与时间关系曲线图，可以评价各钻孔(即，压水钻孔，如yk0)中承压水赋存状态、水力联系等。
29.本发明提供的一项多用途压水连通试验方法，具有以下有益效果：
30.(1)本发明能在进行压水试验时同步开展连通试验在进行压水试验时同步开展连通试验、在测定岩体渗透性参数时查明岩体承压水特征，压水试验利用现有成熟技术，连通试验基于压力传递原理，作用机制清晰明确，试验成果准确、可靠。
31.(2)将压水试验与连通试验结合进行，做到一孔多用，操作便捷，提高勘察工作效率。
附图说明
32.图1为本发明实施例中多用途压水连通试验结构面走向玫瑰花图。
33.图2为本发明实施例中多用途压水连通试验特定观测线、压水钻孔、观测钻孔平面布置图。
34.图3为本发明实施例中多用途压水连通试验压水钻孔承压水试段位置确定过程图。
35.图4为本发明实施例中多用途压水连通试验压水钻孔试段压力、观测钻孔水位与时间关系曲线图。
36.图5为本发明的工艺流程图。
37.在图1、图2中，
①
、
②
为两条特定观测线编号，也是两个不同走向主要结构面编号；其中，
①
表示第一特定观测线编号；
②
表示第二特定观测线编号；θ为第一特定观测线
①
、第二特定观测线
②
之间的锐夹角，也是主要结构面走向之间的锐夹角；
38.在图2中，yk0为压水钻孔编号；gk1-1为第一特定观测线上的1号观测钻孔编号、、gk1-2为第一特定观测线上的2号观测钻孔编号；gk2-1、为第二特定观测线上的1号观测钻孔编号、gk2-2为第二特定观测线上的2号观测钻孔编号。
39.在图3中，a表示钻孔中放置工作管后，承压水从工作管内流出的工作状态图；b表示工作管的栓塞下移，确定压水试验试段顶板的工作状态图；c表示工作管的栓塞下移，确
定压水试验试段底板的工作状态图；d表示采用带有双栓塞的工作管置于钻孔(即，压水钻孔yk0)中的工作状态图。
40.图4中，实线为压水钻孔试段压力与时间关系曲线，虚线为各观测钻孔水位与时间关系曲线，p1、p2、p3为压水第一、二、三阶段试段压力，yk0为压水钻孔编号，gk1-1为第一特定观测线上的1号观测钻孔编号、gk1-2为第一特定观测线上的2号观测钻孔编号，gk2-1为第二特定观测线上的1号观测钻孔编号、gk2-2为第二特定观测线上的2号观测钻孔编号。
41.图中，1-钻孔，2-工作管，3-栓塞，4-工作管外水位，5-工作管内水位，6-承压水赋存空间，7-地下水流动方向。
具体实施方式
42.下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
43.本发明在压水试验的同时开展连通试验，通过压水连通试验测定岩体渗透性参数(即，透水率)，同时根据压水连通试验整理出来的数据、图表，来分析评价岩体承压水赋存状态、水力联系；本发明在试验过程中，压水试验按现行相关标准程序进行，准确率高；在同时开展的连通试验，试验原理是利用压力传递作用，经过工程检验，试验成果可靠、准确。
44.实施例
45.现以本发明试用于某地某水利枢纽及配套灌区工程前期地质勘察项目为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它工程勘察项目同样具有指导作用。
46.该工程前期基岩承压水为主要工程地质问题之一，认为承压水将对大坝稳定不利。
47.本实施例多用途压水连通试验方法，如图5所示，包括如下步骤：
48.步骤一、拟定特定观测线；
49.在工程区现场系统搜集各结构面走向、倾向、倾角、充填物特性等，结构面主要为裂隙，一组为板理裂隙，陡倾角，裂面平直，微张，另一组为与板理大角度相交的裂隙，一般呈闭合状；编制结构面走向玫瑰花图(如图1所示)，可见两组主要结构面：第
①
组裂隙走向315度(板理裂隙)，第
②
组裂隙走向36度(与板理大角度相交的裂隙)，两组主要结构面之间的锐夹角θ＝81度；布置第
①
、
②
两条特定观测线，观测线方向分别与两组主要结构面走向一致(如图1、图2所示)。
50.步骤二、布置压水钻孔与观测钻孔；
51.第
①
、
②
两条观测线的交点处为压水钻孔yk0，每条观测线上布置观测钻孔各2个，第
①
观测线上布置观测钻孔gk1-1、gk1-2，第
②
观测线上布置观测钻孔gk2-1、gk2-2(如图2所示)；钻孔间距一般小于50米，其中钻孔yk0与gk1-1之间20米、钻孔gk1-1与gk1-2之间30米、钻孔yk0与gk2-1之间25米、钻孔yk2-1与gk2-2之间45米；钻孔(包括压水钻孔、观测钻孔)孔径为75～91毫米；岩性为板岩，岩性较软弱，钻孔(包括压水钻孔、观测钻孔)采用合金钻进，冲洗液为清水；压水钻孔深度45.2米，孔底至承压含水层以下5米；其余观测钻孔深度35.7～44.6米，且均揭示出承压水。
52.步骤三、确定压水钻孔承压水试段位置；
53.将工作管的压水栓塞自上而下放置于承压水出露部位，通过观测工作管内及管外
的水位变化，进一步确定压水钻孔承压水试验段位置(如图3所示)；先后确定试段的顶板、底板的孔深分别为37.3米、40.2米，压水试验采用带有双栓塞的工作管，上、下栓塞分别置于已确定的顶、底板处，两个栓塞之间的孔段是承压水的出露部位，作为压水试验的试段，试段长2.9米。
54.步骤四、进行压水试验；
55.按现行相关技术标准的要求，在压水钻孔中进行承压水试段的压水试验；试验按三级压力、五个阶段(p1－p2－p3－p2—p1)进行，p1、p2、p3为试段压力，分别取值0.3兆帕、0.6兆帕、1.0兆帕；放置工作管，用双栓塞隔离试段后，进行工作管内水位观测，承压水稳定水位高出孔口11.2米，将工作管内稳定的水位线作为压力计算零线；压力表置于钻孔(即，压水钻孔yk0)孔口，压力计算零线高于孔口11.2米，压水试验过程中，对应试段压力p1、p2、p3的压力表读数分别为0.4兆帕、0.7兆帕、1.1兆帕，并测量相应的流量(单位为升/分钟)。
56.步骤五、压水试验时同步进行观测钻孔水位的观测；
57.对应压水试验的五个阶段，每个阶段各观测钻孔水位观测时间间隔为1～5分钟，水位变幅大取短的时间间隔，水位变幅小则取长的时间间隔，直至观测钻孔水位持续稳定；压水连通试验开始时间16:10，结束时间18:10，历时120分钟，其中压水试验历时50分钟，压水试验完成后继续进行观测钻孔水位变化过程的观测。
58.步骤六、试验数据整理，绘制压水钻孔试段压力、观测钻孔水位与时间关系曲线图；
59.对试验过程中获得的相关数据进行整理，计算承压水试段透水率，绘制压水钻孔试段压力、观测钻孔水位与时间关系曲线图(如图4所示)；根据试段长2.9米，当p3＝1.0兆帕时对应流量68.7升/分钟，计算可得试段岩体透水率为23.7吕荣，呈中等透水性；在试验过程中，第
①
观测线上的观测钻孔gk1-1、gk1-2水位最大增幅分别为4.2米、2.3米，第
②
观测线上的观测钻孔gk2-1、gk2-2水位基本无变化，说明第
①
观测线上钻孔揭示的承压水存在水力联系，第
②
观测线上钻孔揭示的承压水不存在水力联系。
60.本发明所述的多用途压水连通试验方法已在本实施例某地某水利枢纽及配套灌区工程前期地质勘察中成功试用。本实施例中坝址基岩承压水为主要工程地质问题之一，前期勘察认为承压水将对大坝稳定不利，设计相应采取了对承压含水层进行灌浆封闭、消压槽减压等措施。本实施例在初步设计阶段，采用包括本发明所述的多用途压水连通试验在内的多种勘察方法，查明了承压水性质、分布及埋藏条件、水位、流量、水力联系，认为坝基岩体中的承压水对大坝稳定基本无不利影响，设计据此取消了坝基消压槽设施，优化了帷幕灌浆方案，节省地基处理费用约320万元。
61.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
62.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。