（矿产普查与勘探专业论文）灌浆工程微分压水试验法试验装置的研制.pdf

摘要 压水试验是一种在钻孔中进行的渗透试验，灌浆工程中的压水试 验主要是了解灌浆段岩体的相对透水性、岩体裂隙的开度、充填物的 性质、岩体的可灌性、灌浆效果的检查评价等。 灌浆工程中，压水试验得到的单位透水率l u 值和灌浆量两者具 有不确定性，相关性差。两个灌浆段l u 值相同，灌浆量却相差甚远， 甚至会出现相反的情况，追其原因主要是吕荣压水试验法本身原理的 缺陷，得到的单位透水率是试段平均值的原因。 本文在充分剖解和分析吕荣法压水试验的原理和工艺的基础上， 研制了钻孔涡轮流速仪，准确测量试段内沿钻孔深度每一点。( 最小间 隔5 c m ) 的渗透量大小，并作出全试段流速( 流量) 分布曲线，进而 划分需灌浆段和不必灌浆段。为大坝防渗灌浆帷幕设计、灌浆工程、 确定施工、工艺、灌浆防渗效果检查提供准确客观的依据。 。本文同时完成了涡轮流速仪、压力传感器和灌浆自动记录仪主机 的接口线路、光电信号隔离器、数据显示电路的设计与制作，以及软 件的开发。 本文的研究成果从根本上解决了现吕荣压水试验法得到的岩体 透水率每米平均值的致命弊病，试段微分段渗透率和试段流速( 流量) 分布曲线的新技术很有可能取代现吕荣压水试验法。本文的研究成果 在施工工艺的可操作性上注重简单实用和尽可能的和国家灌浆规范 接轨，便于成果的推广应用。 关键词：钻孔涡轮流速仪，压水试验，渗透性，可灌性 a b s t r a c t w a t e r p r e s s u r et e s ti sak i n do fp e r m e a b i l i t yt e s td o n ei nd r i l lh o l 岱 w h i c hi sc o m m o n l yu s e di ng r o u t i n ge n g i n e e r i n gt oe x p o s et h er e l a t i v e p e r m e a b i l i t ya n dg r o u t a b i l i t yo fr o c k s ，t h ew i d t ho fr o c kf i s s u r e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l sf i l l e d i tw i l l sa l s ou s e di nc h e c k i n gt h e g r o u t i n ge f f e c t b a s e do nt h ea n a l y s i so nag r e a tn u m b e ro fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e st h e a u t h o rf o u n dt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r o u tq u a n t i t ya n du n i t p e r m e a t i n gr a t i o ( i e t h el un u m b e r ) d e d u c e df r o mp u m p i nt e s tw a s u n d e t e r m i n a b l e ，a n dt h ea u t h o rp r e s e n t st h a tt h el i m i ti nt h ep r i n c i p l eo f t h ep u m p - i nt e s tw a st h em a i nr 最l s o n i nt h i sp a p e r , an e wm e t h o do f g a i n i n gt h ep e r m e a b i l i t yo f r o c k sw a s s t u d i e da n dan e wi n s t n n n e n tn a m e dd r i l l - h o l et u r b i n ef l o wv e l o c i t y m e t e rw a sd e v e l o p e d t h ei n s t r u m e n tc o u l dt e s tp e r m e a t i n gf l o wo fa n y 蚓3 t i o l l sl a r g e rt h a n5c e n t i m e t e r si nl e n g t ho f t h eh o l e t e s td a t ac o u l db e s o r t e do u tt oad i s t r i b u t i o nc x l l v eo f g r o u tq u a n t i t y , f r o mw h i c hs e c 6 so f n e e d i n gg r o u to rn o tc o u l db ed e t e r m i n e d r e s u l t sa b o v ep r e s e n ta o b j e c t i v eb a s i sf o rd a mg r o u t i n gd e s i g na n d c o n s t r u c t i o n t h i sp a p e ra l s op r e s e n t sah i 【g ha c c u r a t ec o n t r o l l a b l ee l e c t r i cw h i c h f o r m sac o m p l e t es e tw i t ht h et u r b i n ef l o wv e l o c i t ym e t e r i tw a sp r o v e dt h a tt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e ra r eb e t t e r 也a nt h ep u m p - i nt e s ti nf i n d i n go u tt h et r u ep e r m e a b i l i t yo f r o c k s k e y w o r d s ：d r i l l h o l et u r b i n ef l o wv e l o c i t ym e t e r , w a t e rp r e s s u r et e s t , p e r m e a b i l i t y , g r o u t a b i l i t y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：i 鱼：! 整日期：迎2 年月止日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 钆h 庙 硕士学位论文第一章绪论 1 1 本课题研究的背景 第一章绪论 修建水工建筑物，特别是大型的水工建筑物，如大坝等，一般都用压水试验 来了解、查明其地基的渗漏情况。我国的水文地质压水试脸，主要是从建国以来， 随着大、中型水利水电工程的逐步兴建，而逐渐发展起来的，国外也多是利用压 水试验方法来了解大坝地基的渗透条件的现今，压水试验在坝工建设中，应用 得极为普遍，特别是为大坝的防渗灌浆帷幕设计以及灌浆帷幕的防渗效果检查， 压水试验可以被认为是唯一而有效地了解渗透性的专门技术。压水试验的作用， 对水工建筑物地基来讲，是很大的，在目前有着其他探测方法所不能替代的优越 性。 可以模拟大坝地基实际承受的外水压力。大坝地基，在大坝建成后，要承受 很大的渗透压力，而用压水试验可以模拟大坝地基所承受的渗透压力，根据要求， 施加与之相应的大压力进行渗透试验，这是其他方法如抽水试验、注水试验等所 无能为力的。 在灌浆工程中，为了特定的目的，如有的工程单位，为了解灌浆帷幕的防渗 耐久性和抗破坏性能，要求很大的压水压力，以乌江渡工程为例，为了解该工程 灌浆帷幕的防渗耐久性和抗破坏性，检查孔的压水压力达5 6 m p a 压水试验不受岩层内有无地下水的限制，即使是在地下水位以上，或没有地 下水的部位，即通称的干孔中，均可以进行压水试验。压水试验是在钻孔中进行 的，所以有时称为钻孔压水试验，又因为它是属于水文地质渗透试验中的一个主 要的渗透试验方法，所以又可称为水文地质钻孔压水试验 所谓压水试验，科学地讲，就是把具有一定洁净性的水，通过机具和特设的 钻孔，利用外加压力或借水的自重作用，使水通过孔壁向试验孔段( 一般为5 m ) 四周岩石中扩散，根据在一定时间内压入的水量和旌加压力之间的关系便可反映 出该试段岩层的渗透性圆因此得到的渗透值本质上是该试段长的平均渗透率， 并不能明确表征在这段钻孔中包含着几条和多大的裂隙及其性状如何。实际上渗 流只发生在岩体裂隙内，因此，裂隙宽度较大但数量较少的试段，与裂隙宽度较 窄但数量较多的试段，可能有相同的吕荣值，但其灌浆量却迥然不同，其结果是 试段透水率和灌浆量这二者之间的规律、相关性很差，有时甚至出现相反的情况。 对于研究裂隙岩体可灌性来讲单位透水率具有不确定性。同时采用水泥进行坝基 硕士学位论文第一章绪论 帷幕灌浆中，水泥是一种固体物质，要使某一粒径的颗粒顺利通过某一裂隙，裂 隙的宽度应大于三倍颗粒直径，否则将产生堆叠现象。国内外的一些研究资料指 出，水泥灌浆可以灌入的最小裂隙宽度，大致在0 1 0 2 m m 之间，因此在这个 界限以下微细裂隙布满全试段，尽管渗透率很大，但灌浆量却微乎其微。灌浆工 程中尽管从压水试验中所得到的只是有关岩层透水性的近似值，但毕竟能够用它 来评估将来水库漏水的可能性与程度，以及防渗处理的必要性等。所以压水试验 沿用至今。 人类依靠先进的科学技术大规模开发利用水能资源，始于2 0 世纪，西方欧 美发达国家曾对此做出过开拓性的贡献。如现全世界都采用的吕荣压水试验方法 就是法国工程师吕荣于1 9 3 2 年提出来的。但随着其资源的开发殆尽和受经济、 社会因素的制约，水电行业逐渐成为“夕阳行业”，全球水电开发的重点，已历 史性地转移到发展中国家和地区啪。 近2 0 年我国依倚得天独厚水力资源，水利水电工程建设规模和数量的大发 展。令世人瞩目，相应的技术水平也有飞跃式的提高。尤其是随着灌浆技术的进 步，人们曾对压水试验的具体做法不断地进行研究，指出过许多缺点，甚至是严 厉的评击，其中黄河水利委员会著名水文地质地质工程专家马国彦教授提出：在 勘探初期，只选择一些有代表性的岩体进行每5 m 一段压水试验，同时要加强和 加大岩体透水、透浆地质条件调查和测量各类岩体裂隙宽度的工作量的方法，以 确定岩体的相对透水率和可灌性。这种方法要贯彻于全部勘察阶段的始终旧。江 苏省农业科学院原子能研究所推出的“智能化地下水动态参数测量仪”利用同位 素示踪方法可以定量地检测出渗流场内任一空间点的地下水流速、流向、垂直流 速、流向。井中水压力，含水层的涌水，吸水量和静压水头、导水系数、渗透系 数和水力梯度等。此仪器在堤坝基的防渗处理中得到了推广应用。另外全孔压水 试验的仪器设备也见到多处报导和应用。如湖北省水文地质工程大队的“钻孔激 光测流仪”可以一次成孔，并随钻孔深度，在充水加压条件下，分段测出各截面 的流量，并算出单位吸水量。但是这些成果和方法基本上都是用于水文地质、工 程地质勘查，而用于灌浆工程，结合现行灌浆规范，迄今为止，还未见有人提出 一种更精确、更有效的办法能取代它嘲嘲。 1 2 压水试验的分类 1 2 1 按试验段的方式划分 为了在深厚的岩层中求得各部位的渗透性，一般采用在钻孔内设置阻塞器 2 硕士学位论文第一章绪论 的措施来隔离试验段，以求得满足精度要求的渗透参数。 ( 1 ) 分段压水试验 分段压水试验，实际上就是指自上而下的分段压水试验，也就是自上而下逐 段向下钻孔，逐段进行压水试验，这种方式的压水，取得的渗透性参数质量好、 精度高。但施工历时较长，易于影响工程进度，是该法压水的不足之处 下述的情况，宜采用自上而下分段压水： 1 ) 坝轴线上的重要地质勘探孔以及为特定目的而须查明渗透性的钻孔； 2 ) 灌浆工程中的先导孔、检查孔以及某些部位的灌浆孔； 3 ) 灌浆试验中的各孔； 4 ) 裂隙发育、连通性强；洞穴密集、渗漏量大；岩石破碎、坍塌掉块、孔 壁不稳的岩层中的钻孔 ( 2 ) 综合压水试验 综合压水试验实际上是后进行的压水试验段包括前已进行过压水试验段在 内的一种具有部分重叠性的、综合性的压水试验。 这里所说的综合压水试验，主要是指自下而上分段式的综合压水试验，即将 钻孔一直钻到设计孔深，而后自下而上逐段设置栓塞，逐段进行压水试验。这种 压水方法，由于后一压水段的总耗水量也包括有前一段的压入耗水量，各分段的 压入耗水量不是由直接观测而得，而是计算出来的。这种压水方法所得的参数在 理论上讲是正确的，但由于技术操作、设备性能、压力的不一以及地下水流态的 变化等多方面的繁杂因素的存在，总是会影响试验质量的，其试验成果的准确性 差。一般不推荐使用这种方法，而只有在特许或不得已的情况下才使用这种方法 进行压水试验。 ( 3 ) 全孔一次压水 以整个钻孔作为一个试验段进行的压水称为全孔一次压水孔深一般不超过 6 m 的浅孔多采用这种方法进行压水试验坝基处理的固结灌浆孔及其检查孔大 都采用全孔一次压水。 1 2 2 按压力的大小划分 按压力值的大小可划分为低压压水试验和高压压水试验两种，对与高、低压， 并没有划定严格的界限，习惯上可认为压力小于5 0 1 0 0 硎2 算作低压，大于 这个数值的，算作高压。 ( 1 ) 低压压水试验 低压压水试验，一般地不致于破坏岩体结构，比较能准确地反映地层地渗透 性。水力电力部颁布地压水试验规程中规定：。压水试验地总压力值一般采用 硕士学位论文第一章绪论 3 0 研垂直水柱地压力。” c 2 ) 高压压水试验 高压压水试验多用于帷幕灌浆，特别是帷幕地检查孔地压水试验。为检查灌 浆效果，有时模拟坝基的承受外水压力情况而采用很大的压力进行压水。乌江渡 工程，为查明灌浆帷幕的耐久性和抗破坏能力，在工地进行灌浆试验时曾采用过 压力高达5 5 0 n c m 2 ，历时7 0 0 小时的压水试验。 i 2 3 按供水的方式划分 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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 时不能进入裂隙而沿回水管路，流出孔外，返回入水源箱。这种水曾循环往复式 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。 1 3 吕荣法压水试验存在的缺陷 1 3 i 压水试验的方法 五点法压水试验，一律用三级压力中的最大压力p 3 时的l u 值作为取用值。 关于压人流量，即使采用三级压力五阶段法压水，也须采用“稳定”流量。“稳 定”的标准是：每1 2 r a i n ( 规程规定) 和3 s m i n ( 规范规定) 测读 一次压入流量；连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的1 0 ，或最 大值与最小值之差小于1 l r a i n 时取最终值作为计算值m 。 这里需指出两点； 1 ) 既然一律是以最大压力下的l u 值作为取用值，其结果将与单点法压水完 全一样，那么使用五点法压水还有什么用呢? 不是白费工、费时吗l 2 ) 在a c 豪斯比所阐述的吕荣压水试验方法中和国外工程对此法的采用 4 硕士学位论文第一章绪论 中，五点法压水都是每点只作l o m h l ，l o m h l 内的平均流量即为该点( 压力) 下 的l u 值计算流量。 1 3 2 压水试验与岩体透水性关系 ( 1 ) 岩体的渗透性 岩体由岩块和裂隙组成。岩块的渗透系数一般为l o - c m s ，实际上是不透水 的因此，岩体的透水性本质上是指裂隙的透水性不同组的裂隙方向、形状和 性质是不一样的不同组的裂隙透水性当然也是不一样的对岩体来说，其透水 性大都是各向异性的 ( 2 ) 用压水试验方法确定岩体的渗透性缺乏客观性 是把岩体假定为各向同性渗透性，试验测得的单位吸水量值，为一圆球体， 各个方向上的渗透性都是一个相同值。换句话说，现行压水试验是把岩体的透水 性假定成像砂层的透水性一样而求解其渗透指标实际上用该方法所求得的g 值，只能反映铅直钻孔可能穿越的若干条裂隙的吸水量。在陡倾角裂隙发育地区， 用铅直孔作压水试验时，在某一试段内，有可能一条裂隙也遇不到，所得数值很 小，甚至近于零。用g 值这个随机量去评价岩体的渗透性可能做出与实际情况相 反的结论( 核心问题是现行的压水试验方法无法研究岩体透水性的方向性) 1 3 3 吕荣值与注灰量的关系 ( 1 ) 岩体的水径和浆径 岩体中的透水通道( 简称水径，下同) 是由石英岩、砂岩、灰岩和玄武岩等 的不连续面控制的若不连续面系统发育良好，水径较好，水的流动特性符合达 西定律。然而这一条件只存在于个别情况之中岩体中的水径好坏，不仅取决于 不连续面的类型、孔隙体积、间距、方向、延伸长度、宽度和形态，而且也取决 于不连续面之间的水力联系一个好的岩体透浆通道( 简称浆径，下同) ，除了 具有好的水径外，还要具有使水泥颗粒顺利通过的空间一组密集细小的不连续 面，一些被细颗粒充填的较大不连续面，尽管水径是良好的，但浆径是不通的。 有透水性的岩体并不一定有可灌性。从水利水电工程地基渗透和捧水目的出发所 研究的岩体透水性资料，一般来说，不宜直接用于指导灌浆。为了有效地排水和 灌浆，必须对岩体的水径和浆径分别进行调查研究。 ( 2 ) 在l u 值与注灰量之间不可能有一个很固定的关系 1 ) 压水试验只能得出显示地层透水性的l u 值，而得不到有关裂隙的宽度、 硕士学位论文 第一章绪论 条数、产状、性质等方面的准确信息。大量细微裂隙试段的l u 值可能与少量宽 裂隙试段的l u 值相等，而二者所具有的可灌性和导致的注灰量却大不相同。有 时甚至会出现吕荣值较大而吸浆量较小，吕荣值较小却吸浆量较大的现象。如果 用灌后岩体的吕荣值大小去评价灌浆工作的质量，那就可能引起把可灌性不好的 自然原因判断成为人为原因所致的错误结果。 2 ) 水是真溶液( 牛顿流体) ，而且粘度很小，它可进人任何小的缝隙或孔隙， 只要有压力驱动，它就会继续流动。而水泥浆是颗粒性的悬浊液( 粘一塑性流体) ， 具有较大的粘度，它只能渗人较宽的裂隙，而且在达到一定距离后就会停止走动。 3 ) 在一定程度上，l u 值所表示的是总的缝隙断面积的大小，而注灰量则表 示的是缝隙的容积。由于各个缝隙的长度不同，断面积和容积之间并不总有固定 的关系。 4 ) 注灰量受制于所用的灌浆压力大小、材料性质和施工方法等，而这些各 地采用的又不尽相同。 1 4 本课题研究的目的及主要内容 1 4 1 研究目的 从根本上解决现吕荣压水试验法单位透水率是每米平均值的致命弊病，以试 段内微分段渗透率和试段流量分布曲线的新技术取代现吕荣压水试验法，不失现 吕荣压水试验法简单实用和可操作性强的特点，尽可能多的和国家灌浆规范接 轨，便于成果的推广应用，推动我国灌浆工程的技术进步。 1 4 2 技术目标 新工艺能准确测量试段内沿钻孔深度每一点( 最小间隔5 c m ) 的渗透量， 并作出全试段流量分布曲线，最终精确作出试段内岩体渗透量分布图，以确定渗 透大小和位置。进而划分需灌浆段和不必灌浆段，为大坝防渗灌浆帷幕设计、灌 浆施工确定灌浆工艺和灌浆防渗效果检查提供真实客观的依据。 6 硕士学位论文第一章绪论 1 4 3 完成主要内容 本文在对现行吕荣压水试验法的弊端进行分析和总结后，提出微分压水试验 法测控系统的整体思路，主要完成下面几个内容； 1 ) 研制钻孔涡轮流速仪； 2 ) 完成了涡轮流速仪、压力传感器和灌浆自动记录仪主机的接口线路； 3 ) 光电信号隔离器研制； 4 ) 数据显示电路的研制； 5 ) 整个装置自动控制软件的开发。 1 4 4 研究成果的意义 这是一项很具体、很现实、及现场生产所急的研究课题，研究成功后由于技 术的先进性，很快会在水利水电和相关的行业应用推广，有广大的市场，经济效 益和社会效益重大。 7 硕士学位论文第二章压水试验的基本原理与新方案设计 第二章压水试验的基本原理与新方案设计 2 1 压水试验概述 2 1 1 压水试验的概念及目的 压水试验，即钻孔压水试验，它是一种在钻孔内用拴塞将钻孔隔离出一定长 度的孔段，并向该孔段压水，根据压力与流量的关系确定岩体渗透特性的一种原 位渗透试验。它的主要目的是测定和评价岩体的透水性，为灌浆工程的设计、施 工和质量检验提供基本资料。灌浆工程中的压水试验的种类一般分为简易压水、 正规压水( 单点法压水试验、五点法压水试验) 、高压疲劳性压水、破坏性压水 等嗍。 2 1 2 压水试验的原理及作用 压水试验的原理可用灌浆工程普遍使用单点法压水试验揭示，当试验压力为 p ( 作用于试段内的全压力) ，压入流量为q ( l r a i n ) ，试段长度为l ( 辨) 时， n 则透水率q = 兰透水率单位是以法国地质工程师吕容( m l u g e o n ) 命名的， r l 其意义是，当试验压力为1m p a ，每米试段的压入流量为1l m i n 时，该试段透 水率为1l u 。压力的单位为m p g ，取通常两位有效数字嗍。 以前我国沿用前苏联的技术标准，压水试验的成果使用单位吸水量国表示。 其涵义是在每米水头作用下，每米试段内的流量，单位为l r a i n m 。由于1 标 准大气压= 1 0 1 3 2 5 x 1 0 5p a o 1 m p a ，l o o m 水头( 1 0 个大气压) 相当于l m p a 的压力，因此透水率和单位吸水量缈的关系是：q = 1 0 0 “”。 灌浆工程各个阶段都需要做各种目的不同的压水试验，压水试验的作用亦有 不同，一般为： 1 ) 灌浆前的压水试验主要用于了解岩层的渗透性，以评价岩层的透水程度， 论证水工建筑物基岩和库区岩层的透水情况。并为进行灌浆试验、灌浆设计提供 确定灌浆孔距、排距、灌浆深度、浆材等和制定灌浆施工工艺的主要参考资料。 2 ) 灌浆过程中做简易压水主要是查看各次序灌浆孔的透水率值有无随着灌 浆次序的增加而逐渐减小的规律。同时根据这些资料绘制各次序孔透水率频率曲 硕士学位论文第二章压水试验的基本原理与新方案设计 线和频率累计曲线，借以检查帷幕灌浆效果。 3 ) 灌浆后期或结束后质量检查孔的正规压水试验主要用于供检查帷幕灌浆 质量是否达到设计要求，如透水率小于规定值，应认为帷幕灌浆质量合格。否则， 需要外加钻孔，再行补灌。 2 1 3 压水试验工艺及资料分析 2 1 3 1 压水试验的方法 ( 1 ) 压水试验的准备 压水试验的钻孔孔径可为5 0 1 5 0 m m 。钻孔宜用金刚石或合金钻进，禁止 使用泥浆钻进。试段长度一般为5 m ，遇强漏失带时应单独划分试段 ( 2 ) 压水试验的设备 1 ) 止水栓塞。止水栓塞有多种类型，如气压或水压胶囊塞、螺杆顶压胶球 塞，以及可对试段上下两端同时隔离的双联栓塞，施工中可酌情采用。通常希望 与灌浆工艺及所使用的灌浆塞一致起来，以充分发挥设备效用和提高工效。为了 止水可靠，止水栓塞的长度不宜小于7 倍钻孔直径。 2 ) 供水设备。通常的灌浆泵可作为供水设备，但要求其最大流量能达到 m o l n 】i m 以上，压力稳定，工作可靠，泵的出口安装容积大于5 三的空气室。在 有条件的地方宜采用自流供水进行试验。 3 ) 量测设备。最好使用灌浆自动记录仪，也可单独使用压力表、流量计 试验压力应保持在压力表最大标值的1 3 3 4 之间灌浆用的大量程压力表不 能用作压水试验。 ( 3 ) 压水试验的程序 压水试验的操作程序包括洗孔，地下水位测量，安装管路、栓塞和仪表，试 通水，压力控制和流量观测等。 洗孔之后压水试验之前，是否进行裂隙冲洗应视压水试验的目的而定，灌浆 孔段( 包括先导孔) 灌浆前的压水试验或简易压水通常在裂隙冲洗后进行，或将 裂隙冲洗与简易压水合并进行 地下水位是压水试验压力的起算零点，可利用先导孔测定。测量时向孔中注 满清水，观测水位下降速度，每5 m i n 测记一次，当连续2 次测得下降速度均小 于5 0 , , m m 时，即以最后一次观测水位作为该地段的地下水位。 9 硕士学位论文 第二章压水试验的基本原理与新方案设计 当灌浆施工完成后，进行检查孔压水试验时，由于地层经过灌浆渗透性已经 很小，所以这时也可取地下水位与孔口齐平。 当孔口有涌水时，应当测定涌水压力和涌水量。 为施工简便起见，压水试验管路和仪表安装通常都与灌浆的管路安装方式一 致，如图2 1 所示。 钟 ( a ) 纯压式灌浆；( b ) 循环式灌浆 1 进浆阀门；2 - 压力表；3 进浆管；4 - 地下水位； 5 灌浆塞；6 - 灌浆段；7 回浆阀门；8 回浆管图 图2 - - i 压水试验布置示意图 ( 4 ) 压水试验 试验前应当先通水试 压，确认管路充满了水，管 路系统和栓塞在最大试验压 力下不渗、不漏、不堵，压 力表或记录仪工作正常，否 则应当重新安装试验系统。 试验通过调节阀门控制 保持稳定压力，每3 5 m i n 测读一次流量，当连续4 次 观测值中最大值与最小值之 差小于最终值的1 0 ，或小 于1 l m i n 时，本阶段试验完 成，取最终值为计算流量“” 试验压力的计算： 试验压力是指作用在试段内的实际平均压力( 全压力) 当地下水位在试段 以上时，试验压力等于压力表指示压力与由压力表中心至地下水水位的水柱压力 的代数和；当地下水位在试段以下时，试验压力等于压力表指示压力与由压力表 中心至试段中点的水柱压力的代数和；当地下水位在试段以内时，试验压力等于 由压力表中心至地下水位以上的试段的中点的水柱压力的代数和。此外，严格地 说，还应当加上( 循环式灌浆管路) 或减去( 纯压式灌浆管路) 管路压力损失， 但因此项数值较小，在灌浆工程中一般忽略不计。 ( 5 ) 简易压水 灌浆工程施工过程中，常常需要了解随着各排、各序孔灌浆的进行，岩体透 水率变化的趋势，以评估灌浆设计和施工参数的正确性，同时预测灌浆效果。简 易压水就是为满足这一要求而进行的简化和粗略的压水试验。 简易压水压力采用灌浆压力的8 0 ，并不大于i m p a ，压水时间2 0 m i n ， 1 0 硕士学位论文 第二章压水试验的基本原理与新方案设计 每5 m i n 测读一次压人流量，取最后的流量值计算透水率 简易压水由于其精确度要求不高，所以通常假设地下水位与孔口齐平。压水 压力也不采用全压力，而采用表压力，即按压力表( 或记录仪) 指示的压力记读， 忽略孔内水柱压力和管路损失的影响。当对裂隙冲洗没有专门的要求时，简易压 水可与裂隙冲洗结合进行 ( 6 ) 五点法压水试验 五点法压水试验是采用三级压力进行升压和降压共五个阶段的压水试验方 法，即p 。一r p 3 一p 2 一p l ( p l p ： p 3 ) 三级压力一般为0 3 m p a 、0 6 m p a ， 1 o m p a 。根据五个阶段的压水试验资料绘制p q 曲线，参照表l 确定p q 曲 线类型以三级压力中的最大压力值( p 3 ) 及相应的压入流量( 及式( 1 ) 求算透 水率每一试段的压水试验成果用透水率和p q 曲线类型表示 2 1 3 2 压水试验资料分析 ( i ) 五点压水试验资料分析“。 五点压水法的曲线特点如表2 1 所示： 表2 1 三级压力五个阶段压水试验的p q 曲线类型及曲线特点 类型 a ( 层流) 型b ( 紊流) 型c ( 扩张) 型d ( 冲蚀) 型 e ( 充填) 型 名称 户j l ，墨 p 辨3 r 伊 修 叭 拶一珠 纱 一 矿 一 q 曲 q q q qq 线 升降曲线为通升降曲线凸向q升降曲线凸向轴，升压曲线凸向p升压曲线凸向 过原点的直线，轴，降压曲线与降压曲线与升压轴，降压曲线与q 轴，降压曲线 曲线 降压曲线与升升压曲线基本曲线基本重合升压曲线不重与升压曲线不 特点 压曲线基本重重合合，呈顺时针环重合，呈逆时针 合状环线 ( 2 ) 压水试验压力值的取用 硕士学位论文第二章压水试验的基本原理与新方案设计 压水试验是测定岩石渗透性最常用的一种渗透试验方法，各个时期所做的压 水试验，由于其作用不同，为了了解地质情况，先导孔宜做压水试验。灌浆试验 表2 - - 2 压力试验压力值选用表 ll ( 舻a ) 0 3 ，0 6 ，i 0 ，0 6 ， 先 o 3 ( m p a ) 导0 1 ，0 2 ，0 3 ，0 2 ， i 、h 为坝前 1o 3 ( 舻a ) 孔 0 。1 ( m p a )水头( m ) ，均 基 1 0 0 0 o i m p a 。 孔 i 硼( - 水头) ， 3 、1 疆大 于2 肝a 时采 用2 姗 基岩灌 1 - 31 ( m p a ) 灌浆压力 固结灌浆孔大于3 m p a 时， 浆和水和质压力实验压 工隧洞量检灌浆压力的力由设计按 l 围岩固查孔 8 0 地质条件和 结灌浆工程需要确 定。 和灌浆施工中布设的检查孔，其主要作用是为了评定灌浆效果，也应进行压水试 验，而灌浆孔的各灌浆段，在灌浆前为了大致了解岩石渗透情况，一般仅进行简 易压水试验即可。 ( 3 ) 相关资料分析1 ” 图2 - - 2 是根据目前搜集到的国内外一些大坝的灌浆资料绘成的吕荣值( l u ) 一单位注灰量关系图。若把这些资料都点绘在同一个双对数坐标图上，点子非常 分散，几乎看不出有什么规律。但是若把它们分成不同的岩性分别来点绘，却可 看出有相对的集中。说明在岩性大致相似的地层中它们之间存在着某种近似的关 硕士学位论文第二章压水试验的基本原理与新方案设计 系在此图上，每一个点( o 、x 、0 ) 代表着该地层中l u 值和与它对应的 单位注灰量的平均值。所谓平均值，分别是指全部灌浆孔的、部分孔的、同一捧 孔的或同一序孔的l u 或注灰量的算术平均值。若从其整体平均数来看，它们之 间还是有某种近似关系的。找出它们这些大致的关系，对于利用勘探阶段所得的 l u 值的平均值，来估算灌浆工程成本，编制发包文件和施工预算等是十分有用 的 由图2 - 2 可看出，l u 值与注灰量的关系是在两条虚线限定的范围内变化， 而不是一条固定的直线。这是可以理解的一般说来，布置的灌浆孔排数越多、 孔距越小，要求达到的防渗标准越高，则最后平均的单位注灰量就越小，越靠近 下线；反之，最后平均的单位注灰量就越大，越靠近上线。此外，当采用的灌浆 压力偏高，对跑冒浆的处理不及时或不适当时，也会使注灰量靠近上线在布孔 较为合理、施工方法较为正确的条件下，单位注灰量( 包括其它干料注入量) 可 取两条虚线的中间值即平均值。 还可看出，在各类地层中，不仅吕荣值与注灰量的关系不同，而且两值的分 布范围也有较大差别。因此也许能使我们得到关于每类地层最适宜的灌浆程度的 启示，分述如下。 1 ) 图2 - 2 中的( a ) 类地层 是指岩溶程度较重( 具有较大的溶洞和岩溶通道) 的地层。在遇到溶洞或通 道时，压水试验一般都表现为l u 值极大，无法准确地测出，因而平均后的l u 值 也都较大。所对应的单位注灰量值可在一较大的范围内变化l u 值越大，单位 注灰量的变化幅度也越大，这既反映了溶洞、通道的性质，也反映了受施工方法 的影响越来越突出。在遇到特大吃浆时，如果及早采取堵漏措施，可使注灰量接 近于下线。否则，将会超过1 0 余倍，使注灰量达到上线。在此类岩层中，单位 注灰量一般不会降低到很小，能达到小于5 0 l o o k g m 就可感到满意。 2 ) 图2 - 2 中的( b ) 类地层 为风化严重的多裂缝的砂岩、花岗岩、玄武岩等地层此类地层的单位注灰 量从很小到很大均有，变化范围更大。这主要是因为所包含的岩石种类太多，裂 隙类型更复杂，受旖工方法的影响更突出等所致。要使此类岩层的注灰量小于 5 0 k g m 较为困难，通常需要采取多捧、密孔布置才行 硕士学位论文第二章压水试验的基本原理与新方案设计 鼍 崔 甜 越 7 詹乞。l - o0 0 0 0，i o p 矽0 0 7 。 o 寥 6 、 参。 1 0 0 0 0 管5 0 0 0 盘1 0 0 0 髫跏 j 蓉 一 r 7 名 么j 飞 o 笺 - 多 o 5151 0 5 01 0 05 0 0 1 0 0 0 旦荣值( l u ) 。- - ： 7 i io 一 _ f l ：，一夕 - 7 _ t ix ：， ，) - x ， 0 - 5l51 05 01 0 05 0 0 1 0 0 0 ( 6 ) 。 爷 r 7 _ ：7 0 - 5151 05 0 1 0 0 5 0 0 1 0 0 0 吕豢值( l u ) ( a ) 岩溶地区；( b ) 风化严重的、多裂隙的砂岩、花岗岩等 ( c ) 软弱的粘土岩、粉沙岩等；( d ) 坚硬、致密的微裂隙岩层 图2 - - 2 不同地层中吕荣值( l u ) 与注灰量的关系 3 ) 图2 2 中的( c ) 类地层 为粘土岩、粉沙岩，通常称谓的“红层”等。此类地层，l u 值和注灰量均 受盖重影响较大，当上面的盖层较厚、重量较大时，通常表现为不透水和不吃浆， 1 4 m 。 。 硕士学位论文第二章压水试验的基本原理与新方案设计 而当盖层去掉后又表现为透水性和吃浆都较大注灰量与灌浆压力关系密切，而 压力一大，又极易引起地面上抬。因此在此种地层中灌浆，为不使其产生抬动变 形，所采用的灌浆压力通常较小。变幅不大，因而单位注灰量的变化幅度亦较小 在正常条件下灌浆，此类地层的注灰量大多不超过5 0 磁m 4 ) 图2 _ 2 中的( d ) 类地层 坚硬、致密的微裂隙岩层，一般受风化的构造影响轻微的石英岩、片麻岩， 花岗岩、闪长岩、凝灰岩、流纹岩等都属于此类可以看出，此类岩层的l u 值 大多都小于5 ；注灰量大多在2 0 k g m 以下，最大不超过5 0 磁m ( 均指整体平 均值) 。 用压水试验成果计算渗透系数 透水率q 和渗透系数足之间不是简单的对应关系，各种条件下通过g 计算置 的公式也很多s l3 1 - 2 0 0 3 水利水电工程钻孔压水试验规程推荐：当试段位 于地下水位以下，透水率在l o l u 以下，p q 曲线为a 型( 层流型) 时，可用式 ( 2 1 ) 求算渗透系数： 置：旦l n 三 ( 2 一1 ) 2 砒， 式中： 置地层渗透系数( c r a s ) q 压水流量( l m i n ) 日试验压力，以水头表示( 所) 工试验段长度( m ) r 钻孔半径( 所) 按照式( 2 1 ) ，如假定压水试验的压力为1 m p a ( 即l o o m 水头) ，每米试 段的压人流量为1 l n d n ( 即1 4 4 m 3 d ) ，试段长度为5 m 即在透水率为1 l u 的条件下，以孔径为5 6 1 5 0 m m 计算得的渗透系数为 ( 1 3 7 1 1 1 ) x1 0 4 c m s 。由此可见，作为近似关系，1 l u 相当于渗透系数为 1 0 “c m ts 。 硕士学位论文 第二章压水试验的基本原理与新方案设计 2 2 微分压水试验法测控系统设计方案 2 2 1 新方案的整体设计 本方案的目的是提供一种使用高灵敏度，大量程比的流速仪做单段微分压水 试验的方法。方案设计为在试验钻孔分段钻进，待单孔终孔，洗孔，下孔口管后， 将流速仪探头放入孔中，密封单孔孔口，向孔中送水加压至规定值。待孔内水流 量稳定后，步进电机工作，沿试段轴线自上而下地将探头缓慢匀速地送至单孔孔 底。探头可测量出沿钻孔轴心各点流速，换算成流量，某微分孔段的流量等于该 孔段上下两截面流量之差，微分试段的长度由步进电机测出，压力由孔口安装的 压力传感器的测量值与地下水静止位置得出，根据压水试验公式算出该孔段的透 水率值，并绘制出沿孔深各微分孔段压水试验值的分布图。 1 涡轮流速仪；2 电缆；3 - 电动绞车；4 - 密封装置； 5 - 供水装置；6 - 压力传感器；7 罐浆自动记录仪 图2 3新方案的整体设计图 1 6 硕士学位论文第二章压水试验的基本原理与新方案设计 如图2 - - 3 所示：试验钻孔分段钻进，待单孔终孔，洗孔，下孔口管后，将 流速仪探头l 放入孔中，密封装置4 将单孔孔口密封，由供水系统5 向孔内送 水加压至规定值，待孔内水流量稳定后，灌浆自动记录仪7 给步进电机3 开机信 号，步进电机3 将探头l 沿钻孔轴线白上面下将探头缓慢匀速地送至单孔孔底， 探头l 可测量出沿钻孔轴心各点流速，根据孔径，流速换算成流量，某微分孔段 的流量等于该孔段上下两截面流量之差 压水试段长度是用连接探头l 的步进电机3 的步距来控制，测量精度为0 5 ，钻孔中任一微分试段的长度可由步进电机的步距乘以输入电机的脉冲数求 得。测试截面的位置以探头涡轮所在的位置为准 试段压力的确定方法是采用以静止水位至孔口的水柱高s 的压力加孔口处 压力传感器6 所测压力作为该试段的平均压力若试段在静止水位之上，则用该 试段中点至孔口水柱高的压力加孔口压力，作为该试段的平均压力。 通过上述方法实测出压水试验段的压水流量q ，试段的平均压力p 和试段长 n 度l ，根据压水试验公式：g = 兰算出该压水试段的透水率透g 值。 ，l 本方案设计是按照水利水电工程钻孔压水试验规程( s l 3 2 - 2 0 0 3 ) 规定的 压水试验程序和资料整理方法进行，可进行单点法和三级压力五个阶段的五点法 压水试验。其主要特点是： 1 ) 步进电机，它在非超载的情况下，步进电机转子的速度与脉冲的频率呈 正比，位移与脉冲信号的脉冲数呈线性关系，用步进电机可精确地控制流速仪在 井孔中的位置。 2 ) 涡轮流速仪，它能高精度地测量井孔内任一截面流体的流速，根据井孔 的直径，可换算出该截面的流量。单段微分压水试验方法的优点是精度高，能准 确的找出渗漏点、段的具体位置和渗漏量，对于有疑问的孔段可重复测量。 2 2 2 涡轮流速仪的设计方案 涡轮流速仪设计应考虑如下基本原则： 1 ) 钻孔涡轮流速仪在钻孔中的使用需可以垂直安装； 2 ) 测量的对象为清水，一般不需要考虑流体粘度和杂质对涡轮转动特征的 影响： 3 ) 压水试验多为泵压往钻孔内注水，流量大、流速快、因此在涡轮的设计制 作上不要求太小的启动流量、太高的灵敏度； 4 ) 涡轮的设计应满足传感器的设计要求； 1 7 硕士学位论文第二章压水试验的基本原理与新方案设计 5 ) 传感器的量程范围应满足被测流体的最高、最低流速变化； 6 ) 传感器的精度等级符合被测流体的计量要求； 7 ) 被测流体的化学性能不能影响传感器的测量性能； 8 ) 传感器应能长期稳定运行，计量准确； 9 ) 成本适宜、经久耐用、维护简便。 2 2 3 微分压水试验法测控系统自动控制设计方案 根据自动控制的设计过程可将其分为硬件线路部分的设计和软件程序控制 部分的设计。 ( 1 ) 硬件方面 本系统根据实际需求采用1 6 位单片机系统，在l j 系列灌浆测控系统的基础 上进行研制。主要由8 0 c 1 9 6 k c 系列单片机系统、压力传感器、涡轮流速仪、步 进电机、流量计、压力调节伐、打印机、数据转存器、压水整理资料软件等组成。 该系统能分别将压力和流速换成电信号。压力信号为模拟量，通过接口输入 单片机的a d 口。流速转换成脉冲数字信号，通过接口输入单片机的计数器进行 累加。键盘经并行8 1 5 5 口将功能选择和参数设置的内容、打印数据格式及相关 的打印命令等输入单片机。流量、压力和流速信号输入单片机经过处理后，所得 数据根据设定的条件和格式分别输出到液晶显示屏、打印机和数据存储卡。 ( 2 ) 软件方面 汇编语言程序设计是一个关键问题。它不仅是实现人机交互的基础和直接关 系到所设计单片机控制( 或应用) 系统的控制特性，而且对系统的存储和工作效 率也有很大影响。由于微分压水试验法测控系统中主机采用8 0 c 1 9 6 k c 系列单片 机，所以编程指令采用的m c s - - 9 6 指令系统，并按照高质量和强功能的实用程序 编写程序设计步骤。 2 3 本章小结 通过对压水试验的文献资料收集，介绍了压水试验的基本概念，研究进展， 从压水试验的原理、研究的目的、工艺特点等方面对现行压水试验进行了阐述。 并对新的微分压水试验法测控系统作出了总的构想和整体设计。 硕士学位论文第三章微分压水试验法测控系统涡轮流速仪的研制 第三章微分压水试验法测控系统涡轮流速仪的研制 3 1 涡轮流速仪的研制 将涡轮流速仪放置于设计的试验孔段，当被测液体冲击涡轮流速仪的涡轮叶 片时，涡轮开始旋转，涡轮转轴上的钢磁也随转轴旋转运动，涡轮的旋转速度会 随着流量的变化而变化，同时涡轮将流量转换成涡轮转速，磁电系统又将此转速 转换成