梅阁水库钻孔常水头注水试验分析

周菊英

（江门市水利水电工程质量检测站有限公司，广东 江门 529000）

江门市新会区梅阁水库于1958年兴建，1965年建成投入使用，位于江门市新会区东南部沙堆镇梅阁村，西江流域下游虎跳门水道右岸，受当时历史条件的限制，设计标准低，施工质量差，工程运行多年存在较多的隐患[1-3]。为保障梅阁水库的安全运行，需对水库存在的安全隐患进行除险加固。在对水库进行地质勘察时，采用钻孔注水试验求取岩土层渗透性指标。通过岩土层检测结果来判断其渗透级别，以便梅阁水库管理单位可以根据地层岩土渗透结果制定相应的防渗方案。

1 工程地质概况

梅阁水库位于新会区南部，属珠江三角洲西南部低山丘陵区。水库三面环山，山高多在200 m以下，山坡坡度多在20°～50°之间，全年植被茂盛，山坡基本上看不到较严重的坍塌现象，说明冲刷较弱，边坡基本稳定。水库区总体北高南低，呈长条形展布，东西两侧为低山斜坡，坡面倾向库区，山坡表面零星出露弱～微风化花岗岩孤石。

根据1∶400万幅《中国地震烈度区划图》（GB 18306-2001），工程区的地震动峰值加速度为0.10（地震基本烈度为Ⅶ度），地震动反应谱特征周期为0.35 s。工程区内分布的砂土层需进行振动液化判别。

工程区属亚热带海洋性季风气候区，温暖潮湿，雨量充沛。地表水主要为水库水和冲沟内的水。地表水和地下水的补给来源较丰富。地下水主要有赋存于第四系覆盖层的孔隙中的潜水和基岩裂隙水。坝基砂层为主要含水层。坝体填筑土和残积土层属弱含水层。基岩完整性较差，节理较发育，但透水性相对较差，基岩裂隙富水性较差。本次试验共检测2个孔。

2 试验前期准备

2.1 适用条件与仪器的选取

在对梅阁水库进行地质勘察过程中应用钻孔常水头注水试验，主要是为了测试地下土层的渗透系数，其适用于渗透性比较大的壤土、粉土、砂土和砂卵砾石层，或不能进行压水试验的风化、破碎岩体、断层破碎带等透水性较强的岩体。在钻孔注水试验中，一般供水设备会采用水箱、水泵；测量设备需要用到水表、量桶、瞬时流量计、秒表以及米尺等；止水设备需要采用到栓套、套管；水位计采用电测水位计。而本次试验采用的仪器有5000 mL量筒、0～50 m卷尺、0～5.5 m卷尺、XMT-E8065防雷水位控制仪等，具体见图1。

2.2 成孔情况

根据现场测定，各检测孔的成孔情况见表1。

表1 检测孔的有关成孔情况

2.3 试验原理

常水头注水试验（见图1）也就是通过钻孔向试段注水，使水头（H）量保持一定的高度，从而测出稳定时的注水流量（Q），以及测渗入土层的水量，一般注水时长在2 h以上，根据最后一次稳定注水流量，按不同条件下相应的计算公式确定岩土层渗透系数K值。试验过程如下：①钻孔套管下到孔底，孔底出流进行常水头注水试验；②等形成稳定流，水头底出流进行常水头注水试验；②等形成稳定流，水头l cm～5 cm）；③保持水量不变，等再次形成稳定流，水头和水量重新平衡时，测量水头上升高度AH，试验结束，若出现偏差可以重复上述2、3条过程[1]。

这种试验方法适用于具有较强透水岩土层，如壤土、粉士、砂土和砂卵石层或风化破碎岩体等。当试段位于地下水位以上时，由于土层较为饱和，试验时间相对要长一点；若当试段是细粒土的时候，其试验时间要比粗粒土的稳定时间长[2]。

2.4 试验方法

本次试验按照国家水利行业现行标准《水利水电工程注水试验规程》（SL 345-2007）中有关规定进行。

3 试验及计算

3.1 地下水位在试验段以上

图2 水位在试段以上的结构

在对梅阁水库现场试验中，当试段位于地下水位以下时，采用式（1）计算试验土层的渗透系数：

式中：K为试验岩土层的渗透系数，cm/s；Q为注入流量，L/min；H为试验水头，cm；等于试验水位与地下水位之差；A为试验段形状系数，cm，按附录B选用。

若Q的单位取cm3/s，其它符合的单位不变，则公式变为：

为此，采用式（1）计算渗透系数时，在钻孔的壁部和底部出现进水情况时，试验条件应满足l/r＞8的要求。

根据水库除险加固工作人员的工作经验，当试段上下岩土层的透水性比较接近或一样时可作试验，其钻孔壁部和底部进水可按式（3）计算渗透系数：

式中：l为注水试验段长度，cm；r为注水试验段钻孔或过滤器半径，cm；其余符号同式（1），Q的单位为cm3/s。

根据上述计算公式可以看出，在梅阁水库钻孔的壁部与底部进水时，要求l/r＞8和l/r＞4，其试验条件接近。

3.2 地下水位在试验段以下

图3 水位在试段以下的结构图

当试段位于地下水位以上，且试验条件50＜H/r＜200、H≤l 时，可采用下式计算试验岩土层的渗透系数：

式中：r为钻孔内半径，cm；l为试段长度，cm；其余符号意义同式（1）。

若Q的单位取cm3/s，其它符合的单位不变，则式（5）变为：

当试验条件不满足上述公式时，可采用下式：

该公式的符合与意义同（5）公式。

3.3 试验经过

本次试验共检测2 个孔，均位主坝的堤身钻孔的桩号是125#、161#，采用常水头注水试验。其中，孔号125 采用101 mm金刚石钻头成孔，孔深13.9 m，用同径套管止水分别为508 cm、302 cm、580 cm为试验段。而孔号161 是采用91 mm合金钻头成孔，孔深14.7 m，是用同径套管止水分别为468 cm、429 cm、508 cm为试验段。试验观测间隔时间为5分钟，为保障水流量的精准，可在注水管处安装一个水表，用于记录计时前后的水表上的读数，从而得出5 分钟内注水量，以及计算出平均流量。若测出的平均流量每分钟＜0.5 L时，那么流量是低于水表最小流量范围，可采用1000 mL量筒倒水，并进行计算注水水量，观测稳定结果一般根据相关规程的要求。

为了确保试验时水位处于稳定，试验过程中可以提前放置电测水位计探头，以此控制水头的高度。本次试验段地下水位为6.50 m。见表2。

表2 钻孔常水头注水试验成果表

3.4 试验结果分析

根据上表试验结果可以看出：

（1）125#桩身段（高程16.00 m～1.20 m）渗透系数均小于1×10-5cm/s，满足设计要求；

（2）161#桩身段（高程15.50 m～1.45 m）渗透系数均小于1×10-5cm/s，满足设计要求。

4 结论

在梅阁水库除险加固工程的实施中，对水库的坝身、坝基岩土层的渗透系数进行钻孔常水头注水试验，得出岩土层的渗透系数。结合江门新会梅阁水库地层情况，对梅阁水库除险加固工程进行钻孔常水头注水试验，通过分析钻孔常水头注水试验原理、渗透系数计算公式，试验方法以及应用条件，求得岩土层的渗透系数。结果显示125#桩身段（高程16.00 m～1.20 m）渗透系数均小于1×10-5cm/s，满足设计要求；161#桩身段（高程15.50 m～1.45 m）渗透系数均小于1×10-5cm/s，满足设计要求。