巖體滲透參數(shù)快速測(cè)試技術(shù)

1、周志芳 王錦國(guó) 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院2013年度水利水電工程地質(zhì)勘察管理與技術(shù)研討會(huì)一、巖體滲透性特點(diǎn)二、常用的測(cè)試技術(shù)三、振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理四、振蕩試驗(yàn)測(cè)試滲透系數(shù)張量五、測(cè)試系統(tǒng)（儀器）巖體滲透性特點(diǎn)強(qiáng)烈的非均質(zhì)性獲得各種滲透性介質(zhì)的參數(shù)，需要大量的試驗(yàn)！MKZK5MKZK1MKZK2MKZK3MKZK4 160.25圖32 猴子石滑坡工程地質(zhì)縱剖面示意圖F26 101.197 2001.3.10 144.95 2001.3.29 143.95 2001.2.27長(zhǎng)江rQ145m水位(吳淞高程)175m正常蓄水位(吳淞高程)MKZK13 158.67 2001.6.10 87.63 2

2、001.6.3MKZK7del(T )Q32bMKZK10 102.44 2001.3.4 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10008F340.25 20 11413MKZK131615del(T )2b 2QQcol-dl432bT3Q 12bdel(T )65160.2517FT2b2T12b87810918dl(ms)Qdl(s)Q3106C-C88安路永D-D8888912Qr堆石棱體街 明良140m水位(吳淞高程)斜向山馬三接道背斜連子向石斜猴89州夔路黃 0 海高程(m)60100140180220260300340380 214.74 20

3、01.4.10 159.63 干孔2001.7.16 158.27 2001.6.2960黃海高程(m)100140180220260300340380 20 32bT 32bT 22bT 22bT 12bT 12bT 12bT1jT 3T2bQcol-dlQdl(ms)Qdel(ms)Qal(s)al(m)Qdel(ms)Q32bdel(T )Q 22bdel(T )Q 12bdel(T )Q1.人工堆積;2.河流沖積物;3.崩坡積堆積;4.坡積堆積;5.坡積堆積;6.滑坡堆積：物質(zhì)成份為巴東組第二段;7.滑坡堆積：物質(zhì)成份為巴東組第一段;8.巴東組第三段巖層;9.巴東組第二段巖層;10.巴

4、東組第一段巖層;11.斷層及編號(hào);12.巖性整合界線;13.強(qiáng)風(fēng)化帶下限;14.巖性不整合界線;15.滑動(dòng)帶;16.物質(zhì)巖性分界線;17.鉆孔及編號(hào);18.剖面方向 1211al(m)QrQ2巖體滲透性特點(diǎn)強(qiáng)烈的各向異性巖體中任意一點(diǎn)的滲透系數(shù)為一張量，如何通過(guò)測(cè)試獲得？巖體滲透性特點(diǎn) 多尺度特性一、巖體滲透性特點(diǎn)二、常用的測(cè)試技術(shù)三、振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理四、振蕩試驗(yàn)測(cè)試滲透系數(shù)張量五、測(cè)試系統(tǒng)（儀器）常用的測(cè)試技術(shù) 壓水試驗(yàn)常規(guī)壓水試驗(yàn)高壓壓水試驗(yàn)交叉孔壓水試驗(yàn)三段壓水試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：直觀、與工程灌漿聯(lián)系緊密 可適用于非飽和帶、低滲透性巖體缺點(diǎn)：耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)、成本高 不能直接得到滲透系數(shù)常用的測(cè)試技術(shù)

5、 抽水試驗(yàn)穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)注水試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)典理論、可直接求得滲透系數(shù)缺點(diǎn)：耗時(shí)較長(zhǎng)、成本高 大多數(shù)低滲透性巖體中不適用一、巖體滲透性特點(diǎn)二、常用的測(cè)試技術(shù)三、振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理四、振蕩試驗(yàn)測(cè)試滲透系數(shù)張量五、測(cè)試系統(tǒng)（儀器）振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理 基本概念 通過(guò)瞬間井孔內(nèi)微小水量的增加（或減少）而引起井水位隨時(shí)間的變化規(guī)律確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)的一種簡(jiǎn)易方法。氣壓激振氣壓激振水流振蕩波水流振蕩波滲流滲流運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng) 激發(fā)鉆孔內(nèi)水位變化的方式有：抽水式、注水式、氣壓等。振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：更簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)；優(yōu)點(diǎn)：更簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)； 精度完全能夠滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)定含水層滲透系數(shù)的需要。精度完全能夠滿(mǎn)

6、足實(shí)際測(cè)定含水層滲透系數(shù)的需要。缺點(diǎn)：無(wú)法在非飽和帶進(jìn)行試驗(yàn)。缺點(diǎn)：無(wú)法在非飽和帶進(jìn)行試驗(yàn)。 適用范圍適用于確定井孔附近小范圍含水層的水文地質(zhì)參數(shù)；適用于確定井孔附近小范圍含水層的水文地質(zhì)參數(shù)；測(cè)試范圍：測(cè)試范圍：1.010-6cm/s2.610-1 1cm/scm/s（介質(zhì)的阻尼系數(shù)介（介質(zhì)的阻尼系數(shù)介于于0.20.25之間）之間） 計(jì)算原理假設(shè)：假設(shè)：(1)(1)承壓含水層等厚，含水層頂、底板隔水；承壓含水層等厚，含水層頂、底板隔水；(2)(2)含水層均質(zhì)、各向同性；含水層均質(zhì)、各向同性；(3)(3)柱坐標(biāo)系的原點(diǎn)取為含水層頂面與井孔軸線柱坐標(biāo)系的原點(diǎn)取為含水層頂面與井孔軸線的交點(diǎn)；的交點(diǎn)

7、；(4)(4)試驗(yàn)井為完整井；試驗(yàn)井為完整井；(5)(5)井孔井孔100100有效。有效。承壓含水層中振蕩試驗(yàn)示意圖承壓含水層中振蕩試驗(yàn)示意圖振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理0.010.101.0010.00100.001000.00-1.00-0.500.000.501.009988.119976499406991799881149821199761299642399523499404tw無(wú)量綱關(guān)系曲線圖無(wú)量綱關(guān)系曲線圖 無(wú)量綱阻尼系數(shù)小于無(wú)量綱阻尼系數(shù)小于1時(shí)，時(shí)，系統(tǒng)欠阻尼；大于系統(tǒng)欠阻尼；大于1時(shí)，系時(shí)，系統(tǒng)是過(guò)阻尼反應(yīng)。等于統(tǒng)是過(guò)阻尼反應(yīng)。等于1時(shí)，時(shí)，系統(tǒng)為臨界阻尼。系統(tǒng)為臨界阻尼

8、。無(wú)量綱阻尼系數(shù)大于無(wú)量綱阻尼系數(shù)大于5時(shí)，時(shí)，慣性的影響可忽略，這時(shí)適慣性的影響可忽略，這時(shí)適用用Cooper法。小于法。小于0.2時(shí)，時(shí)，適用適用Vander Kamp的近似解。的近似解。本方法適用無(wú)量綱阻尼系本方法適用無(wú)量綱阻尼系數(shù)介于數(shù)介于0.25.0之間。之間。振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理 與抽水試驗(yàn)的比較 振蕩試驗(yàn)的水位動(dòng)態(tài)過(guò)程一般都在很短的時(shí)間內(nèi)完成，無(wú)論是承振蕩試驗(yàn)的水位動(dòng)態(tài)過(guò)程一般都在很短的時(shí)間內(nèi)完成，無(wú)論是承壓還是無(wú)壓含水層，反映的是含水層的彈性釋水或貯水性能。由于井壓還是無(wú)壓含水層，反映的是含水層的彈性釋水或貯水性能。由于井內(nèi)是內(nèi)是“微水微水”變化，因此井孔內(nèi)變化水頭的影響范圍一般只

9、局限在井變化，因此井孔內(nèi)變化水頭的影響范圍一般只局限在井孔試段附近的含水層，確定的參數(shù)也只代表井孔試段附近含水層的滲孔試段附近的含水層，確定的參數(shù)也只代表井孔試段附近含水層的滲透性。透性。 抽水試驗(yàn)反應(yīng)的是影響半徑范圍內(nèi)巖土體的滲透特性。抽水試驗(yàn)反應(yīng)的是影響半徑范圍內(nèi)巖土體的滲透特性。振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理 與抽水試驗(yàn)的比較振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理 與壓水試驗(yàn)的比較（a）巖性分布）巖性分布 （b）裂隙分布）裂隙分布 （c）壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)）壓水試驗(yàn)滲透系數(shù) （d）Slug test滲透系數(shù)滲透系數(shù)起始起始終止終止埋深埋深/m試段長(zhǎng)試段長(zhǎng)度度/mLu值值滲透系數(shù)滲透系數(shù)/(cm/s)K1/K2巖性巖性結(jié)構(gòu)面發(fā)

10、育情況結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況Slug test K1壓水試驗(yàn)壓水試驗(yàn)K245.450.75.30.649.6010-68.3910-61.14含杏仁玄武巖含杏仁玄武巖50.756.05.30.323.1310-44.2010-674.5251.252.7m一條一條傾角傾角15裂隙裂隙61.566.55.00.511.7410-47.3810-623.58角礫熔巖角礫熔巖66.067.5m，傾，傾角角20錯(cuò)動(dòng)帶錯(cuò)動(dòng)帶66.572.56.00.554.8810-48.3310-658.5872.578.15.60.629.0010-66.6610-61.3572.5-73.4m玄武巖，玄武巖，73.4-7

11、8.1角礫熔巖角礫熔巖78.183.65.50.505.3210-58.8110-66.04含杏仁玄武巖含杏仁玄武巖83.688.85.20.662.0010-57.8410-62.55角礫熔巖角礫熔巖88.893.74.90.596.8010-57.1510-69.51微晶玄武巖微晶玄武巖93.799.35.60.553.3610-51.2610-626.6793.7-95.0m微晶玄武巖，微晶玄武巖，95.0-99.3m角礫熔巖角礫熔巖95.0m一條傾角一條傾角15裂隙裂隙99.3105.46.10.951.9110-56.5410-62.9299.3-103.3m微晶玄武巖，微晶玄武巖，

12、103.3-105.4m角礫熔巖角礫熔巖105.4110.26.00.483.3510-51.6710-52.01105.4-108.5m角礫熔巖，角礫熔巖，108.5m以下微晶玄武巖以下微晶玄武巖108.5m以下柱狀以下柱狀節(jié)理發(fā)育節(jié)理發(fā)育110.2116.36.11.291.9710-52.2410-50.88微晶玄武巖微晶玄武巖116.3121.65.31.664.7710-51.2210-53.91微晶玄武巖微晶玄武巖121.6126.44.80.932.3910-51.3210-51.81微晶玄武巖微晶玄武巖126.4132.46.01.022.9510-56.7610-64.36微

13、晶玄武巖微晶玄武巖132.4138.46.00.503.3610-57.7810-64.32微晶玄武巖微晶玄武巖振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理 與壓水試驗(yàn)的比較 巖體鉆孔中巖體鉆孔中Slug test反應(yīng)的是較小尺反應(yīng)的是較小尺度范圍內(nèi)裂隙的導(dǎo)水特性，獲得的滲透系度范圍內(nèi)裂隙的導(dǎo)水特性，獲得的滲透系數(shù)是裂隙滲透系數(shù)在試段巖體上的平均；數(shù)是裂隙滲透系數(shù)在試段巖體上的平均； 壓水試驗(yàn)中壓力值較大，反應(yīng)的是較壓水試驗(yàn)中壓力值較大，反應(yīng)的是較大尺度范圍巖體的導(dǎo)水特性，即壓力影響大尺度范圍巖體的導(dǎo)水特性，即壓力影響范圍內(nèi)巖體裂隙組成的裂隙網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)水特范圍內(nèi)巖體裂隙組成的裂隙網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)水特性，滲透系數(shù)的大小主要受裂隙延續(xù)

14、性和性，滲透系數(shù)的大小主要受裂隙延續(xù)性和連通性控制。連通性控制。 振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理 與壓水試驗(yàn)的比較當(dāng)試驗(yàn)段發(fā)育的裂隙延伸范圍大于當(dāng)試驗(yàn)段發(fā)育的裂隙延伸范圍大于Slug test影響范圍而遠(yuǎn)小于壓水試驗(yàn)影響范圍影響范圍而遠(yuǎn)小于壓水試驗(yàn)影響范圍時(shí)，采用時(shí)，采用Slug test獲得的滲透系數(shù)將遠(yuǎn)大獲得的滲透系數(shù)將遠(yuǎn)大于壓水試驗(yàn)獲得的滲透系數(shù)；當(dāng)試驗(yàn)段裂于壓水試驗(yàn)獲得的滲透系數(shù)；當(dāng)試驗(yàn)段裂隙延伸很差甚至不發(fā)育裂隙，此時(shí)采用兩隙延伸很差甚至不發(fā)育裂隙，此時(shí)采用兩種試驗(yàn)得到的滲透參數(shù)在同一量級(jí)范圍內(nèi)。種試驗(yàn)得到的滲透參數(shù)在同一量級(jí)范圍內(nèi)。一、巖體滲透性特點(diǎn)二、常用的測(cè)試技術(shù)三、振蕩試驗(yàn)測(cè)試原理四、振蕩

15、試驗(yàn)測(cè)試滲透系數(shù)張量五、測(cè)試系統(tǒng)（儀器）振蕩試驗(yàn)測(cè)試滲透系數(shù)張量 滲透系數(shù)張量22222121 cossinsinsincoscossincossincossin1 sinsinsinsincoscossincossinsincos1 cosiiiiiiiineiiiiiijiiiiiiiiiiKK當(dāng)量滲透系數(shù)裂隙產(chǎn)狀振蕩試驗(yàn)測(cè)試滲透系數(shù)張量 鉆孔中裂隙產(chǎn)狀的獲得圖圖 井下鉆孔圖像識(shí)別定向系統(tǒng)確定裂隙產(chǎn)狀井下鉆孔圖像識(shí)別定向系統(tǒng)確定裂隙產(chǎn)狀振蕩試驗(yàn)測(cè)試滲透系數(shù)張量 由振蕩試驗(yàn)獲得不同傾角裂隙滲透系數(shù)理論推導(dǎo)理論推導(dǎo)1222cos=4ssceijijt rt rKttb 11212coscoscoscosmijeijjiiimeieieieimiiiib KbbbKKKKLLLL振蕩試驗(yàn)測(cè)試滲透系數(shù)張量試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證30度裂隙面上土工布布置圖土工布上鐵絲網(wǎng)布置圖鐵絲網(wǎng)上覆蓋水泥布置圖30度裂隙模型中隔離板布置圖30度裂隙面上覆水泥整體浮起圖3