岩体渗透参数快速测试技术

1、周志芳 王锦国 河海大学地球科学与工程学院2013年度水利水电工程地质勘察管理与技术研讨会一、岩体渗透性特点二、常用的测试技术三、振荡试验测试原理四、振荡试验测试渗透系数张量五、测试系统（仪器）岩体渗透性特点强烈的非均质性获得各种渗透性介质的参数，需要大量的试验！MKZK5MKZK1MKZK2MKZK3MKZK4 160.25图32 猴子石滑坡工程地质纵剖面示意图F26 101.197 2001.3.10 144.95 2001.3.29 143.95 2001.2.27长江rQ145m水位(吴淞高程)175m正常蓄水位(吴淞高程)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堆石棱体街 明良140m水位(吴淞高程)斜向山马三接道背斜连子向石斜猴89州夔路黄 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黄海高程(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.人工堆积;2.河流冲积物;3.崩坡积堆积;4.坡积堆积;5.坡积堆积;6.滑坡堆积：物质成份为巴东组第二段;7.滑坡堆积：物质成份为巴东组第一段;8.巴东组第三段岩层;9.巴东组第二段岩层;10.巴

4、东组第一段岩层;11.断层及编号;12.岩性整合界线;13.强风化带下限;14.岩性不整合界线;15.滑动带;16.物质岩性分界线;17.钻孔及编号;18.剖面方向 1211al(m)QrQ2岩体渗透性特点强烈的各向异性岩体中任意一点的渗透系数为一张量，如何通过测试获得？岩体渗透性特点 多尺度特性一、岩体渗透性特点二、常用的测试技术三、振荡试验测试原理四、振荡试验测试渗透系数张量五、测试系统（仪器）常用的测试技术 压水试验常规压水试验高压压水试验交叉孔压水试验三段压水试验优点：直观、与工程灌浆联系紧密 可适用于非饱和带、低渗透性岩体缺点：耗时相对较长、成本高 不能直接得到渗透系数常用的测试技术

5、 抽水试验稳定流抽水试验非稳定流抽水试验注水试验优点：经典理论、可直接求得渗透系数缺点：耗时较长、成本高 大多数低渗透性岩体中不适用一、岩体渗透性特点二、常用的测试技术三、振荡试验测试原理四、振荡试验测试渗透系数张量五、测试系统（仪器）振荡试验测试原理 基本概念 通过瞬间井孔内微小水量的增加（或减少）而引起井水位随时间的变化规律确定含水层水文地质参数的一种简易方法。气压激振气压激振水流振荡波水流振荡波渗流渗流运动运动 激发钻孔内水位变化的方式有：抽水式、注水式、气压等。振荡试验测试原理 优缺点优点：更简便、经济；优点：更简便、经济； 精度完全能够满足实际测定含水层渗透系数的需要。精度完全能够满

6、足实际测定含水层渗透系数的需要。缺点：无法在非饱和带进行试验。缺点：无法在非饱和带进行试验。 适用范围适用于确定井孔附近小范围含水层的水文地质参数；适用于确定井孔附近小范围含水层的水文地质参数；测试范围：测试范围：1.010-6cm/s2.610-1 1cm/scm/s（介质的阻尼系数介（介质的阻尼系数介于于0.20.25之间）之间） 计算原理假设：假设：(1)(1)承压含水层等厚，含水层顶、底板隔水；承压含水层等厚，含水层顶、底板隔水；(2)(2)含水层均质、各向同性；含水层均质、各向同性；(3)(3)柱坐标系的原点取为含水层顶面与井孔轴线柱坐标系的原点取为含水层顶面与井孔轴线的交点；的交点

7、；(4)(4)试验井为完整井；试验井为完整井；(5)(5)井孔井孔100100有效。有效。承压含水层中振荡试验示意图承压含水层中振荡试验示意图振荡试验测试原理振荡试验测试原理0.010.101.0010.00100.001000.00-1.00-0.500.000.501.009988.119976499406991799881149821199761299642399523499404tw无量纲关系曲线图无量纲关系曲线图 无量纲阻尼系数小于无量纲阻尼系数小于1时，时，系统欠阻尼；大于系统欠阻尼；大于1时，系时，系统是过阻尼反应。等于统是过阻尼反应。等于1时，时，系统为临界阻尼。系统为临界阻尼

8、。无量纲阻尼系数大于无量纲阻尼系数大于5时，时，惯性的影响可忽略，这时适惯性的影响可忽略，这时适用用Cooper法。小于法。小于0.2时，时，适用适用Vander Kamp的近似解。的近似解。本方法适用无量纲阻尼系本方法适用无量纲阻尼系数介于数介于0.25.0之间。之间。振荡试验测试原理 与抽水试验的比较 振荡试验的水位动态过程一般都在很短的时间内完成，无论是承振荡试验的水位动态过程一般都在很短的时间内完成，无论是承压还是无压含水层，反映的是含水层的弹性释水或贮水性能。由于井压还是无压含水层，反映的是含水层的弹性释水或贮水性能。由于井内是内是“微水微水”变化，因此井孔内变化水头的影响范围一般只

9、局限在井变化，因此井孔内变化水头的影响范围一般只局限在井孔试段附近的含水层，确定的参数也只代表井孔试段附近含水层的渗孔试段附近的含水层，确定的参数也只代表井孔试段附近含水层的渗透性。透性。 抽水试验反应的是影响半径范围内岩土体的渗透特性。抽水试验反应的是影响半径范围内岩土体的渗透特性。振荡试验测试原理 与抽水试验的比较振荡试验测试原理 与压水试验的比较（a）岩性分布）岩性分布 （b）裂隙分布）裂隙分布 （c）压水试验渗透系数）压水试验渗透系数 （d）Slug test渗透系数渗透系数起始起始终止终止埋深埋深/m试段长试段长度度/mLu值值渗透系数渗透系数/(cm/s)K1/K2岩性岩性结构面发

10、育情况结构面发育情况Slug test K1压水试验压水试验K245.450.75.30.649.6010-68.3910-61.14含杏仁玄武岩含杏仁玄武岩50.756.05.30.323.1310-44.2010-674.5251.252.7m一条一条倾角倾角15裂隙裂隙61.566.55.00.511.7410-47.3810-623.58角砾熔岩角砾熔岩66.067.5m，倾，倾角角20错动带错动带66.572.56.00.554.8810-48.3310-658.5872.578.15.60.629.0010-66.6610-61.3572.5-73.4m玄武岩，玄武岩，73.4-7

11、8.1角砾熔岩角砾熔岩78.183.65.50.505.3210-58.8110-66.04含杏仁玄武岩含杏仁玄武岩83.688.85.20.662.0010-57.8410-62.55角砾熔岩角砾熔岩88.893.74.90.596.8010-57.1510-69.51微晶玄武岩微晶玄武岩93.799.35.60.553.3610-51.2610-626.6793.7-95.0m微晶玄武岩，微晶玄武岩，95.0-99.3m角砾熔岩角砾熔岩95.0m一条倾角一条倾角15裂隙裂隙99.3105.46.10.951.9110-56.5410-62.9299.3-103.3m微晶玄武岩，微晶玄武岩，

12、103.3-105.4m角砾熔岩角砾熔岩105.4110.26.00.483.3510-51.6710-52.01105.4-108.5m角砾熔岩，角砾熔岩，108.5m以下微晶玄武岩以下微晶玄武岩108.5m以下柱状以下柱状节理发育节理发育110.2116.36.11.291.9710-52.2410-50.88微晶玄武岩微晶玄武岩116.3121.65.31.664.7710-51.2210-53.91微晶玄武岩微晶玄武岩121.6126.44.80.932.3910-51.3210-51.81微晶玄武岩微晶玄武岩126.4132.46.01.022.9510-56.7610-64.36微

13、晶玄武岩微晶玄武岩132.4138.46.00.503.3610-57.7810-64.32微晶玄武岩微晶玄武岩振荡试验测试原理 与压水试验的比较 岩体钻孔中岩体钻孔中Slug test反应的是较小尺反应的是较小尺度范围内裂隙的导水特性，获得的渗透系度范围内裂隙的导水特性，获得的渗透系数是裂隙渗透系数在试段岩体上的平均；数是裂隙渗透系数在试段岩体上的平均； 压水试验中压力值较大，反应的是较压水试验中压力值较大，反应的是较大尺度范围岩体的导水特性，即压力影响大尺度范围岩体的导水特性，即压力影响范围内岩体裂隙组成的裂隙网络的导水特范围内岩体裂隙组成的裂隙网络的导水特性，渗透系数的大小主要受裂隙延续

14、性和性，渗透系数的大小主要受裂隙延续性和连通性控制。连通性控制。 振荡试验测试原理 与压水试验的比较当试验段发育的裂隙延伸范围大于当试验段发育的裂隙延伸范围大于Slug test影响范围而远小于压水试验影响范围影响范围而远小于压水试验影响范围时，采用时，采用Slug test获得的渗透系数将远大获得的渗透系数将远大于压水试验获得的渗透系数；当试验段裂于压水试验获得的渗透系数；当试验段裂隙延伸很差甚至不发育裂隙，此时采用两隙延伸很差甚至不发育裂隙，此时采用两种试验得到的渗透参数在同一量级范围内。种试验得到的渗透参数在同一量级范围内。一、岩体渗透性特点二、常用的测试技术三、振荡试验测试原理四、振荡

15、试验测试渗透系数张量五、测试系统（仪器）振荡试验测试渗透系数张量 渗透系数张量22222121 cossinsinsincoscossincossincossin1 sinsinsinsincoscossincossinsincos1 cosiiiiiiiineiiiiiijiiiiiiiiiiKK当量渗透系数裂隙产状振荡试验测试渗透系数张量 钻孔中裂隙产状的获得图图 井下钻孔图像识别定向系统确定裂隙产状井下钻孔图像识别定向系统确定裂隙产状振荡试验测试渗透系数张量 由振荡试验获得不同倾角裂隙渗透系数理论推导理论推导1222cos=4ssceijijt rt rKttb 11212coscoscoscosmijeijjiiimeieieieimiiiib KbbbKKKKLLLL振荡试验测试渗透系数张量试验验证试验验证30度裂隙面上土工布布置图土工布上铁丝网布置图铁丝网上覆盖水泥布置图30度裂隙模型中隔离板布置图30度裂隙面上覆水泥整体浮起图3