如何调查岩体的临界压力？

传统的压水试验方法制订者与有些灌浆工作者认为，所有不同岩体都有相同的可灌性，而且认为，只要进行灌浆就可堵塞岩体孔隙并可达到预期的防渗效果。如果是这样，灌浆工作就是很容易的事情了。遗憾的是并不是这样。因为各岩体类型都有各自水径的特殊性和不同的岩体强度。如果压水试验不从这些基本条件出发，那么就很难做到具体情况具体分析了。

进行灌浆时，灌浆压力的大小与灌浆时间的长短成反比，即灌浆压力愈大，达到不吃浆的时间就愈短。但是，不是任何类型的岩体都可以施行高压力灌浆的。每种岩体都有可以承受但不会发生劈裂、膨胀和冲蚀的最大压力，如果将岩体不破坏前的最大压力（临界压力）除以大于1的安全系数即可得出岩体的容许试验压力。本节专门调查研究各类岩体的临界压力。

（一）最大试验压力的设定

每种类型的岩体，都有自己的固定的不劈裂不膨胀和不冲蚀的最大压力。每个最大压力决定于岩体的埋藏深度或岩体强度。对于不同的水利水电工程的地质条件，可以估计出每种岩体类型的最大压力。例如小浪底工程的深埋砂页岩互层的最大压力为（7～10）×105Pa；深埋的硅质砂岩的最大压力为（40～50）×105Pa。具体到对每种岩体进行最大压力试验时，以经验判断的最高压力为试验的最大值，如按9个压力阶段，即a、b、c、d、e、d、c、b、a等9个压力阶段。如小浪底的硅质砂岩，e阶段为50×105Pa，而向前向后依次降低。一般来说，e阶段的压力，应当超过劈裂或膨胀或冲蚀压力（破坏压力），即利用这个破坏压力去限定所需要的最大灌浆压力。图3-5③④⑤⑥所示成果为，当压力达到临界压力以后，渗流量随压力的增大发生了水力破坏（pc 点以后）引起了超比例变化。从该图可知临界压力，它即为我们所求的最大灌浆压力。实际上，在压水试验中，应使用容许试验压力。

图3-5　根据地质条件进行p/Q图解分类图

Q—渗透量（L/min）；p—试验压力（MPa）；①～⑥—分类编号；pC—临界压力；a —有出口的冲蚀；b—无出口的冲蚀

在风化卸荷带内，岩体（或大部分）失去了彼此的联结力，块体之间可以移动。当最大试验压力小于上覆岩体重量时，试验岩体间没有发生膨胀或劈裂或冲蚀或抬动的情况，所求岩体的渗透性为原始透水率。当最大试验压力大于上覆岩体重量时，可能引起岩体裂隙膨胀或劈裂抬动等现象。这个最大试验压力随试验深度的增加而增大［图3-6（a）］。无联结力的岩体经常位于浅部，大约10～20m厚度，近于平行地表面。在冲沟底部等地方，常常不存在无联结力的风化卸荷带。

图3-6　不同岩体类型的临界压力［9］

（a）临界压力随深度增加；（b）临界压力不随深度变化pC—临界压力

在弱风化卸荷带内及其以下的岩体，岩体有联结力，有潜在不连续面，水径发育是局部的，这种类型在所有岩体类型中占主要部分。最大压力受制于岩体强度，它在很大程度上并不随试段的埋深变化而变化［图3-6（b）］。特别重要的影响因素是钻孔方向与大多数敏感地质结构面之间的角度关系：交角为90°时则易于产生岩体破坏（指产生膨胀劈裂或冲蚀现象的岩体），层面是最易破坏的地方。层面、薄层面的破坏远比正常裂隙要敏感得多。各类岩体的强度差别比较大，最大压力变化于较大范围内：软岩有很低的最大压力，很多岩体都小于5×105Pa；对于坚硬岩体，即使位于浅部的岩体，仍需要很高的压力去破坏岩体的地质结构面。

（二）压水试验资料整理

对压水试验资料的整理方法有多种多样，但最重要的是p/Q 图解图的制作。不同地质类型的p/Q 图形都包括在E.K.埃瓦特分类之中（图3-5），现说明并举例如下：

第①组。为致密岩体，在高试验压力作用下也不吸水。例如中国台湾省的某个坝址，其基岩为具有良好层面的石英砂岩。由于它们有很高的强度，当试验压力相当高时，地质结构面也没有破坏。尽管可以采用很高的灌浆压力进行灌浆，但由于渗透性低微而未进行灌浆。

第②组。致密岩体中有孤立的孔洞，在一个或另一个高压力作用下，由于孔洞的饱水而使岩体有一定的渗透量，而后又完全不透水。

第③组。致密岩体，在达到某个试验压力之前，岩体不透水，当超过某个试验压力之后，由于潜在不连续面的劈裂而使岩体的渗透量随试验压力的增加，而发生超比例的增加，甚至试验压力降低时而渗水量（透水率）仍有超比例的增加。当超过某一试验压力后，p/Q 曲线发生向上与向左转，它标志着渗透量发生超比例的增加，并常常引起试验压力的降低。它代表着地质结构面破坏，发生了水力劈裂现象。

【例3-1】 塔贝拉（Tavera）坝基岩体是不透水的，但它含有渗透性的粉砂岩层。由于粉砂岩层的强度很低，当试验压力达到（5～10）×105Pa 时，发生了试验压力突然降低的水力劈裂现象。考虑到坝基的综合渗透性很小，低压灌浆不可能改善坝基的透水性；高压灌浆时又会产生水力劈裂，形成枕状的结石层。因此，对坝基并未进行防渗处理。

【例3-2】 安垂福特、豪恩（Haune）和退斯特坝基岩体，由砂岩与粉砂岩互层组成。岩体中有透水的高角度裂隙和部分的闭合裂隙，在近于水平的潜在层面上富积有云母薄片，这种层面具有对水力劈裂的高度敏感性。当试验压力接近3×105Pa时，层面发生了水力劈裂，发生了超比例地增加渗透量的现象；当试验压力小于3×105Pa 时仍有较大的渗透性。从这点来看，坝基是透水的，需要进行防渗处理。在这样情况下，采用了非劈裂的低压灌浆，而只灌了较宽的裂隙，剩下的小水径仍未封堵，坝基仍具有残余的渗透性。

第④组。渗透岩体，在不高的试验压力作用下，渗透量随试验压力的增大而增大，p/Q 图解图上表现为线性关系，含有轻微的上超比例（向上向左弯）和下超比例（向下向右弯）的渗透量变化。

第⑤组。渗透岩体在高试验压力作用下，由于裂隙膨胀而使裂隙产生超比例增加渗透量。当试验压力低于某个压力时，p/Q 曲线为线性关系，即已存在裂隙发生了渗透，但当超过某一定试验压力时，p/Q 曲线向上向左发生超比例变化，即引起了已存在裂隙的膨胀破坏。

图3-7　层状结构花岗岩的p/Q分类图［9］

A—不吸水占（60%）；B—水力劈裂（占2%）；C—裂隙膨胀（占4%）；D—吸水（占4%）；pC1—劈裂临界压力；pC2—裂隙膨胀临界压力

【例3-3】 由致密花岗岩组成的惠特斯坝基（图3-7），由于具有层状结构，尽管钻孔的96%试段的岩体是致密的，遇到透水裂隙的试段占4%，但在（2～5）×105Pa的低压力下就发生了裂隙膨胀；有32%的试段在（8～16）×105Pa压力下就启动了水力劈裂；有60%的试段，在相当高的压力下也未发生水力劈裂。这样一种坝基岩体是很致密的不透水的，勿需进行防渗处理。

第⑥组。致密或渗透岩体，在基本上达到最大试验压力以后，由于冲刷侵蚀（具有冲蚀出口）使渗透量突然增加，试验压力突然下降［图3-6（a）］；在达到最大试验压力之后，由于冲刷侵蚀而细颗粒发生转移堵塞（不具排水出口），而使渗透量逐渐有明显的超比例减少。

（三）对压水试验资料的评价

任何压水试验都是在地质体内进行的，那种只看透水率大小就去决定基础处理方案的情况，从前已论述的道理说明是欠妥的。因此，对已取得的压水试验成果，要结合试段的地质条件进行综合评价。

1.渗透量不能说明透水岩体裂隙的尺寸和形状

水流沿岩体裂隙流动时所形成的水头损失，与透水水径大小、长度成反比关系。有人在室内作过这样的试验：1个直径1mm，长90mm的水径，与1个0.2mm×20.8mm，长700mm近似矩形水径的透水率都为0.75Lu。如果从两者水径体积相比，其差别比较大；但从两个岩体水径的表面积来比就十分接近了。这说明岩体水径渗透量与水径的表面积有直接关系。

另外一个试验还表明，一种混合浆液的灌浆，不同水径大小，需要启动浆液流动的启动浆液压力是不一样的：0.2mm 直径的水径需要12×105Pa灌浆压力去启动流动，而一个1mm直径的水径，仅需2×105Pa压力就可以启动了。

一个较大裂隙和一批较窄裂隙的单位透水率可以是一个数量级。很显然，前种裂隙就有可灌性，而后种裂隙就不具可灌性。因此渗透量不能说明裂隙尺寸和形状，对于研究裂隙岩体可灌性来说，单位透水率具有不确定性。这也就是说，用透水率不能说明岩体的可灌性。要了解可灌性必须进行灌浆试验。

2.压水试验值与渗透系数之间不存在可对比性

一般习惯分别用压水试验的渗透量和渗透系数大小来描述岩体的渗透性。

当综合描述岩体渗透性时，就会面临着一个两难的问题：水力计算时需要渗透系数Kf 值，但鉴于以下原因，欲把压水试验渗透量转化成渗透系数Kf 值是不可能的。(www.xing528.com)

（1）达西定律适应于各向同性的均匀介质，但我们经常研究的岩体绝大多数都是不均质的。

（2）各个压水试验段的裂隙岩体的空洞、水径几何形态及其大小都是不同的。

（3）QWP T的结果不能显示水是通过密集的窄裂隙还是个别大水径，也就是说，尽管渗透流量是相等的，但渗透面积可以有很大的变化。例如，假定水的运动是层流运动，水力坡降等于1时，则可按下式计算渗透系数：

式中　F——渗透面积。

由该式可知，Kf 与F成反比，F值愈大，Kf 值就愈小，反之亦然。由前述可知，不同的裂隙孔径又可形成相同的QWP T，所以两者之间不存在可比性。

（4）压水试验所形成的渗流状态（径向渗水）与水流直接通过坝基的情况是无法比拟的。

我们把岩体假定成均质的，将大量的计算渗透系数与QWP T进行对比，无论如何也找不出两者之间的可比性。

如果需要进行水力计算，地下水位以上岩体的Kf 可利用注水试验计算之，或者在水库蓄水以后根据地下水观测资料进行。

3.如何使用压水试验资料

尽管压水试验资料存在着不明确性，但目前仍无可取代压水试验的其他手段。问题在于如何正确认识和如何正确使用压水试验资料。

（1）可以求解岩体的原始透水率指标。目前，我们国家所使用的压水试验的压力为10×105Pa，在10×105Pa压力作用下，岩体可能发生破坏作用。如果用5个、7个或9个压力阶段进行了试验，可以作出如图3-8所示的p/Q 图解图。我们在这个图上既可找出该岩体破坏压力作用下的渗透性，也可以找出该岩体的原始透水率指标。

图3-8　从p/Q图解图中求解岩体的原始渗透性指标［9］

Q'0.1—0.1MPa压力下的原始透水率；Q'1.0—如不膨胀，10×105Pa压力下的原始透水率；Q"0.1、Q"1.0—劈裂后，分别在1×105Pa、10×105Pa作用下的透水率；pmax—最大劈裂压力；pC—临界压力

Q'0.1透水率，是在1×105Pa压力作用下的真实渗透性，即代表裂隙岩体在未发生裂隙膨胀或潜在不连续面水力劈裂的情况下的原始渗透性。

Q'1.0透水率，是在10×105Pa压力作用下的渗透性。它是用Q'0.1线性比例插补出来的数值，它代表已消除由于裂隙膨胀或岩体水力劈裂所带来的影响以后的渗透性指标，可以用它与传统的吕荣值进行对比，可以了解裂隙膨胀和水力劈裂对岩体渗透性带来多大影响。

Q"0.1透水率，是用最大压力资料按线性比例作出的p/Q 图解图上插补出1×105Pa压力作用下的透水率，它考虑了膨胀和水劈裂的影响。

Q"1.0透水率，是从Q"0.1的线性关系线上插补出来的10×105Pa压力作用的吸水率。

我们可以用Q"1.0-Q'1.0计算值来说明裂隙膨胀和水力劈裂作用下，岩体渗透性指标发生的变化。

（2）可以了解试验岩体的变形性。最大压力对试验岩体来说，就像枕状千斤顶试验一样。压水试验的超比例增加吸水量可以显示岩体的变形性。这种超比例增加量可以是轻微的也可以是非常显著的，即可以表示小的变形量也可以表示大的变形量。当降低试验压力的时候，超比例吸水量可以减小甚至可以减小到原始渗漏量，它代表着普遍的弹性阶段，反之亦然，但是，最终的残余变形没有被揭露，其变形仍然包含着塑性变形成分。

我们可以从不同的p/Q 图解图中了解到不同的变形性质。利用p/Q 图解可以评价各类岩体的变形性质。从这方面来说，p/Q 图解同样是一个重要的分析工具，用以确定合适的灌浆压力。用压水试验资料了解岩体的变形性比了解其渗透性更为重要。

（3）可以查明岩体的透水性程度。将压水试验资料整理成p/Q 图解，从该图上可以明确看出以下3 种情况：

首先，可以看出p/Q 线是否通过坐标原点，对于在一定压力作用下未通过原点的这一无线段，它的确是不透水的岩体，对于通过坐标原点，但在一定压力下的透水率低于规定的不透水标准的这一段，为微透水岩体。

其次，可以确定透水率确实比较大，无论如何要保证对其进行封堵。除非水文地质条件的特征证明坝基上、下游之间有足够不透水的条件。

最后，可以检查灌浆对基础的封堵情况，但与灌浆前后的渗透系数是无关的。这也就是说，用压水试验手段可以相对评价灌浆的有效性。

（4）可以对岩体进行分类。利用p/Q 图形，可以更好地理解钻孔周围岩体的水文地质条件，鉴别水径的几何形状，了解灌浆压力对岩体的影响，即变形性质。一定的岩体性质，形成一定的p/Q 图形，这有助于检查岩体的渗透性和可灌性。

如果岩体是致密的，其压水试验就显示出不透水的特征。说明不需要灌浆，也灌不进去浆。

如果所有试验钻孔遇到的都是张口裂隙，其压水试验就显示出很强的透水性，说明这种岩体是透水的、可灌的，应当进行灌浆工作。

当然，也可以遇到几个p/Q 图形所形成的联合类型，这个联合起来的特殊性质，即这些实际岩体类型的渗透性和变形。

在一个工程区，可以获得多种类型的p/Q 图形，但不管取得多少条图形，都包含在如图3-5所示的6种p/Q 图形分类中。

（5）可以查清最大的灌浆压力。在任何由5～9 个压力阶段组成的p/Q 图解图上，可找出由线性段向超比例增量段过渡的拐点（图3-5），该拐点处的相应压力即为临界压力，当用小于临界压力进行试验时，p/Q 呈线性变化，此时的相应的渗流量为岩体的原始渗流量，代表岩体的真实渗透性；当用大于临界临力进行试验时，p/Q 呈非线性变化，此时的相应的渗流量为岩体破坏后的渗流量，代表裂隙膨胀或水力劈裂渗流量，非真实渗流量。

我们搜集了世界各国部分水利水电工程易于裂隙膨胀和水力劈裂的各类软岩体和较软岩的临界压力（表3-7）和小浪底回龙工程坚硬岩体的临界压力。由于原资料中未区分出裂隙膨胀的临界压力和水力劈裂的临界压力，所以在表3-7 中所示的临界压力为两者的混合压力。由表3-7 所列资料可以看出：大部分软岩和较软岩的临界压力低于10×105Pa，即在吕荣压水试验时即可能发生破坏，所得渗流量并非代表岩体的真实渗透性；同时也可以看出有一部分坚硬岩体的临界压力大于10×105Pa，吕荣压水试验的压力也为10×105Pa，它的渗透量可能代表真实的渗透性；最后可以从坚硬岩体的临界压力大于40×105Pa的情况联想到，在坚硬岩体中进行灌浆时，可以进行省时省灰的高压灌浆。

表3-7　各类岩体的临界压力统计表