病险水库大坝土质防渗体钻孔连续注水试验方法
阅读说明：本技术 病险水库大坝土质防渗体钻孔连续注水试验方法 (Continuous water injection test method for drilling holes in soil impervious body of dam of dangerous reservoir ) 是由 黄振伟 刘大庆 蒲进 贾召文 肖浩波 茆金柱 冯建伟 李爱国 李文健 余冰洋 蒲 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种病险水库大坝土质防渗体钻孔连续注水试验方法。它包括如下步骤,步骤1：确定钻孔位置；步骤2：选择注水试验方法；步骤3：进行地下水位以上试段的连续注水试验；步骤4：进行地下水位以下试段的连续注水试验。本发明具有能全面、准确评价病险水库大坝防渗性能,操作便捷的优点。(The invention discloses a continuous water injection test method for a drilling hole of an earth impervious body of a dam of a dangerous reservoir. The method comprises the following steps of 1: determining the position of a drilling hole; step 2: selecting a water injection test method; and step 3: carrying out a continuous water injection test of a test section above the underground water level; and 4, step 4: and carrying out a continuous water injection test of a test section below the underground water level. The method has the advantages of capability of comprehensively and accurately evaluating the seepage-proofing performance of the dam of the dangerous reservoir and convenience in operation.)
技术领域
本发明涉及水利水电工程勘察技术领域，更具体地说它是病险水库大坝土质防渗体钻孔连续注水试验方法。更具体地说它是在钻孔中针对大坝土质防渗体地下水位以上、以下试段分别采用常(定)水头、降水头试验方法，试段连续、不漏段，以全面、准确评价病险水库大坝防渗性能的一项方法。
背景技术
我国是世界上拥有水库最多的国家，目前已达到8.7万余座。这些数量庞大的水库中，绝大部分兴建年代久远，受限于当时落后的经济社会条件和施工技术水平，大坝多存在与坝体质量有关的隐患、病害乃至险情。对这些病险水库，查明包含坝体渗透性在内的工程质量等方面的问题是工程勘察的重要任务，可为进一步实施大坝除险加固提供可靠的基础依据。
工程实践中，通常采用钻孔注水试验获取土体的渗透系数，水利标准《水利水电工程注水试验规程》(SL234-2007)、电力标准《水电工程钻孔注水试验规程》(NB/T35104-2017)均对试验过程进行了规定，但仍不完善。现行标准注水试验是分段间断进行的，适用于自然形成的性质较均匀的土体，可用一(几)个试段的注水试验成果代表整层土体；对于性质不均匀的人工填筑土，必须采用试段连续的注水试验才能全面、准确地评价其渗透性。上述行业技术标准还规定，渗透性较弱的黏性土适用于降水头法注水试验，但未能给出与地下水位以上试验相对应的渗透系数计算公式，而地下水位以上黏性土客观存在且亦有评价其渗透性的需要。
在众多水库中，大坝以土质防渗体土石坝、均质坝这两种坝型为主，土质防渗体和均质坝均是挡水建筑物关键的防渗结构。土质防渗体(含均质坝)一般由黏性土经人工填筑而成，其物质组成、密实度等具明显的不均匀特点，钻孔注水试验必须连续进行，试段不允许遗漏。试验过程中，对地下水位以上的黏性土试段采用何种注水试验方法，现行标准未作具体规定。
因此，开发一种测试准确的病险水库大坝土质防渗体钻孔连续注水试验方法很有必要。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种病险水库大坝土质防渗体钻孔连续注水试验方法，本发明在钻孔中针对大坝土质防渗体地下水位以上、以下试段分别采用常(定)水头、降水头试验方法，试段连续、不漏段，以全面、准确评价病险水库大坝防渗性能，操作便捷，成果全面、准确。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：病险水库大坝土质防渗体钻孔连续注水试验方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1：确定钻孔位置；
步骤2：选择注水试验方法；
步骤3：进行地下水位以上试段的连续注水试验；
步骤4：进行地下水位以下试段的连续注水试验(如图1所示)。
在上述技术方案中，步骤1中，根据病险水库大坝有关设计、施工等资料，在大坝坝顶坝轴线上布置钻孔作为勘探、试验孔(如图2a所示图)；图2a中大坝主要由土质防渗体、坝壳两部分组成，防渗体一般由透水性较弱的黏性土填筑而成，起防渗作用，坝壳一般为粗粒土，起支撑作用；坝壳位于土质防渗体的两侧；土质防渗体位于大坝坝体中部；
大坝1顶部铺有一层垫层料，垫层料的厚度较小，一般小于1米。
在上述技术方案中，步骤2中，注水试验前，测量水库水位，将实测的水库水位作为大坝土质防渗体中的地下水位(单位为米)；
根据试段与地下水位之间的相对位置关系，选择不同的注水试验方法，具体为：当试段位于地下水位以上时，采用常(定)水头注水试验；当试段位于地下水位以下时，采用降水头注水试验。本发明的各试段均不跨地下水位。
在上述技术方案中，步骤3中，进行地下水位以上试段的连续注水试验，具体包括如下步骤：
步骤3-1：将地下水位至垫层料底板之间的土质防渗体，自上而下分成若干个连续的试段；分段应连续，不漏段；每段试段长度3～5米；本发明根据实际情况调整连续各试段的长度，防止试段跨地下水位，保证试段土体的渗透系数的测试准确性；且对于透水性较大部位，比如裂缝部位，缩短试段长度，设置裂缝及位于裂缝上、下的试段短于其它试段，提高试段土体的渗透系数测试结果的精准性；克服了现有技术采用固定的试段长度，可能导致试段跨地下水位，无法计算试段土体的渗透系数，以及对于透水性较大部位，比如裂缝部位，采用固定的试段长度，导致试段土体的渗透系数测试误差大的缺点；
步骤3-2：开孔并钻进至地下水位以上的第一个试段l1(试段长度单位为米)底,将第一层钢套管打至垫层料底板以下，第一层钢套管管脚与垫层料底板之间的距离d为30～50厘米(如图2b所示)；
第一层钢套管将地下水位以上的第一个试段l1与其上土体隔离开来起止水作用，同时也能维持孔壁稳定、防止孔壁坍塌或缩径现象发生；
在钻孔钻进过程中宜采用无冲洗液钻进，如钻进困难时可加入少量清水，严禁使用泥浆；
步骤3-3：向钻孔内充水30分钟，使地下水位以上的第一个试段l1的土体饱和；
步骤3-4：对地下水位以上的第一个试段l1进行常(定)水头注水试验，保持钻孔内水位在第一层钢套管管口并固定不变，记录稳定注入流量(单位为升/分)，采用现行标准规定的渗透系数公式计算试段土体的渗透系数(单位为厘米/秒)；
步骤3-5：继续跟进第一层钢套管至地下水位以上的第一个试段l1底，在第一层钢套管的保护下钻进形成水位以上的第二个试段l2(试段长度单位为米)，充水使地下水位以上的第二个试段l2土体饱和，对地下水位以上的第二个试段l2进行常(定)水头注水试验(如图2c所示)；
步骤3-6：重复步骤3-5，即重复以上第一层钢套管跟管、钻孔钻进、充水饱和、常(定)水头注水试验等步骤，直至完成地下水位以上最后一个试段li(试段长度单位为米)的注水试验(如图2d所示)。
在上述技术方案中，步骤4中，进行地下水位以下试段的连续注水试验，具体包括如下步骤：
将地下水位以下的土质防渗体中的钻孔，自上而下分成若干个连续的试段；分段应连续，不漏段；每段试段长度3～5米；本发明根据实际情况调整连续各试段的长度，防止试段跨地下水位，保证试段土体的渗透系数的测试准确性；且对于透水性较大部位，比如裂缝部位，缩短试段长度，设置裂缝及位于裂缝上、下的试段短于其它试段，提高试段土体的渗透系数测试结果的精准性；克服了现有技术采用固定的试段长度，可能导致试段跨地下水位，无法计算试段土体的渗透系数，以及对于透水性较大部位，比如裂缝部位，采用固定的试段长度，导致试段土体的渗透系数测试误差大的缺点；
步骤4-1：跟管、钻进；
继续跟进第一层钢套管至试段li底，即第一层钢套管管脚与地下水位平齐，在第一层钢套管的保护下钻进形成地下水位以下的第一个试段li+1(试段长度单位为米)；
步骤4-2：注水试验；
对地下水位以下的第一个试段li+1进行降水头注水试验(如图2d所示)，记录第一层钢套管内水头下降与延续时间的变化情况，采用现行标准规定的渗透系数公式计算试段土体的渗透系数(单位为厘米/秒)；
步骤4-3：跟管、钻进
采用第二层钢套管跟管，第二层钢套管管脚下至地下水位以下的第一个试段li+1底；在第二层钢套管的保护下钻进形成地下水位以下的第二个试段li+2(试段长度单位为米)；
步骤4-4：注水试验；
对地下水位以下的第二个试段li+2进行降水头注水试验(如图2e所示)；记录第二层钢套管内水头下降与延续时间的变化情况，采用现行标准规定的渗透系数公式计算试段土体的渗透系数(单位为厘米/秒)；
步骤4-5：继续进行跟管、钻进、注水试验；
重复步骤4-3、步骤4-4，即重复以上跟管、钻进、注水等步骤，直至完成地下水位以下所有试段的注水试验。
在上述技术方案中，第一层钢套管外径为168毫米；
第二层钢套管的外径小于第一层钢套管的外径。
在上述技术方案中，在步骤4-5中，当跟管困难时，可依次采用较小外径规格的第三、四、五层钢套管跟管，如外径127毫米、108毫米、89毫米等。本发明将一种外径规格的套管作为一层套管结构，比如158毫米、146毫米、127毫米，就分别对应称为第一层钢套管、第二层钢套管、第三层钢套管，第一层钢套管的外径大于第二层钢套管的外径，第二层钢套管的外径大于第三层钢套管，如此类推。
本发明提供的一项病险水库大坝土质防渗体钻孔连续注水试验方法，具有以下有益效果：
(1)针对填筑土不均匀的特点，对土质防渗体进行连续注水试验，不遗漏任一试段，可全面、准确评价病险水库大坝的防渗性能；克服了现有技术采用间断的、不连续钻孔进行注水试验，渗透系数均较小，根据该渗透系数评价土质防渗体(即地下水位以上的粘性土)防渗性能并不准确的缺点；本发明采用连续注水、连续跟管，直到第一层钢套管跟不动的时候，才考虑下第二层钢套管、第三层钢套管，所需钢套管外径尺寸种类少，工序简单，省工省时，工程应用比较便捷；克服了按照传统的间断注水试验方法做连续注水试验较困难的缺点(常规注水试验由于设备限制，每次仅能间断做1-2段注水试验，常规的注水试验每次做试验时要下套管(即常规跟管)，将试验以上的孔段与试段相互隔离，再做另一试段的注水时，又要另外下第二层套管；做第三试段的注水时，又要另外下第三层套管，下套管(即常规跟管)工序复杂，每层套管均从孔口一直下到试验段，所需钢套管外径尺寸种类多，耗工耗时)；
(2)采用即时观测的水库水位作为大坝土质防渗体中的地下水位，可节省在黏性土中观测稳定地下水位所需的较多工时；克服了现有技术采用人工观测大坝土质防渗体中的地下水位，观测到稳定的地下水位需要较长时间(地下水位稳定时间为1～2天、甚至更久)，且工程实际中，大部分人工观测的水位是假水位，准确性较差的缺点；本发明利用防渗体与水库水的直接水力联系，将即时观测的水库水位作为大坝土质防渗体中的地下水位、节省时间，且将即时观测的水库水位作为大坝土质防渗体中的地下水位比人工观测的假水位准确性高，满足渗透系数计算要求；
(3)对大坝土质防渗体地下水位以上的试段预先充水，为采用常(定)水头注水试验模拟土体饱水状态，解决了现行标准对地下水位以上黏性土试段采用何种注水试验方法未作具体规定、无法准确施测的难题。
附图说明
图1为本发明工作流程图。
图2工作原理示意图。
图2a为本发明钻孔布置的工作原理示意图。
图2b为本发明地下水位以上第一个试段形成的工作原理示意图。
图2c为本发明地下水位以上第二个试段形成的工作原理示意图。
图2d为本发明地下水位上、下相邻试段形成的工作原理示意图。
图2e为本发明地下水位以下第二个试段形成的工作原理示意图。
图2a、图2b、图2c、图2d、图2e为本发明工作原理示意图的各个阶段。
图2b中的l1为地下水位以上的第一个试段；d为钢套管脚与垫层料底板之间的距离。
图2c中的l1为地下水位以上的第一个试段；l2为地下水位以上的第二个试段；d为钢套管脚与垫层料底板之间的距离。
图2d中的li为第i个试段，即地下水位以上的最后一个试段；li+1为第i+1个试段，即地下水位以下的第一个试段。
图2e中的li+1为第i+1个试段，即地下水位以下的第一个试段；li+2为第i+2个试段，即地下水位以下的第二个试段。
图中1-大坝，2-坝轴线，3-钻孔，4-土质防渗体，5-坝壳，6-垫层料，7-水库水位，8-第一层钢套管，9-土质防渗体中的地下水位，10-第二层钢套管。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
实施例
现以本发明试用于某病险水库大坝坝体的渗透性检测为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它病险水库大坝坝体的渗透性检测同样具有指导作用。
本实施例对某病险水库大坝坝体进行土质防渗体钻孔连续注水试验。
本实施例中，某病险水库大坝土质防渗体钻孔连续注水试验方法，包括如下步骤：
步骤1：确定钻孔位置；
步骤2：选择注水试验方法；
步骤3：进行地下水位以上试段的连续注水试验；
步骤4：进行地下水位以下试段的连续注水试验(如图1所示)。
步骤1中，在勘察工作开展前，通过收集病险水库大坝有关设计、施工等资料，确定大坝1坝型为土质防渗体心墙分区土石坝，坝轴线2位于坝顶中心偏上游侧，坝顶高程67.1米；土质防渗体4主要为黏土和粉质黏土等黏性土组成，坝顶与土质防渗体心墙之间铺有一层厚度0.3米的砂石垫层料；为查明黏性土防渗体的渗透性，在坝顶坝轴线2上布置钻孔3(如图2a所示)作为勘探、试验孔，进行连续注水试验。
步骤2中，在进行注水试验前，通过观测设置于水库周边的水尺(也可用测量仪器实测)，确定水库水位7为60.1米，将此水位作为大坝土质防渗体中的地下水位；根据试段与土质防渗体中的地下水位9之间的相对位置关系，选择不同的注水试验方法：当试段位于地下水位60.1米以上时，采用常(定)水头注水试验，当试段位于地下水位60.1米以下时，采用现行标准规定的降水头注水试验。
步骤3中，将地下水位至垫层料底板之间的土质防渗体分成两个试段，自上而下的第一、二个试段高程分别为66.3～62.5米、62.5～60.1米，试段长度各3.8米、2.4米，做到分段应连续，不漏段，试段不跨地下水位。
开孔并钻进至第一个试段l1(试段长度3.8米)底高程62.5米处,将外径168毫米的第一层钢套管8打至垫层料底板以下高程66.3米，第一层钢套管8管脚与垫层料底板之间的距离d为30厘米(如图2b所示)；钻进过程中，一般采用无冲洗液钻进，局部地段钻进困难时可加入少量清水，未使用泥浆；
向钻孔内充水30分钟，使试段l1土体饱和；
对试段l1进行常(定)水头注水试验，保持孔内水位在第层一钢套管8管口并固定不变，记录稳定注入流量(单位为升/分)，采用现行标准规定的渗透系数公式计算出第一个试段l1土体渗透系数为5.8×10－6厘米/秒；
继续跟进外径168毫米的第层一钢套管8至试段l1底高程62.5米处，在第一层钢套管8的保护下钻进形成第二个试段l2(试段长度2.4米)，充水使试段l2土体饱和，对试段l2进行常(定)水头注水试验(如图2c所示)，计算得出第二个试段l2土体渗透系数为3.1×10－6厘米/秒。
步骤4中，继续跟进外径168毫米的第一层钢套管8至试段l2底高程60.1米处，即第一层钢套管8管脚与地下水位平齐，在第一钢套管8的保护下钻进形成地下水位以下的第一个试段l3(试段高程为60.1～55.1米、长度为5.0米)，对试段l3进行降水头注水试验(如图2d所示)，记录第一层钢套管8内水头下降与延续时间的变化情况，采用现行标准规定的渗透系数公式计算试段土体的渗透系数为1.7×10－6厘米/秒；
采用外径146毫米的第二层钢套管10，第二层钢套管10管脚下至试段l3底高程55.1米处，在第二层钢套管10的保护下钻进形成地下水位以下的第二个试段l4(试段高程为55.1～50.6米、长度为4.5米)，对试段l4进行降水头注水试验(如图2e所示)，计算得出试段l4土体渗透系数为5.8×10－6厘米/秒；重复以上跟管、钻进、注水等步骤(其中在高程47.6米以下的试段改用外径127毫米的第三层钢套管10进行护壁、止水)，依次完成地下水位以下所有试段的注水试验。
本实施例钻孔连续注水试验成果见表1。
表1实施例钻孔连续注水试验成果表
经验证，本实施例测得的渗透系数准确，与实际相符。
本发明提供的一项病险水库大坝土质防渗体钻孔连续注水试验方法，已先后在湖北省武汉市梅店水库、湖北省南漳县三道河水库、湖北省孝感市郑家河水库等多个病险水库除险加固工程勘察中成功应用。本发明方法弥补了相关现行行业技术标准的不足，连续注水试验方法更完善，土质防渗体的试验成果更全面，据此进行病险水库大坝土质防渗体防渗性能评价的结论更准确、可靠。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
其它未说明的部分均属于现有技术。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种口罩制造自动化质量检测装置及其检测方法