注水试验（共6篇）
注水试验 篇1
摘要：当前, 在软土地区岩土工程勘察中进行钻孔简易注水试验成井结构形式繁多, 测试结果偏差颇大。提出用静压方法将持有专利的滑管式装置压入岩土中形成专门注水井, 以简化现场操作、节省测试成本、提高测试效率、保证测试质量。通过现场对比试验证明效果良好。
关键词：钻孔简易注水试验,滑管式装置,静压法,渗透系数
0 引言
当前，在我国沿海平原岩土工程勘察中，普遍采用现场钻孔简易降水头注水试验方法确定土层的渗透性，以满足广泛的基坑设计和施工需要。即预钻孔后下套管并用干海带、泥球等隔水材料或设置隔水气囊等手段（设隔水材料/设施法）将试验段与非试验段隔开后进行试验；或在钻孔中将套管击入一定深度，使试验段与非试验段隔开，再用芯管将下部试验段掏空的套管隔水法。众多的成孔和止水方法受工艺、设备、劳务技术等因素限制，测试数据往往可靠性较低，测试精度较差。笔者所在单位就此研制了专门的孔内测试装置——滑管式注水试验装置，配合相应的成孔方法，以期操作简单，数据可靠。
1 静压滑管式注水试验装置及工作原理
使用该装置不必进行预钻孔，可用静探机或钻机静压方法，将注水管送达试验土层深度，同时助套管解决试验时隔水问题。
1.1 滑管式注水试验装置
该设备由5部分组成，包括锥形导头（外径Φ63.5mm）、密封圈、多孔注水管（外径Φ42mm）、滤网和注水管护管（外径Φ63.5mm），该套试验装置已申请专利[注]。详见图1。
其中渗水管长度为2m，外包滤网，其底部与锥形导头连接。非工作（下压）时，注水管置于护管内，其顶部设置止退肩。底部锥形导头设置6道密封圈。注水管护管上部用套管接头与上部套管连接。
1.2 试验井形成
试验井的形成可按以下4个步骤（图2）:
(1）采用外径Φ63.5mm套管与静压滑管式注水试验装置中的注水管护管连接，利用液压静力触探机下压套管。也可用有施压装置钻机借人力或油压压入。
(2）待锥形导头压入至拟进行试验土层试验段底部，停止下压。
(3）孔内注水至套管顶面后，提升套管2m，使注水管完全暴露，通过测绳检查确保注水管与套管分离。
(4）静置1.5h左右，待注水段扰动土体蠕变基本稳定后，开始注水试验。
1.3 装置工作特点
该方法因采用连续静压施工成井，使套管壁和非注水段土层紧密结合，保证良好的隔水效果。装置中包有滤网的注水管置于护管内，且护管底部紧抵锥形导头，使前者在下压过程中得到理想的保护，锥头前置密封装置可确保在下入过程中四周侧土和地下水不进入注水管内，也避免注水管堵塞。当锥形导头到达注水试验段底部时，用液压机上提套管2m，内侧注水管完全裸露，保证试验井完好。只需稳定1.5h即可进行注水试验。为测试质量提供了良好的保证。
该装置一次静压完成，操作简单，成孔技术难度低，无需成孔后再下套管、洗孔、设置隔水材料等繁琐步骤，施工速度快，大大提高外业施工效率，且绝大部分装置材料可重复使用，试验成本相应降低。
2 测试效果检验
2.1 对比试验
为了检验静压滑管式注水试验效果，邀请了上海市多家（综合）甲级勘察单位参加对比试验。参与的比较方法除用静压滑管式装置外，还有预钻孔后下套管加置干海带、粘土球等隔水材料或充气囊止水、击入套管隔水并用芯管水冲成井试验等多种方法。试验地点选择浦东新区某建筑场地和果园镇附近等二个场地。试验土层有al-mQ43 (2) 3层砂质粉土、mQ42流塑状态 (4) 层淤泥质粘土、al-m Q41软塑状态 (5) 1层粘土和可塑状态 (5) 3层粉质粘土。
为便于对比试验新装置的测试效果，还实施以下重点质量控制措施：
(1）组织各参与单位作业人员统一学习注水试验操作技术方法，重点强调保证测试井的止水质量。
(2）同一场地，各种试验方法都在同一深度试验段进行，各试验孔间距保持在20m左右，既避免相邻孔注水的影响，又避免孔距过大时土性的变化差异。
(3）降水头注水试验观测时间，至少至试验水头下降到初始水头的0.3倍以上，观测时间6～10h（上海规范规定总观测时间不应小于4h）[4]，连续观测20个点左右。
(4）采集现场测试土层相应深度、位置的原状土样同步进行室内土工试验，测定常规物理力学性质指标和渗透系数Kv、Kh。
(5）岩土工程师参与现场成井、测试全过程。
实际完成对比试验工作量及渗透系数K计算值见表1。
注：表中分子为测试次数，分母为渗透系数，单位（cm/s）。
2.2 试验资料整理分析
本次试验深度分别为7～9m深度的al-mQ43 (2) 3层砂质粉土层、14～16m深度的mQ42 (4) 层淤泥质粘土层、17～19m深度的al-mQ41 (5) 1层粘土层和32～34m深度 (5) 3层粉质粘土层，均为水平层状分布土层。按试验井结构特点（图2），均可视为非完整井中的降水头注水试验，对此情况有关规范规定中均有相同（相似）的试验成果整理方法和土层渗透系数K值的计算公式[1,2,3,5,6]。上海岩土工程勘察设计研究院有限公司编制了相应的计算机处理软件，将各测点测试有关参数输入获得“钻孔降水头注水试验成果表”和相应土层的渗透系数K值。图3为其中之一。各次测得土层渗透系数K值见表1。
综合比较各测试结果可见，同一层土采用不同方法测得的渗透系数K值基本接近，均在经验值范围内。唯有mQ42 (4) 层淤泥质黏土和al-mQ41 (5) 3层粉质粘土钻孔套管隔水法结果偏大，分析原因可能是该成井工艺过程中套管晃动导致隔水效果较差，注水试验过程中部分注入水沿套管外壁间隙渗失所致。本次对比试验操作比较规范，故试验结果比较理想，也证明采用静压滑管法的试验结果是可靠的，兼该法操作简单、成井速度快、基本上不受操作人员技术素质影响，且经济性高等特点，故在上海地区及地层结构相似的我国沿海平原软土分布地区，采用静压滑管法替代其它试验井成井方法进行降水头注水试验是可行的。
2.3 经济效益分析比较
静压滑管法成井进行注水试验其隔水效果理想、测试成本低。
静压滑管式注水试验装置每套单价约2000元，几乎均为钢质材料，可重复使用，而简捷的易于操作的成井结构装置大大减少现场施工成井劳务费用。若按测试孔深30m，粘土球止水法中注水管材料按一次性使用PVC管，其余试验方法按重复利用钢质套管折旧考虑，可得到不同成井方法注水试验成本差异（表2）。
从表2可以看出，相比多种传统试验方法，每个试验段可节约1585～2450元，采用静压滑管式注水试验装置每段成本约为传统注水试验的50%～60%。以上海市轨道交通12号线地铁为例，共有62个工点，约需进行600～700次注水试验，即可节约约120万元。这仅仅是直接的经济效益。
3 结论
(1）静压滑管法注水试验操作方便、止水效果理想、施工速度快、测试成本低，有利于改变当前劳务化后的现场勘察队伍良莠不齐导致试验结果失真的状况。在上海地区及沿海软土地区适宜推广使用。
(2）受试验装置材料及静压设备能力限制，静压滑管法降水头注水试验适宜的深度为软土中60m左右，当40m以下存在中密以上的砂土层时宜中止。
(3）该注水装置系由静压力压入土中，理论上存在挤土和形成泥皮等影响正常渗水问题，但在对比试验比较中似不明显，宜作进一步研究比较。
参考文献
[1]中华人民共和国水利行业标准水利水电工程注水试验规程SL345-2007[S]
[2]中华人民共和国行业标准注水试验规程YS5214-2000[S].
[3]上海市工程建设规范岩土工程勘察规范DGJ08-37-2002[S].
[4]上海市工程建设规范岩土工程勘察外业操作规程DG/T08-1001-2004[S].
[5]手册编写委员会工程地质手册[M]北京:中国建筑工业出版社2007.
[6]林宗元主编岩土工程试验监测手册[M]北京中国建筑工业出版社2005.
高压注水消突试验研究 篇2
1试验工作面概况
祁南煤矿32煤层位于上石盒子组下部,上距23煤层平均103 m,是矿井主采煤层之一。煤层厚0.66～4.54 m,平均厚2.38 m,属薄—中厚煤层,以中厚煤层为主。煤层结构复杂,属较稳定煤层。32煤层夹矸较多,夹矸主要为泥岩,32煤层原煤全硫含量明显高于其他煤层,含量在0.54%～3.82%,平均含量1.31%;含磷量均很低,属中等发热量煤。32煤层全部为气煤。顶板主要是泥岩,局部有粉砂岩、细砂岩;32煤层底板主要是泥岩,局部地带为粉砂岩、砂岩取代。顶板类型属于Ⅱ类。一水平瓦斯含量很低,0.40～4.49 mL/g,平均2.82 mL/g;二水平瓦斯含量一般不超过8 mL/g,在矿井东部的次级向、背斜附近瓦斯富集,含量>10 mL/g,该煤层具有爆炸危险性。
2方案设计
2.1钻孔布置参数
此试验主要是针对祁南煤矿3410掘进巷设计,采用风动注浆泵注水,沿掘进工作面布置,孔数3个,孔径42 mm。钻孔间距主要取决于注水钻孔的有效影响半径,根据祁南矿长期试验,注水有效影响半径为1.2 m,设计2# 和3#帮孔的间距为2.2 m。2#孔距离底板0.9 m,终孔位置落在巷道轮廓线以外3 m的位置,水平偏角约20°。仰角1° ～2°,利于打钻排粉。1#孔布置在中心位巷道中线位置,距离顶板0.9 m,孔深6 m。
从注水的效果考虑,注水孔深应达到或超过掘进工作面应力集中带,同时也要避免注水孔过深而导致注水时间过长。根据3410掘进面前方应力集中带分布规律和掘进要求,此次试验中选择的注水钻孔深度为7 m。其钻孔布置如图1所示。
2.2注水系统
注水系统由注水泵、压力水表、流量控制阀、高压胶管和封孔器组成。注水泵选用PBW200/3115型乳化液泵1 台,额定流量200 m3/min,额定压力6.5 MPa。注水泵放在运输巷内。选用ZF-A22型封孔器,内径22 mm,外径39 mm,适用孔径42～50 mm。高压软管干管为内径25 mm、承压18 MPa的软管,每根长10 m;支管为内径16 mm、承压26 MPa的软管,每根长10 m。在工作面内每2根干管之间用1个三通和截止阀连接,以方便连接注水支管。选用SGS型双功能高压水表,最大流量5.0 m3/h,最小流量0.1 m3/h。
2.3注水压力
注水应是一个区间变化参数,不能过高,也不能过低。过高会导致煤体在地应力和水压综合作用下迅速变形,形成突出;过低则不能压挤煤体,仅仅相当于低压注水湿润措施,短时间内起不到卸压防止瓦斯突出的作用。煤体起始开裂压力可由式(1)计算[2]:
pb=λσy+T0+p0+pc (1)
式中,pb为注水压力;λ为塑性校正系数;σy为垂直主应力;T0 为煤的抗拉强度;p0为孔隙压力,p0≈(1/3)pb;pc为管路压力损失,pc≈(1/10)pb。
式(1)可变为:pb≈(30/17)(λσy+T0)。祁南煤矿3410掘进面前方0.0～ 1.6 m 为卸压带,1.6～ 4.0 m为应力集中带,封孔深度为2 m,则封孔段垂直主应力:λH ≤σy≤2λH。根据测试结果[3],λ取 0. 28,T0 取0. 16 MPa,计算可得祁南煤矿水力压挤破裂煤体压力pb为5～6 MPa。
3试验结果分析
3.1注水前后卸压带和应力集中带测定与分析
(1)祁南矿3410掘进面未注水条件下卸压带及应力集中带宽度的测定。
为了测定祁南矿3410掘进面未注水条件下卸压带及应力集中带宽度,祁南矿专门制订了相应的安全措施。测定时,打1个深7 m的钻孔,打钻过程中测定每米钻屑量。测定结果:平均深度0.5,1.5,2.5,3.5,4.5,5.5,6.5 m时,钻屑量分别为10,16,25,16,17,11,12 kg/m。明显看出,3410掘进面前方煤体的卸压带在0～1.5 m,应力集中带在1.5～4.0 m,4.0 m以里则为原始应力带。即卸压带宽度为1.5 m,应力集中带宽度为2.5 m。
(2)祁南矿3410掘进面注水条件下卸压带及应力集中带宽度的测定。
注水完毕后在掘进面重新打1个深7 m的钻孔,在打钻过程中测定其每米的钻屑量。测定结果:平均深度0.5,1.5,2.5,3.5,4.5,5.5,6.5 m,钻屑量分别为10,12,16,25,18,16,12 kg/m。明显看出,3410掘进面实施注水措施后前方煤体的卸压带在0～2.5 m范围,应力集中带在2.5～5.0 m范围内,5.0 m以里则为原始应力带。即卸压带宽度为2.5 m,应力集中带宽度为2.5 m。
通过注水前后比较可以得知,3410掘进面处实施高压注水措施效果明显,其中卸压带宽度从1.5 m增加到2.5 m。这就说明通过高压注水,使得工作面前方煤体裂隙扩充,且应力集中带向煤体深处位移1 m,从而大大降低了工作面突出的危险性。
3.23410掘进面高压注水消突效果评价
为了评价3410掘进面高压注水的消突效果,在3410掘进面布置钻孔测瓦斯涌出初速度和钻屑量的同时每间隔2 m进行了K1值和Δh2的测定。其测定结果见表1。
从表1可以明显看出,3410工作面注水前第3 m和第5 m的Δh2值很大,都超过了该指标的临界值;而实施注水措施后,在注水孔影响范围内的检1孔(距注水孔1 m)第3 m和第5 m的Δh2值明显减小,降低率分别为40.0%和63.6%。说明该处煤体湿润后大大降低了瓦斯解吸量。检2孔(距注水孔2.5 m)第3 m和第5 m处Δh2值与注水孔接近,说明此孔不在注水孔有效影响范围内。从另一个指标K1也可以清楚地看出,注水前钻孔第5 m煤样自煤体暴露后第一分钟内的瓦斯解吸量最大达到0.36,而实施注水措施后在注水孔影响范围内的检1孔的K1值降为0.13,其降低率为63.8%。而检2孔的K1值和注水孔比较接近。由以上分析可知,影响处瓦斯释放压能破坏煤体的能力大大降低,从而消除或降低了工作面突出危险性。可见,煤层高压注水对掘进工作面消突作用非常明显。
3.33410掘进面注水除尘效果分析
煤层注水防尘的实质是用水预先湿润尚未采落的煤体,使其在开采过程中的产尘量大大降低。防尘作用主要表现在3个方面:①湿润煤体内的原生煤尘,水进入裂隙后,可将其中的原生煤尘在煤体破碎前预先湿润,使其失去飞扬的能力,从而有效地消除尘源;②有效地包裹煤体的每一个细小部分,在绝大多数的破碎面均有水的存在,从而消除了细粒煤尘的飞扬;③水的湿润作用使煤体塑性增强,脆性减弱。当煤炭受外力作用时,许多脆性破碎变为塑性形变,因而大量减少了煤炭被破碎为尘粒的可能性,从而降低了煤尘的产生量[3]。
此次粉尘质量浓度测定采用CCD1000-FB便携式微电脑粉尘仪,由专职测尘人员进行试验跟踪测定,测试结果见表2。从表2可以看出,注水后粉尘浓度明显下降,最高降尘率达74.36%,说明实施注水措施后工作面粉尘浓度大大降低,大大改善了工作面的环境。
4结论
(1)工作面前方煤体的应力集中带向煤体深处位移1 m,应力降低区宽度增加,使得工作面前方煤体裂隙扩充,从而大大降低了工作面突出危险性。
(2)实施注水措施后在注水孔影响范围内的1#孔第3 m和第5 m的Δh2值明显减小,降低率分别为40%和63.6%。
(3)实施注水措施,用水预先湿润尚未采落的煤体,使在开采过程中的产尘量大大降低,最高降尘率达74.36%,有效改善了掘进工作面的作业环境。
参考文献
[1]尚玮炜,赵辉.综放工作面煤层注水试验研究[J].煤炭技术2010(12):60-61.
[2]刘军.水力挤出消突措施合理注水压力研究[D].焦作:河南理工大学,2005.
注水试验 篇3
关键词：土石坝,注水试验,渗透系数,水力劈裂
0 引 言
病险土石坝工程地质勘察是大坝安全鉴定及除险加固设计主要工作之一, 其中坝体的渗透系数大小将直接关系到病险土石坝的安全性评价及除险加固方案的确定。
坝体渗透系数测定方法主要包括从钻孔中取不同深度的原状土样进行室内渗透试验和现场钻孔注水试验两种。由于人工填筑的坝体土与自然沉积土不同, 坝体土是无序的, 土质均匀性较差, 取样及制样难度大, 因此室内试验一般仅代表土体某一点 (取样长度为30 cm) 的渗透特性。钻孔注水试验是通过钻孔向坝体试验段 (段长一般为3～5 m) 注水, 获取土层渗透系数的原位试验方法, 注水试验测得的渗透系数值为整个渗流区较大范围内土体渗透系数的平均值。因此, 针对不均匀填筑的坝体进行钻孔注水试验是测定土层渗透系数的一种比较实用且有效的方法, 坝体原位注水试验成果反映了坝体实际情况应更具说服力。
《水利水电工程注水试验规程》[1] (SL345-2007) 于2008年正式实施。笔者认为, 该规程比较适合于对天然沉积地层的注水试验, 对于大坝这种应力分布特殊的建筑物及“地质体”, 应防止注水试验方法选取不当造成坝体局部水力劈裂而引起坝体破坏或透水性偏大假象。《土坝坝体灌浆技术规范》[2] (SD266-88) 明确指出, 土坝坝体勘探不宜采用注水试验方法, 根据土坝应力计算、水力劈裂理论及劈裂灌浆实践表明, 土坝坝体有些部位小主应力很小, 容易产生水力劈裂, 注水试验可使无隐患的坝体产生新的裂缝, 或使原来有隐患的坝体产生更大更多的裂缝。比较典型的实例为安徽花凉亭水库钻孔注水试验造成坝体水力劈裂而错误判断坝体心墙存在裂缝, 进而对大坝采取了一系列不必要的施工处理[3]。黄文熙曾指出, 国外部分学者在进行孔内注水时发现孔内水位达到某个高度时, 有突然失水现象, 说明黏土在压力下开裂了, 室内试验也证实了这一发现, 即观察到在增加水压力过程中流量有突变, 裂缝也随之发生和发展, 而在退压时又看到裂缝的闭合。因此, 黄文熙提出钻孔注水试验时要注意水力劈裂引起的试验成果的偏差[4]。笔者在病险水库勘察中也多次发现这种现象。
水力劈裂通常系指岩土体在高水压力下产生裂缝并发展的过程, 坝体注水是否发生水力劈裂以及劈裂发生机理目前仍然未知。本文通过对土石坝坝体钻孔注水试验过程中产生的水力劈裂现象进行了分析研究, 提出了注水试验过程防止和判断水力劈裂发生的方法, 旨在与同行交流探讨。
1 实例分析
《水利水电工程注水试验规程》建议注水试验时的水头选择控制水位至孔口, 主要考虑操作较孔内观测水位方便, 但并未考虑到试验的高水头对坝体产生水力劈裂的可能。
20世纪60、70年代, 水利工作者多利用坝体钻孔注水试验方法评价土坝心墙裂缝, 经常发现钻孔漏水量很大, 但进行探井检查时并未发现裂缝, 说明利用坝体钻孔注水试验方法检查心墙裂缝是不科学的[5]。以下以安徽花凉亭水库利用钻孔注水试验方法评价土坝心墙裂缝的教训为例对坝体水力劈裂现象进行分析[6], 同时结合笔者在浙江省内个别水库进行注水试验时发生水力劈裂的试验情况进行分析及探讨。
花凉亭水库是安徽省太湖县长江水系长河上的一座大 (一) 型水库, 坝体为黏土薄心墙砂壳坝, 最大坝高57 m。1966年在心墙埋设测压管时钻孔发现漏水, 然后钻检查孔21个, 其中19孔漏水, 并有两孔漏水互通, 一般漏水量大于70 L/min, 漏水高程在45～65.2 m。当时认为心墙内裂缝严重, 随即进行黏土灌浆。1971年施工7个钻孔进行注水试验检查, 其中4孔漏水量为56.0～86.6 L/min, 漏水高程为49.1～56.4 m, 据此进行了第2次黏土灌浆。两次灌浆共钻孔129个, 总吃浆量3 782 m3。
为查明漏水原因及灌浆效果, 在孔内进行了水下摄影及探井检查。结果表明, 心墙裂缝主要是纵向缝, 而且是张开缝, 方向基本沿坝轴线方向, 裂缝填满灌浆土料, 初步分析应是灌浆造成的劈裂裂缝。为证明分析的可靠性, 2003年委托南科院对坝体进行了有限元分析, 在此基础上又作了一次心墙钻孔注水试验。分析结果表明:①拱效应分析坝体的垂直应力始终小于坝体的自重应力, 上游砂壳下沉不会拉裂心墙;②裂缝与心墙中的小主应力面的方向基本相一致, 都是平行于坝轴线方向;③应力分析及钻孔分段注水试验得出同一结论即钻孔中的水压力使心墙产生了水力劈裂。
根据应力计算, 心墙中的小主应力σ3接近水平方向, 为压应力, 随深度加深而增大。理论认为如果钻孔水压力P>σ3-σt (其中σt为心墙极限抗拉强度, 试验结果σt=-30 kPa) , 心墙将会沿坝轴线方向劈裂, 出现纵向裂缝, 钻孔将会大量漏水。心墙钻孔分级注水试验结果表明, 当钻孔水位低于高程92 m时漏水量很小, 而且比较稳定, 当钻孔水位达到92～94 m高程时, 开始大量漏水。停止注水后, 孔内水位稳定在87.8 m。图1绘制了钻孔高程与小主应力σ3之间的对应关系。图中表明, 当孔内水位为92～94 m时, 在心墙高程47～70 m范围内孔内水压力P>σ3-σt, 因而心墙遭水力劈裂, 钻孔开始大量漏水, 当钻孔水位降至87.8 m时, 此时P≤σ3-σt, 裂缝又重新闭合, 因而钻孔水位保持稳定状态。
①高程87.7 m是孔内停止注水稳定后的水位;②高程92～94 m是孔内注水吃水量骤然变大时的水位范围。
笔者在一些病险土石坝勘察坝体钻孔注水试验过程中, 也经常会遇到当注水水头过高或水位接近孔口时, 漏水量有突然增大的现象。
某中型水库坝型为黏土心墙砂壳坝, 坝高约46 m, 心墙土料为黏土。该水库于2007年进行安全鉴定地质勘察, 在位于坝顶偏右岸的ZK12孔中进行注水试验时记录了如图2所示的水位变化情况。当时根据测压管实测浸润线拟合的孔内水位埋深为25 m左右。在心墙30.2～35 m段以15 L/min的稳定流量进行注水试验, 5 min左右水位不再上升, 水位深度暂时保持在2.6 m左右, 但不久水位即行下降至4 m左右稳定;调整注水流量到90 L/min后, 水位快速上升;当水位深度到1 m左右, 水位又开始快速下降, 考虑到大流量对坝体的影响未监测该流量下的稳定水位。在心墙34.8～39.8 m段以20 L/min的稳定流量进行注水试验, 6 min左右水位不再上升, 水位深度保持在4.73～4.9 m, 调整注水流量到90 L/min后, 水位基本保持在3.9 m稳定。
钻孔ZK12实际揭露心墙厚度51.1 m。试验过程表明, 在30.2～35 m段坝体土在高水头下存在明显水力劈裂现象。第1次水力劈裂时, 由于注水量较小, 水位缓慢上升, 水力劈裂强度较低;第2次水力劈裂时, 由于注水量大, 水头快速上升, 因而水力劈裂强度大, 突变明显。由于孔内浸润线水位为25 m, 故引起水力劈裂的临界水头值即为22.4 m左右。试验段34.8～39.8 m段未发生明显水力劈裂现象。
2 坝体水力劈裂原因分析
土石坝心墙的水力劈裂问题是一个非常重要且极其复杂的问题, 目前尚无很好的方法对劈裂的发生进行预测和计算模拟, 其发生条件并不十分清楚, 判定准则也是初步的[7]。以下仅从坝体的应力分布特征分析并探讨坝体注水试验可能引起的水力劈裂现象。
土坝坝体的应力分布[5]一般如图3所示。其中σ1=K1γh, σ2=K2γh, σ3=K3γh, K1为坝体内垂直向压力系数, K2为坝体内纵向侧压力系数, K3为坝体内横向侧压力系数。因为坝体不是无限体, 理论计算和实践都证明, 在坝体内的垂直压力σ1不等于土柱压力。在心墙内, 一般取K1=0.9, 而且一般情况下K1>K2>K3。从理论上讲, 坝头两端是刚结的, 故在σ2方向可视为无限长, 所以K2一般比较大, 可近似为地基的侧压力系数。在σ3方向为坝体横断面, 是一有限断面, 坝坡是可以自由位移的, 故在坝体中, 尤其是在坝轴线附近σ3比地基中的侧压力小得多。在坝轴线附近的对称轴上, 坝体的3个主应力互相正交, 而且σ1>σ2>σ3。所以在沿坝轴线进行坝体钻孔注水试验时, 水压力首先最容易劈开的是小主应力面, 即σ3的作用面, 形成沿坝轴线方向的纵向缝。横向缝相对出现比较少, 在比较陡的岸坡段和地基突起处的坝段, 或特别疏松的坝段容易出现横向劈裂缝。
σ1为大主应力, σ2为中主应力, σ3为小主应力
土坝坝体内部应力的大小和分布与天然地基应力显然有很大的差别, 但也有一般的规律性[5]。如图4所示的有关各种不同坝型沿轴线的内部应力和地基的比较 (H和h分别为坝高和坝体计算深度) , 可见坝体中沿轴线的主应力要比地基中的主应力小得多。坝体中的大主应力比值σ1/γh基本不随深度而变, 它比地基中的σ1/γh值约小5%～15%, 而坝体中的小主应力比值σ3/γh, 不但随深度有显著变化, 而且比地基中的σ3/γh要小得多。特别是心墙压缩性大于坝壳压缩性的薄心墙坝, 其轴线上的σ1、σ3比图中所示还要小。由于土坝心墙内应力分布的特点, 所以在沿坝轴线附近容易出现弱应力区, 可能引起水力劈裂而出现隐患。
为验算水力劈裂的可能性, 确定验证破坏标准, 建立如下平衡方程式[5]:
式中:γwhw为坝体内某点的孔隙水压力;σt为坝体土单轴抗拉强度 (一般取-20～-30 kPa) 。
从式 (1) 中看出, 当γwhw>σ3+|σt| 时, 土体将可能发生水力劈裂。坝体内小主应力σ3的横向侧压力系数K3的取值可参考图4 (c) , 从图中可以看出, 心墙或均质坝坝体各部位K3呈曲线分布, 在h/H=0.3～0.7之间, K3值较小 (K3 ≈ 0.2～0.3) , 其中h/H=0.5时最小 (K3 ≈ 0.2) 。说明现场坝体钻孔注水试验时当试验段在1/3～2/3倍坝高处, 如果注水水头过大, 则易造成坝体局部水力劈裂。如前所述花凉亭水库坝顶孔深在28.5～51.5 m (相应高程47～70 m, 对应0.5～0.9倍坝高) 段注水时发生水力劈裂;某水库坝顶孔深30.2～35 m (对应0.59～0.68倍坝高) 段注水时发生水力劈裂。
3 坝体注水试验成果分析
在病险土石坝工程地质勘察实践中, 应尽量避免坝体钻孔注水试验引起水力劈裂, 临界水头值的选择将至关重要。建议尽量选择较低的水头进行试验, 试验方法可参照抽水试验, 采用分级注水, 即选择3个不同水头, 可取3次试验结果的平均值作为最终试验值, 其中1/3～2/3倍坝高处应特别注意不能采用高水头、大流量。试验水头的选取可参照式 (1) 进行估算临界水头, 将临界水头值均分成3个相等的试验水头进行注水试验。如果3次试验结果出现较大差别, 应分析原因进行甄别, 从试段套管脚止水、坝体结构、原生裂缝或水力劈裂等方面进行综合分析。
表1为3座不同类型水库坝体钻孔常水头注水试验成果。可以看出, 采用常水头分级注水试验, 每级试验成果均有一定差别, 当某级渗透系数计算值与最小值之比 (K/Kmin) 达到5倍以上时应考虑有可能试段局部已产生水力劈裂, 造成试段渗透系数偏大假象。如某均质坝ZK14孔5～11 m段, 当水头从4.5→6.6→7.4 m, 注水流量从4→16→52 L/min, 即水头仅增加了2.9 m, 而注水流量增加了13倍, 很明显最后一级注水已产生水力劈裂。相同现象还发生在某心墙坝ZK4孔15～21.2 m和ZK12孔20～25 m、25.3～29.8 m、30.2～35 m、34.8～44.6 m以及某类均质坝ZK3孔12.43～18 m段, 试验过程均表明已产生水力劈裂。需要说明的是ZK4孔15～21.2 m段, 注水试验采用了从高水头向低水头变化, 当注水流量为47 L/min时, 水力劈裂发生, 坝体裂缝局部扩展, 当水头下降后, 裂缝慢慢闭合, 渗透系数变小, 当第4级采用与第2级相同水头时, 渗透系数明显变小, 说明劈裂裂缝有自愈功能。ZK12孔34.8～44.6 m段试验时, 第2级注水时流量从相对稳定的42.5 L/min突然增大到52.2 L/min以上, 说明部分水力劈裂是瞬间发生的。当土层渗透系数小于1.0×10-5cm/s时, 土层为微透水性, 分级注水时K/Kmin的值有可能大于5倍, 如ZK4孔29.7～34.2 m段, 可能由于流量的读数误差, 实际土层并未发生水力劈裂。从表1也可以看出, 当发生水力劈裂后, 土层的计算渗透系数值一般都大于1.0×10-4cm/s, 呈中等透水性。
大坝防渗体为低渗透性时, 在高水头下的水力劈裂发生的风险相对要大, 主要由于心墙材料的低透水性与心墙裂缝或缺陷的高透水性使得“水楔”作用易形成, 而“水楔”作用正是心墙发生水力劈裂的力学原因所在[7]。
4 结语及建议
目前的理论及实践均证明, 坝体的应力分布中小主应力σ3不足是引起坝体心墙水力劈裂的主要原因。在1/3～2/3倍坝高处, 小主应力和土的抗拉强度之和往往不能抵抗过高的水头压力而引起水力劈裂, 如果坝体不均匀变形使局部土区小主应力逐步减小而出现大面积弱应力区, 则这种水力劈裂破坏随时都可能发生, 弱应力破坏往往通过水力劈裂的形式而加剧。在病险土石坝工程地质勘察实践中, 应尽量避免坝体钻孔注水试验引起水力劈裂, 试验应尽量控制水头上升速度, 并实时监测水头与流量的变化, 选择较低的水头进行试验, 并采用分级注水, 在判断试验结果未发生水力劈裂的情况下, 取合理的试验结果的平均值作为最终试验值。
参考文献
[1]SL345-2007, 水利水电工程注水试验规程[S].
[2]SD266-88, 土坝坝体灌浆技术规范[S].
[3]王天星, 张启富.花凉亭水库大坝心墙裂缝及灌浆处理分析评价[J].安徽水利科技, 2005, (1) :42-44.
[4]黄文熙.土的工程性质[M].北京:水利电力出版社, 1983.
[5]白永年, 吴士宁, 王洪恩, 等.土石坝加固[M].北京:水利电力出版社, 1992.
[6]刘杰.土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训[M].北京:中国水利水电出版社, 2006.
注水试验 篇4
关键词：埕海油田,注水井,增注
埕海油田油藏埋深2600~3200米, 以薄互储层为主, 单油层厚度一般3~5米, 为中低孔、低渗-特低渗储层 (孔隙度8~18%、渗透率0.3~50×10-3μm2) , 渗透率小于50×10-3μm2储量占开发动用储量的30%以上。储层敏感性以水敏损害为主, 其次为碱敏损害和酸敏损害。目前共有注水井37口, 欠注井5口, 日欠注水量280m3, 主要分布在张海5、张参1和张29x1区块。
1欠注原因分析
埕海油田属低渗-特低透油藏储层, 非均质性强, 层间矛盾突出, 注水水质不稳定易结垢, 是欠注的主要原因。
1.1储层低渗水敏感性强
埕海油田储层变异系数0.82~1.33, 突进系数3.15~6.58, 渗透率极差92~225之间, 属于强非均质性储层。埕海油田沙河街组沙二段孔隙度分布在15%~25%, 渗透率1~50×10-3μm2, 属于中孔低渗储层, 沙三段孔隙度在5%~28%, 渗透率在0.3~50×10-3μm2, 属于中孔、低渗-特低渗储层。地层低渗导致注水压力高, 注水过程中由于水敏矿物的存在, 导致注水压力不断上升。
1.2注入水水质不达标
埕海油田注入水水质要求注入水中悬浮固体含量≤5mg/L, 粒径中值≤3μm;但实际注入水中悬浮固体含量为23.47 mg/L, 粒径中值3.599μm, 远远高于注入水水质要求, 在注水过程中造成近井地带堵塞。
1.3无机垢堵塞地层
1.3.1腐蚀结垢造成地层堵塞
埕海油田注入水和地层水的腐蚀速率分别是0.2946mm/a和0.3548mm/a, 造成井筒及近井地带的腐蚀结垢;
1.3.2碳酸盐垢造成地层堵塞
埕海油田注入水中性偏碱, 水中含有钙镁离子和碳酸氢根离子, 在井筒和地层中会生成碳酸盐垢堵塞。
2 降压增注技术
2.1 低伤害多氢缓速酸
多氢酸是一种有机膦酸盐与氟化氢铵的混合物, 是一种基质处理缓速酸, 具有缓速酸性能, 其螯合、吸附作用实现对敏感性储层的保护, 同时还能有效抑制储层粘土矿物的膨胀, 适用于敏感性储层注水井降压增注, 提高近井地带渗流能力。
2.2 分子膜增注
分子膜降压增注技术的机理是分子膜增注剂与带有负电荷的岩石表面发生静电吸附, 在岩石孔道壁面形成一层纳米级的分子沉积膜, 迫使原来吸附在孔道壁面的水膜变薄、脱落。岩石的润湿性由原来的强水湿变成中间湿或弱水湿, 扩大了孔道半径, 降低了水的界面张力, 提高了水相渗透率, 从而提高了储层吸水能力, 达到改善注水开发效果的目的。由于分子膜的存在, 后续注入水不能与孔道壁面接触, 能够阻止黏土颗粒的膨胀和运移, 确保增注措施的效果及有效期。
3 现场试验应用效果分析
埕海油田共试验应用降压增注技术2口井, 其中应用分子膜增注技术1口井, 应用低伤害多氢缓速酸+分子膜增注技术复合增注技术1口井。
张海26-26井试验应用了分子膜增注技术, 该井2014年5月21日现场施工, 正挤预处理液10m3, 正挤分子膜增注液120m3, 在整个施工过程中压力和流量基本保持稳定, 施工压力30MPa, 排量15m3/h。实施后在压力和配注量保持不变的情况下, 注水量由26 m3/d上升至32m3/d, 提高了23.1%;一个月后配注调整到40m3/d, 压力基本保持不变, 满足了配注需求。
张海13-22L井试验应用了分子膜增注技术和低伤害多氢缓速酸, 该井2014年6月2日现场施工, 先注入预处理液和低伤害多氢缓速酸25m3, 注至10m3时压力开始降低, 在注入浓度为8%的分子膜增注剂130m3。实施后该井的启动压力由15.3降至11.28MPa, 吸水指数由12.5降至11.63m3/d.MPa, 在日注水量保持不变的条件下, 注水压力由21.8MPa降低到7MPa。一个月后将配注量由20方调至40方, 注水油压稳定在21MPa。
4 结语
4.1 埕海油田注入水质较差, 低渗、注水结垢是造成注水压力上升的主要原因。
4.2 分子膜增注剂对埕海油田具有较好的适应性, 现场试验的2口井, 均取得了较好的增注效果。
(1) 张海26-26井现场施工后初期注水量增加23.1%, 一个月后提高配注量, 在注水压力不变的情况下, 完成了地质日配注量40m3/d的配注要求, 分子膜增注效果明显。
注水试验 篇5
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验设在香泉镇香泉村一农户的水川地中, 土壤类型为黑麻垆土, 试验地海拔2 100 m, 年平均降雨量400 mm, 年平均气温6.3℃, ≥10℃有效积温2 239.1℃, 耕层土壤 (0~20 cm) 含有机质12.666 g/kg、速效氮136 mg/kg、速效磷12.84 mg/kg、速效钾413 mg/kg, 试验地前茬为马铃薯, 肥力中等, 地力均匀, 结合深耕整地施农家肥 (鸡粪) 4 500kg/hm2、杀虫钾450 kg/hm2、撒可富1 125 kg/hm2, 种植密度5.25万株/hm[1,2]。
1.2 试验材料
供试作物为马铃薯, 品种为新大坪。地膜采用普通聚乙烯黑色地膜, 厚度为0.008 mm, 兰州宏达公司生产。
1.3 试验设计
试验共设6个处理, 分别为:全膜垄作侧播马铃薯苗期 (6月下旬) 注水1次 (A) ;全膜垄作侧播马铃薯开花前 (7月上旬) 注水1次 (B) ;全膜垄作侧播马铃薯开花期 (7月中下旬) 注水1次 (C) ;全膜垄作侧播马铃薯盛花期至薯块膨大期 (8月上旬) 注水1次 (D) ;露地栽培不注水 (CK1) ;全膜垄作侧播不注水 (CK2) ;3次重复, 随机区组设计。小区面积为30 m2 (5 m×6 m) 。马铃薯一次注水量0.4~0.5 kg/株。
2 结果与分析
2.1 不同处理对马铃薯产量的影响
从表1可以看出, 各处理以处理D的产量最高, 商品率也最高, 分别为35 955.6 kg/hm2和68.3%, 其次是处理C, 产量和商品率为34 311.1 kg/hm2、65.7%, 第3位是处理B, 产量和商品率为33 044.4 kg/hm2、60.2%, 以CK1 (露地) 产量和商品率最低, 为28 755.6 kg/hm2、47.6%。说明不同注水时期都有不同的增产效应, 其主要原因是处理D在马铃薯盛花期至薯块膨大期 (8月上旬) 注水1次, 此时期是马铃薯决定块茎体积和重量的关键时期, 需水量最多, 对土壤缺水水最最敏敏感感[3,4]。
从表2可以看出, 各处理间F=404.48>F0.01=5.64, 达到极显著水平, 说明各处理间以全膜垄作侧播马铃薯盛花期至薯块膨大期 (8月上旬) 为最适宜注水时期。对照处理与其他各处理比较差异均极显著。
2.2 不同处理对经济效益的影响
从表3可以看出, 各处理比CK1和CK2有增产效果, 处理D比CK1增产7 200.0 kg/hm2, 增幅25.04%, 比CK2增产5 066.7 kg/hm2, 增幅16.40%。另外, 净增产收益在处理A时亏缺326.72元/hm2, 在处理B、C、D时分别增加收入1 948.80、3 975.52、6 606.72/hm2, 说明在马铃薯盛花期至薯块膨大期 (8月上旬) 注水1次, 对马铃薯产量形成影响较大, 增收效益最为明显[5,6]。
3 结论
试验结果表明, 各处理以在马铃薯盛花期至薯块膨大期 (8月上旬) 注水1次产量最高, 商品率也最高, 分别为35 955.6kg/hm2和68.3%, 比露地栽培不注水处理增产7 200.0 kg/hm2, 增幅25.04%, 比全膜垄作侧播不注水增产5 066.7 kg/hm2, 增幅16.40%。在马铃薯盛花期至薯块膨大期 (8月上旬) 注水1次, 对马铃薯产量形成影响较大, 增收效益最为明显, 净增加收益6 606.72元/hm2。
摘要：通过马铃薯最佳注水补灌时期试验, 探索注水对马铃薯生长发育及其产量的影响程度, 从而掌握最佳注水时期, 结果表明:在马铃薯盛花期至薯块膨大期 (8月上旬) 注水1次, 对马铃薯产量影响较大, 增收效益最显著。
关键词：马铃薯,注水补灌时期,甘肃定西,安定区
参考文献
[1]江俊燕, 汪有科.不同灌水量和灌水周期对滴灌马铃薯生长及产量的影响[J].干旱地区农业研究, 2008, 26 (2) :121-125.
[2]秦舒浩, 张俊莲, 王蒂, 等.陇中半干旱区马铃薯集雨限灌效应研究[J].作物学报, 2011, 37 (1) :138-145.
[3]李国荣, 朱晓红, 刘景秀, 等.灌水量和灌水时期对小麦子粒产量和品质影响研究进展[J].中国农技推广, 2009, 25 (11) :39-41.
[4]姚宇卿, 王育红, 吕军杰, 等.不同灌水与施肥时期对洛旱2号产量及效益的影响[J].耕作与栽培, 2005 (2) :11.
[5]黄彩霞.灌溉对加工型马铃薯生理生态指标及产量的影响[D].兰州:甘肃农业大学, 2008.
注水试验 篇6
1 材料与方法
1.1 试验概况
试验设在香泉镇香泉村一农户的水川地中, 土壤类型为黑麻垆土, 试验地海拔2 100 m, 年平均降雨量400 mm, 年平均气温6.3℃, ≥10℃有效积温2 239.1℃, 耕层土壤 (0~20 cm) 含有机质12.666 g/kg、速效氮136 mg/kg、速效磷12.84mg/kg、速效钾413 mg/kg, 试验地前茬为马铃薯, 土壤肥力中等, 地力均匀, 结合深耕整地施农家肥 (鸡粪) 4.5 t/hm2、杀虫钾450 kg/hm2、撒可富1 125 kg/hm2, 种植密度5.25万株/hm2。供试马铃薯品种为新大坪。地膜采用普通聚乙烯黑色地膜, 厚度0.008 mm, 兰州宏达公司生产。
1.2 试验设计
本试验采用单因子随机区组设计, 共设6个处理, 分别为:全膜垄作侧播注水1次 (于7月上中旬马铃薯开花前) (A) ;全膜垄作侧播注水2次 (于7月上旬马铃薯开花前第1次、7月下旬马铃薯开花期第2次) (B) ;全膜垄作侧播注水3次 (于6月下旬马铃薯苗期第1次、7月上旬马铃薯开花前第2次、7月下旬马铃薯开花期第3次) (C) ;全膜垄作侧播注水4次 (于6月下旬马铃薯苗期第1次、7月上旬马铃薯开花前第2次、7月下旬马铃薯开花期第3次、8月上旬马铃薯盛花期至薯块膨大期第4次) (D) ;露地栽培不注水 (CK1) ;全膜垄作侧播不注水 (CK2) 。3次重复, 随机区组设计。小区面积为30 m2 (5 m×6 m) 。马铃薯一次注水量为0.4~0.5 kg/株。
1.3 数据分析
试验数据采用SPSS分析软件进行统计分析, 在F0.01和F0.05水平上统计比较各处理差异显著性。
2 结果与分析
2.1 不同处理对马铃薯产量的影响
从表1可以看出, 各处理以处理D产量最高, 商品率也最高, 分别为36 766.7 kg/hm2和76.4%, 其次是处理C, 产量和商品率分别为36 133.3 kg/hm2和71.6%, 第3位是处理B, 产量和商品率分别为33 177.8 kg/hm2和62.4%, 以CK1 (露地) 产量和商品率最低, 分别为29 488.9 kg/hm2和48.3%。说明不同注水次数都有不同的增产效应, 且随着注水次数的增加, 马铃薯产量在增加, 商品率也在增加。
注:同列不同小、大写字母分别表示0.05、0.01水平上差异显著。
2.2 不同处理的增产效果
从表2可以看出, 各处理比CK1和CK2有增产效果, 随着注水次数的增加, 增产效果越显著, 处理D比CK1增产7 277.8 kg/hm2, 增产率24.68%, 比CK2增产5 022.3 kg/hm2, 增产率15.82%。另外, 净增产收益在注水1次和注水2次时亏缺300.00元/hm2和849.90元/hm2, 在注水3次和注水4次时增加收入2 083.35元/hm2和1 533.45元/hm2。
2.3 不同处理产量方差分析和多重比较
从表3可以看出, 各处理间F=194.44>F0.01=5.64, 达到极显著水平, 说明各处理间以注水4次处理为最适宜注水方式。从表1可以看出, 对照处理与其他各处理均达到极显著差异水平。
3 结论与讨论
试验结果表明, 不同注水次数都有不同的增产效应, 随着注水次数增加, 马铃薯产量随之增加, 商品率也在增加。主要随着注水次数的增加, 土壤能经常保持湿润, 有利于马铃薯块茎的膨大。净增产收益在注水1次和注水2次时亏缺, 主要因为注水1次处理选择在7月上中旬马铃薯开花前, 注水2次处理选择在7月上旬马铃薯开花前第1次、7月下旬马铃薯开花期第2次, 其注水时间并不是马铃薯生育期的关键缺水期, 对马铃薯产量的形成影响不大, 故增产效应相对不显著, 造成增产不增收。各处理间达到极显著水平, 对照处理与其他各处理均为极显著差异。探索出各处理间以注水4次处理为最适宜注水方式, 为大田推广提供了依据[6]。
注:马铃薯的单价为1.5元/kg。
参考文献
[1]刘广才, 李福, 张静, 等.注水补灌技术的抗旱增产效果[J].农业科技与信息, 2012 (3) :5-7.
[2]李福, 刘广才, 陈广仁.甘肃省抗旱注水补灌技术应用效果及发展建议[J].中国农技推广, 2012, 28 (6) :37-38.
[3]江俊燕, 汪有科.不同灌水量和灌水周期对滴灌马铃薯生长及产量的影响[J].干旱地区农业研究, 2008, 26 (2) :121-125.
[4]周娜娜, 张学军, 秦亚兵, 等.不同滴灌量和施氮量对马铃薯产量和品质的影响[J].土壤肥料, 2005 (6) :11-12.
[5]黄彩霞, 施坰林.不同灌水量对加工型马铃薯产量及生态生理指标的影响[J].灌溉排水学报, 2008, 27 (5) :97-99.