在传统的水利水电、交通、能源以及矿山等工程的勘测阶段，为了获得工程防渗设计所必要的参数，需要在现场进行压水试验或抽水试验，以反映区内一定范围地质体的渗透特性。常规的压水试验，通常采取最高压力为1.0MPa的3 级5 个循环的方式进行，其成果可以满足一般的地质工程的设计要求，但不能满足一些特殊的地质工程（如抽水蓄能电站等）的设计要求。

图9.3.12　施工期2 号输水系统下平段高压固结灌浆特征值柱状图

图9.3.13　施工期6 号支洞灌浆特征值柱状图

目前，国内外对于诸如抽水蓄能电站一类特殊工程关键部位（如输水系统）围岩体渗透特性的研究，大多采用现场高压渗透试验（High Pressure Permeability Test，简称HPPT）或水压劈裂试验来进行。由于此类试验是在高压水头作用下进行的，故不同于常规的压水试验。HPPT试验首先是由法国EDF公司于1968年提出，并于同年在Chute des bois 工程中得到了成功的应用，并得到了很快地推广。在国内，此项原位试验也在多个工程中得到了成功的应用，如本文实例以及板桥峪工程等。

图9.3.14　运行期6 号支洞孔序Ⅰ灌浆特征值柱状图

图9.3.15　运行期6 号支洞孔序Ⅱ灌浆特征值柱状图

就HPPT方法本身而言，大致可分为两类：一种如法国EDF 公司开展的；另一种如美国Harza公司进行的。前一种方法是在所选的一定区域内沿一定方向钻2个平行的试验孔，对其中之一的主动孔充以高压水，与此同时观测主动孔周围的岩体在一定压力和循环荷载作用下的渗水量，并从另一被动孔同步观测渗水量的变化。后一种方法则根据具体的地质条件，施钻一定长度的试验孔（主动孔）和观测孔（被动孔），一般试验孔的长度大于观测孔，在试验孔所取岩芯选择结构面所在处，充以高压水，并同步观测主动孔渗水量的变化和被动孔位不同深处的渗压值，此由相应部位埋设的渗压计反映。本章实例采用后一种HPPT方法。

需要指出的是，到目前为止国内外对岩体的HPPT试验要求，尚未形成一个统一的技术规范，而是根据工程的具体条件确定试验内容及方法。

9.3.3.1　试验方法概述

该项试验包括3 个试验孔、2个渗压孔和1 个观测孔组成，位于HPPT试验支洞内，其平面位置见图9.3.16。该试验支洞位于PD15 探洞0＋464m处，长达180m，与PD15 探洞近正交。

图9.3.16　HPPT孔位平面布置图

3 个试验孔孔径均为φ110mm，但孔深在68～85m之间不等。其中，1 号与3 号试验孔倾向上游30°，4号试验孔则倾向下游30°。2 个渗压观测孔，孔深均为50m，均倾向上游30°；但孔径不等，在φ76～φ70mm之间。渗压1 号和渗压2号孔离1 号试验孔的距离分别为5m 和10m，孔口高程约为278m，与下伏钢筋混凝土岔管之间高差约为53m。

2个渗压孔中共埋设了5 只渗压计。其埋设位置如下：10111 号和10114号渗压计埋设在渗压1 号孔的21m 深处，10113 号在渗压1 号孔的41m 处，10116 号在渗压2号孔的18m处，10112 号在渗压2号孔的38.5m处。

该试验先后在3 号、1 号、4号试验孔内分段进行。对于1 号和3 号试验孔，每钻进一段，随即进行该段的试验，钻孔与加压渗透试验交替进行。对于4号试验孔一次钻进至终孔，再分段进行加压渗透试验。加压方式有3 种：第一种为快速法，即水压力分级施加，每级压力维持约5min；第二种为中速法，除最高压力级中有数个循环的持续时间较长外，其余的均约为30min，并且根据渗水量的大小，进行单循环或多循环加压试验；第三种为慢速法，即除第1、第4次循环的最高压力维持24h外，其余各级压力维持2～6h。在上述各种方式的加压渗透试验过程中，定时记录水压力和渗水量；对于1 号试验孔，在试验过程中还记录相邻渗压孔内空隙水压力值及被动孔的渗水情况。

对1 号试验孔，共进行了5 个试段岩体的HPPT试验，具体部位分别为20～50m，34.6～50m，41～50m，64～85m和75～85m段。据统计，对20～50m试验段进行了1 次快速试验；对34.6～50m试验段进行了2 次快速试验；对41～50m试验段先后进行了3 次快速试验，然后进行了1 次中速试验；对64～85m试验段进行了2 次快速试验；对75～85m试验段进行了1 次快速试验，后进行了1 次中速多循环试验。

对3 号试验孔，进行了2 个试段岩体的HPPT 试验，具体部位分别为20～50m和50～75m段。其中，对20～50m试验段先后进行了中速、快速、中速和慢速法试验；对50～75m试验段先后进行了快速、中速和慢速法试验。

对4号试验孔，进行了3 个试段岩体的HPPT 试验，具体部位分别为28～68m，57～68m和27～57m段。其中，对28～68m试验段岩体先进行了1 次快速试验；后在57～68m试验段进行了1 次快速法、2 次中速法试验和1次稳定渗水量试验；之后在27～57m试验段进行了1 次快速法试验、1 次中速多循环试验。

在试验过程中，首先向孔内测试段施加较小的压力P，在得到流量的稳定值后，再使压力升高至（P＋ΔP），并重复上一过程。以此类推，可得到一系列稳定压力下的稳定流量值。

9.3.3.2　试验成果分析

9.3.3.2.1　关于P—Q关系曲线

根据实测资料，可以把不同试验段的P—Q关系曲线分为如下两种。

1.存在明显临界压力

由图9.3.17～图9.3.23 所示的P—Q关系曲线，认为相应试验段岩体确实存在临界渗透压力，这里以临界压力称之。根据此类型的P—Q关系曲线，认为至少可分为两个阶段。在前一阶段，压力与流量之间呈线性关系，表明渗透流速主要受控于水头压力并遵循达西定律；在后一阶段，随着压力逐步增大至某一临界值之后，流量与压力之间不是呈比例增大而是突然增大。显然，在由上述P—Q关系曲线所示的前一阶段，由于施加的水压力小于临界压力，此类试验段岩体裂隙多呈闭合状或相对闭合状，以致流量比较小且其增量也不大；而在后一阶段，由于施加的水压力已大于临界压力，此类试验段岩体裂隙由原来的闭合状或相对闭合状转变为张开状，流量的增量十分明显。

图9.3.17　1 号孔20.0～50.0m测试段之P—Q关系曲线（快速试验）

图9.3.18　1 号孔34.6～50.0m测试段之P—Q关系曲线（快速试验）

图9.3.19　1 号孔41.0～50.0m测试段之P—Q关系曲线（快速试验）

图9.3.20　3 号孔20.0～50.0m测试段之P—Q关系曲线（中速试验）

图9.3.21　3 号孔50.0～75.0m测试段之P—Q关系曲线（快速试验）

图9.3.22　4号孔28～68m测试段之P—Q关系曲线（快速试验）

进一步分析图9.3.17～图9.3.23 所示的P—Q关系曲线，可以得出：不同试验孔位、不同试验段岩体具有不同的临界压力值。如3 号孔在50.0～75.0m测试段，（P—Q关系曲线见图9.3.21），压力从1MPa开始，当P＝1MPa时岩体不透水即Q＝0L/min；随着压力增大，流量也逐渐增大，当P＝8.8MPa时，流量Q＝0.62L/min，之后流量突然增大。显然，其临界压力为P＝8.8MPa。基于同理，可以判定1 号试验孔在20.0～50.0m测试段，其临界压力为P＝6.4MPa，其P—Q关系曲线见图9.3.17，余相似。这样，根据此类型的P—Q关系曲线，可以确定相应试验段的临界压力值，见表9.3.5。

图9.3.23　4号孔27.0～57.0m测试段之P—Q关系曲线（快速试验）

表9.3.5　HPPT部分试验段临界压力值统计

由表9.3.5 可知，具有上述物理意义的临界压力值在不同试验段之间还是存在差异的。究其原因在于：临界压力值与众多因素有关，如岩性、结构面特征以及环境地应力等。显然，若试验段岩性好、结构面不发育、环境地应力高，其导致渗流失稳的临界压力一般就比较高；反之，其临界压力值就比较低。

值得注意的是，表9.3.5 中部分试验段的临界压力值低于电站投入运行以后的工作水头（680m），以致前者与后者之比小于1。(www.daowen.com)

对于此类裂隙闭合或裂隙充填密实的岩体，裂隙被高压水劈开前，其渗水量与压力间成良好的线性关系，可用下式来描述：

式中：P0 为渗水量为零时的水压力；B 为与岩体渗透性、试验段长度有关的系数。

但是，当水压力将裂隙劈开后，渗水量就不再随压力成比例增大，而是急剧增大，反映由于裂隙开度的变化导致渗流的非稳定性。

2.不存在明显临界压力

图9.3.24～图9.3.26 为此类型的试验段P—Q关系曲线，显示不存在明显的临界压力，即不存在渗水量随压力增大而发生突变的现象。但是，相同压力下的渗水量显著大于上述第一种情形（存在明显临界压力）。可用下式

图9.3.24　1 号孔深64.0～85.0m测试段之P—Q关系曲线（快速试验）

图9.3.25　1 号孔深74.7～85.0m测试段之P—Q关系曲线（快速试验）

图9.3.26　4号孔深57.0～68.0m测试段之P—Q关系曲线（中速试验）

来拟合P—Q关系。如4号孔深57.0～68.0m测试段，其P—Q关系曲线的拟合见图9.3.27，相应的拟合公式

图9.3.27　4号孔深57.0～68.0m测试段之P—Q关系曲线的拟合（中速试验）

事实上，在4号试验孔的钻进过程中，就发现孔深57～68m段岩体冒水，且在试验加压前出现地下水回流，反映该试验段岩体在天然条件下就存在具有一定张开度的裂隙或渗水通道，以致高压水作用下该试验段的渗水量显著大于该孔57m深度以上孔段的岩体，渗水量中的绝大部分通过原有的过水通道。在一定水压力范围内，由于周围岩体的地应力高于水压力，尽管过水通道的宽度随水压力增大而有所增大，渗水量也随之增大，但因岩体仍处于弹性阶段，而不至于出现渗水量突变的现象。

9.3.3.2.2　关于岩体的渗流动态

根据实测资料，区内岩体在一定高水压力作用下的渗流动态可分为如下2种情形。

1.渗流量随时间而增大

显然，这种渗流动态具有非稳定性。究其原因在于：由于实际施加的水压力大于试验段岩体所能承受的临界水压力，以致岩体裂隙的开度出现变化，即趋于增大；而在其持续作用下，裂隙的开度可能没有进一步变化，但由于裂隙中的充填物受到了高压水的物理作用，以致其中的部分充填物（一般多以未经胶结的细小颗粒为主）被带走，从而导致流量的非稳定性即随时间趋于增大，见图9.3.28。与该图中Q—t 曲线相关的水压力为8.98MPa。

2.渗流量随时间而相对稳定

图9.3.28　3 号孔深50.0～75.0m测试段流量过程线（慢速试验）

显然，这种渗流动态具有相对稳定性。究其原因在于：由于实际施加的水压力尽管比较高，但仍未超过试验段岩体所能承受的临界水压力，以致岩体裂隙的开度没有发生明显的变化。显然，此类裂隙在天然状态下就具有一定的开度，故具有一定的导水性能；当所受到的水压力不太高时，其渗流性态保持了相对的稳定，见图9.3.29。与该图中Q—t 曲线相关的水压力为8.38MPa。

图9.3.29　3 号孔深50.0～75.0m测试段流量过程线（慢速试验）

需要指出的是，由于长期压力（包括高水头等）作用下岩体具有的蠕变性能，当作用于相应部位的岩体的水压力接近其临界值时，就可能出现渗透失稳现象即流量随时间而增大的现象。显然，高水头作用的时间越长，导致渗透失稳的水压力值会逐渐趋于减小。

把图9.3.29 同图9.3.28相比较可以得出：裂隙岩体的渗透稳定性在其临界压力值上、下波动区间，其动态具有很大的差异。即在低于其临界值时，其流量不仅比较小、且其动态保持了相对的稳定；而在大于其临界值时，其流量不仅比较大、且其动态具有明显的非稳定性。

9.3.3.2.3　关于岩体的水力坡降

高水头作用下岩体的水力坡降包括允许水力坡降和极限水力坡降，这是反映围岩渗透稳定性的两个重要的参数。限于实测资料，这里主要探讨在对1 号试验孔进行HPPT试验的同时，与之相邻的渗压孔（1 号和2号孔）中不同深处渗压的变化，据此计算相应部位岩体的水力坡降。

首先，定性分析在对上述1 号试验孔进行HPPT试验的同时，相邻部位渗压计测值的变化。图9.3.30～图9.3.32 为渗压计10111 号、10112 号、10113 号及10116 号部位对于1 号试验孔（主动孔）不同深处岩体进行HPPT试验的渗压响应曲线。其中，渗压计10111 号和10113 号分别位于1 号渗压孔的21m、41m深处；而渗压计10112 号和10116 号则分别位于2 号渗压孔的38.5m、18m深处。1 号及2号渗压孔距离1 号试验孔分别为5m和10m。

图9.3.30　2 个渗压计对1 号孔深34.6～50.0m段HPPT之响应曲线（快速试验）

图9.3.31　2 个渗压计对1 号孔深41.0～50.0m段HPPT之响应曲线（快速试验）

根据图9.3.30～图9.3.32并结合具体的实测资料，可以得到：

1）布置于渗压孔（被动孔）中的不同渗压计部位对施加给试验孔（主动孔）不同试验段岩体的水压力均具有一定的渗压响应特征。即伴随着主动孔位水压力上升，被动孔位渗透压力增大；而主动孔位水压力下降，被动孔位渗透压力就减小。

图9.3.32　多个渗压计对1 号孔深41.0～50.0m段HPPT之响应曲线（中速试验）

2）不同渗压计部位对来自主动孔的水压力的渗压响应程度之间是有差异的。图9.3.31 中，当主动孔水压力由2.4MPa上升至7.6MPa（历时44min），渗压计10113 号渗压由0.0→1.1MPa，而渗压计10112 号渗压由0.0→0.2MPa。由此表明，在相应的试验时段内前者对于水压力的响应相对敏感，而后者则显得不敏感。但是，随着试验时段的延长，这2个渗压计的渗压响应程度发生了很大的变化，如当上述主动孔水压力上升至7.6MPa保持了相对稳定约3min后，渗压计10113 号渗压由1.1→1.42MPa，而渗压计10112 号渗压由0.2→2.59MPa。由此表明，这2个渗压计对于来自主动孔的水压力的渗压响应程度在不同试验时段间具有非线性变化。总体上，试验时段后期渗压计的渗压响应程度比试验时段前期显得敏感一些，甚至要敏感得多。

3）不同试验孔、不同深处布置的渗压计具有不同的渗压响应曲线表明，不同部位岩体对于相同的水压力具有不同的水力坡降，见图9.3.33。根据该图可以得出：渗压计10112 号的极限水力坡降约为24；而渗压计10113 号和10116 号的极限水力坡降则分别约为52。由此反映，不同渗压计部位岩体的极限水力坡降之间差异较大。显然，具有较大极限水力坡降的岩体其完整性好，裂隙不甚发育，故具有较强的抗渗稳定性；而具有较小极限水力坡降的岩体，裂隙相对发育，故具有较弱的抗渗稳定性。

根据综上所述可以得出：不同部位的岩体在高压水头作用下的渗水量相差较大，反映了岩体的非均质、各向异性具有普遍性；同一部位的岩体在不同的水压力作用下，渗水量亦相差较大，反映了岩体的渗流状态与相应的压力之间具有依赖关系。根据不同的P—Q关系曲线得到：呈相对闭合的裂隙明显存在临界水头压力，而具有一定开度的裂隙则不存在临界水头压力。根据不同水头压力下的Q—t 关系曲线得到：随着水头压力的增大，岩体的渗流性态渐趋敏感；而在较高水头压力的持续作用下，岩体的允许水力坡降值则有减小之势。由此可见，在进行具有高压水头作用下的深埋隧洞一类工程设计时，有必要进行HPPT试验。

图9.3.33　HPPT过程中不同渗压计部位岩体的水力坡降变化曲线