裂隙巖體滲透性理論研究進(jìn)展

付 貴

(河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000)

我國幅員遼闊，地質(zhì)條件錯綜復(fù)雜，尤其是埋藏于地下的巖層結(jié)構(gòu)，人們不可能完全認(rèn)識其特性，因此在設(shè)計、施工過程中有著很大的困難，過去，在地下工程中遇到巖石工程問題，多憑經(jīng)驗解決。但是隨著工程條件的日益復(fù)雜性，單憑經(jīng)驗越來越難以解決實際問題(周維垣等)。地下工程技術(shù)的不斷發(fā)展，為人們廣泛地利用地下空間資源提供了技術(shù)上的可能性，同時也給生產(chǎn)中的安全問題提出了更高的要求。一旦在大跨度的地下洞室等地下結(jié)構(gòu)發(fā)生冒頂、垮塌惡性事故，后果將極其嚴(yán)重，因此，地下工程圍巖滲透性研究已迫切成為巖石力學(xué)研究的重要課題(劉同有等)。

20世紀(jì)30年代，人們開始關(guān)注巖體的抗?jié)B性能，是始于大型水工工程的建設(shè)，諸如水壩、水渠、涵管及位于地下水位線以下的地下結(jié)構(gòu)如隧道等;一旦巖體的抗?jié)B性能不足或受到破壞，會降低這些結(jié)構(gòu)的使用效能，造成污染、滲漏等事故。尤其是水壩之類的大型水工結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中需要確知巖體抵抗高水壓下水穿透的能力。正是因為涉及的影響因素太多，試驗耗功耗時，因此，目前人們在這方面獲得的研究成果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能令人滿意，有必要在這方面進(jìn)一步深入進(jìn)行研究。巖體的滲透試驗是一項艱難而耗時的工作，用什么方法能快速而且準(zhǔn)確地測量出反映巖體滲透性能的數(shù)據(jù)，首先成為有關(guān)研究人員的研究領(lǐng)域。

1 裂隙巖性滲透性理論

1.1 國內(nèi)外常用研究巖體滲透性試驗方法

研究巖體抗?jié)B性能有多種試驗方法;有傳統(tǒng)的水壓力試驗法，水力劈裂試驗還有下面幾種試驗法等。目前各種試驗測試方法各有優(yōu)缺點，不存在某種方法絕對強于另一種方法的說法。近年來，國外在一項研究中同時進(jìn)行水滲透性、氯化物滲透性、空氣滲透性測試、然后分別討論試驗結(jié)果的情況增多，可以認(rèn)為這是一種趨勢。

巖體的結(jié)構(gòu)及其透水性直接關(guān)系到建筑物圍巖的穩(wěn)定及安全.通過水力劈裂試驗，可以真實地反映高水壓作用下巖體的結(jié)構(gòu)和滲透性的變化規(guī)律.以某水電站工程壩址區(qū)巖體所作的水力劈裂試驗資料為基礎(chǔ)，分析了在水力劈裂過程中，巖體的結(jié)構(gòu)和滲透性發(fā)生的變化及其規(guī)律以及在該過程中巖體裂隙形成的機理.

1.2 水庫裂隙巖體滲透系數(shù)張量的確定

通過裂隙在空間展布狀況的測量，用統(tǒng)計學(xué)方法初步確定裂隙巖體的滲透張量，獲得滲透主值及主方向，然后根據(jù)野外壓水試驗得到的巖體透水率，利用巴布什金公式計算各試段巖體的滲透系數(shù)，求出修正系數(shù)，從而得到研究區(qū)裂隙巖體的修正滲透張量.并運用上述方法對蒲石河抽水蓄能電站上水庫壩址區(qū)裂隙巖體的滲透張量進(jìn)行了計算.結(jié)果表明，該方法能較好地刻畫裂隙巖體滲透性的各向異性特征，可為巖體滲透性分區(qū)及防滲帷幕的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1.3 砂泥巖裂隙巖體滲透性分析

采用表征巖體滲透性的單位吸水量ω為參數(shù)，有效地分析了砂泥巖裂隙巖體中相對埋深和巖性對滲透性空間分布規(guī)律的影響.研究區(qū)內(nèi)，在不同深度單位吸水量的最大值和最小值相差3～4個數(shù)量級，滲透性表現(xiàn)出顯著的隨機特征.通過將壓水試驗數(shù)據(jù)離散化并在不同深度上取logω的平均值，凸現(xiàn)了滲透性的結(jié)構(gòu)特征.ω均值在一定范圍內(nèi)隨相對深度表現(xiàn)出負(fù)指數(shù)分布規(guī)律;剔除logω的線性趨勢項后，logω殘差表現(xiàn)出與地層內(nèi)部巖性相對應(yīng)的規(guī)律.此外，研究還發(fā)現(xiàn)，滲透性參數(shù)隨相對深度呈負(fù)指數(shù)分布規(guī)律是由含裂隙的砂巖介質(zhì)引起的.這些規(guī)律為裂隙巖體的滲流計算和模擬奠定了基礎(chǔ).文章所提出的對壓水試驗數(shù)據(jù)離散化并在不同深度取均值以找出滲透性和深度關(guān)系，以及去除線性趨勢項研究滲透性和巖性之間關(guān)系等方法具有廣泛的應(yīng)用價值。

1.4 海底隧道工程巖體滲透性綜合研究

通過包括計算裂隙巖體等效滲透系數(shù)、原位抽水試驗、壓水試驗和室內(nèi)原狀大樣滲透實驗等方法在內(nèi)的巖體滲透性綜合研究方法的運用，獲得巖體滲透性指標(biāo).將各方法所獲得的巖體滲透系數(shù)進(jìn)行分級統(tǒng)計，取加權(quán)均值作為巖體的滲透系數(shù)，提交工程設(shè)計參考.實踐證明，所獲得的巖體滲透性指標(biāo)是科學(xué)和有效的。

1.5 剪切荷載對裂隙巖體滲透性影響研究現(xiàn)狀

剪切荷載對裂隙巖體滲流特性影響的研究現(xiàn)狀，認(rèn)為:目前這方面的研究主要采用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬2種方法.室內(nèi)試驗方法可以準(zhǔn)確地得到剪應(yīng)力和裂隙滲透系數(shù)的關(guān)系，但對試驗儀器精度的要求比較高，試樣的制作比較復(fù)雜，試驗的可重復(fù)性差;數(shù)值模擬方法能夠定性地模擬出剪應(yīng)力對裂隙滲透性的影響，但裂隙的寬度、走向、密度和長度等參數(shù)較難確定.總結(jié)了剪切過程中裂隙巖體滲透系數(shù)的變化規(guī)律，即:剪脹發(fā)生前，裂隙滲透系數(shù)隨剪切位移的增加而減小;剪脹發(fā)生后，裂隙滲透系數(shù)隨剪切位移的增加急劇增大，達(dá)到峰值位移后裂隙滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定甚至?xí)p小.指出了需要進(jìn)一步研究的問題:剪切荷載作用下裂隙變形和破壞規(guī)律;不同法向荷載作用下剪切荷載對裂隙滲透性的影響;裂隙巖體本構(gòu)關(guān)系;等等。

2 實例應(yīng)用

2.1 電站上水庫裂隙巖體滲透張量的確定

這種方法提出了一種既能反映裂隙巖體的滲透特性，又相對準(zhǔn)確的確定裂隙巖體滲透張量的方法.首先通過裂隙在空間展布狀況的測量，用統(tǒng)計學(xué)方法初步確定裂隙巖體的滲透張量，獲得滲透主值及主方向，然后根據(jù)野外壓水試驗得到的巖體透水率，利用巴布什金公式計算各試段巖體的滲透系數(shù)，求出修正系數(shù)，從而得到研究區(qū)裂隙巖體的修正滲透張量.并運用上述方法對蒲石河抽水蓄能電站上水庫壩址區(qū)裂隙巖體的滲透張量進(jìn)行了計算。結(jié)果表明，該方法能較好地刻畫裂隙巖體滲透性的各向異性特征，可為巖體滲透性分區(qū)及防滲帷幕的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

裂隙巖體滲透特性往往由于裂隙發(fā)育的隨機性而難以準(zhǔn)確認(rèn)知，現(xiàn)場高壓壓水試驗通過研究壓力P～流量Q關(guān)系曲線可以了解裂隙巖體宏觀滲透特性。某抽水蓄能電站高壓岔管部位巖體存在較大規(guī)模的斷層及影響帶，為配合工程處理設(shè)計，采用現(xiàn)場高壓壓水試驗對斷層(含影響帶)、斷層周圍巖體的透水性及滲透變形特性進(jìn)行評價，現(xiàn)場試驗的結(jié)果表明裂隙的張開擴(kuò)展是裂隙巖體滲透變形的主要形式，也是P～Q曲線類型非線性的主要原因。為對試驗過程和成果進(jìn)一步量化，采用等效連續(xù)介質(zhì)模型和三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)對試驗進(jìn)行模擬。對比分析成果可見，P～Q曲線基本吻合，采用現(xiàn)場試驗與數(shù)值計算相結(jié)合的方法可以較好地對裂隙巖體的宏觀滲透性進(jìn)行分析評價。

2.2 基于裂隙量測法的新立礦區(qū)工程巖體滲透性分析

新立礦區(qū)主要可采礦體分布于海底巖體中，查明礦區(qū)工程巖體的滲透特征對保障海底采礦安全具有十分重要的意義.在綜合分析新立礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)場調(diào)查的巖體結(jié)構(gòu)面幾何數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了滲透系數(shù)張量計算程序，計算了巖體綜合滲透系數(shù)，根據(jù)前期的壓水試驗結(jié)果修正了計算結(jié)果，修正后的結(jié)果表明礦區(qū)－105，－135水平工程巖體整體上呈弱透水性，局部呈微透水性，－165水平巖體整體上呈微－弱透水性;巖體滲透性隨深度的增加而降低。

2.3 巖體滲透結(jié)構(gòu)的條件模擬

在這種情況下針對裂隙巖體滲透性參數(shù)空間分布問題，引入條件模擬的理論與方法。在簡要介紹條件模擬原理的基礎(chǔ)上，給出了實例分析。拉西瓦水電站壩址區(qū)巖體滲透性具典型的殼狀結(jié)構(gòu)特征，從這一地質(zhì)現(xiàn)象出發(fā)對滲透性參數(shù)進(jìn)行100次條件模擬。分析結(jié)果表明，條件模擬從三維角度更全面直觀地證實了巖體殼狀滲透結(jié)構(gòu)的理論。

根據(jù)這些試驗所得結(jié)果，參照巖體的滲透性分段(表1)，我們可以得到裂隙巖體的大致滲透性情況。

表1 巖體滲透性分段

3 結(jié)語

裂隙巖體滲透性研究理論和試驗實踐表明，試驗方法都具有方便可行的，具有快速、準(zhǔn)確、可視化和自動化的特點。其結(jié)果可以為相關(guān)領(lǐng)域的巖體的滲透性評價工作提供參考，以便為設(shè)計施工提供理論依據(jù)。裂隙巖體的滲透性的研究對地質(zhì)災(zāi)害、水電工程、礦山工程等都具有積極的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

［1］沈照理，朱宛華，鐘佐燊.水文地球化學(xué)基礎(chǔ).北京.地質(zhì)出版社，1993.

［2］王大純，張人權(quán)等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ).北京.地質(zhì)出版社，1995.

［3］曹劍鋒，遲寶明，王文科，宮輝力，曹玉清，梁秀娟.專門水文地質(zhì)學(xué).北京.科學(xué)出版社，2006.

［4］劉佑榮，唐輝明.巖體力學(xué).中國地質(zhì)大學(xué)出版社.

［5］薛禹群.地下水動力學(xué).北京.地質(zhì)出版社，1997.

［6］田開銘.萬力 各向異性裂隙介質(zhì)滲透性的研究與評價1989.

［7］盛謙，黃正加，鄔愛清.三峽工程地下廠房隨機塊體穩(wěn)定性分析.巖土力學(xué)，2002.

［8］田開銘.萬力 各向異性裂隙介質(zhì)滲透性的研究與評價，1989.

［9］劉燕鋒，宋漢周.某抽水蓄能電站高壓滲透試驗分析.勘察科學(xué)技術(shù)2006(03)

［10］徐尚壁.壓水試驗求滲透系數(shù)的射滲理論與方法，1996(1).

［11］鄭少河，趙陽升，段康廉.三維應(yīng)力作用下天然裂隙滲流規(guī)律的實驗研究，1999(2).

［12］田開銘.萬力 各向異性裂隙介質(zhì)滲透性的研究與評價1989.

［13］王明玉，陳勁松.萬力 離散裂隙滲流方法與裂隙化滲透介質(zhì)建模 .地球科學(xué).中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2002(1).

［14］孫蓉琳，梁杏，靳孟貴.裂隙巖體滲透系數(shù)確定方法綜述［期刊論文］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006(6).

［15］程國明，馬鳳山，王思敬，陳祥軍，袁仁茂.基于幾何測量法的裂隙巖體滲透性研究.－水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004(21).

［16］陳彥，吳吉春.含水層滲透系數(shù)空間變異性對地下水?dāng)?shù)值模擬的影響 .水科學(xué)進(jìn)，2005(04).

［17］閻婷婷.吳劍鋒 滲透系數(shù)的空間變異性對污染物運移的影響研究 .水科學(xué)進(jìn)展，2006(01).

［18］杜強，康永尚.萬力 滲透性參數(shù)非均質(zhì)特征的研究進(jìn)展.水科學(xué)進(jìn)展 ，1996(1－2).

［19］中華人民共和國水利部.DLJ203－1981.水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程，1983.

［20］中華人民共和國水利部.SL25－1992.水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程，1992.