基于壓水試驗(yàn)的斷裂構(gòu)造巖體滲透特性分析

李德群，岑 萍，趙文超

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

斷裂構(gòu)造是水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的工程地質(zhì)問題之一，對(duì)水工建筑物的構(gòu)造穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定有直接的影響，諸多的工程實(shí)例對(duì)此都有深入系統(tǒng)的研究。自1959年法國Malpasset水壩在滲流作用下導(dǎo)致潰決以來，不同巖體結(jié)構(gòu)的滲透特性研究成為其中的一個(gè)重要課題［1］。

在工程實(shí)踐中，裂隙巖體多為不均一的非連續(xù)介質(zhì)，地下水在巖體中的滲流狀態(tài)一般具有明顯的各向異性、不連續(xù)性和不均一性［2］。尤其是在斷裂構(gòu)造作用下，巖體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著的不良變化，巖體破碎松散，導(dǎo)致滲透特征有更強(qiáng)的非均質(zhì)性和各向異性，往往是發(fā)生水力聯(lián)系的重要途徑。

壓水試驗(yàn)是一種被普遍應(yīng)用的巖體原位滲透試驗(yàn)［3］，用測(cè)定的巖體透水率q來反映巖體的透水程度、不同壓力下的變化趨勢(shì)等，以此分析工程巖體的滲透特性。具體做法是在鉆孔內(nèi)用栓塞(封隔器)將某一長度的(一般為5 m)孔段與其它孔段隔離，用不同的壓力向試段內(nèi)輸水，測(cè)定相應(yīng)壓力下的流量值，并以單位長度試段內(nèi)某一壓力下的流量值來表示該試段巖體的透水率q。

擬建的某水庫壩基發(fā)育有一隱伏斷裂——F1順河斷層，該斷層對(duì)壩基滲漏的影響以及是否存在強(qiáng)滲漏通道，成為工程勘察和論證所關(guān)注的焦點(diǎn)。本文以此為例，基于壓水試驗(yàn)成果，對(duì)F1斷層巖體滲透結(jié)構(gòu)、滲透性能和空間分布規(guī)律以及影響滲透性的因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以期為類似工程提供借鑒和參考。

1 地質(zhì)環(huán)境與F1斷層特征

內(nèi)蒙古某水庫擬選壩址河谷呈寬緩的“U”型，谷底寬度約850 m，地面高程在624 m左右;兩岸為構(gòu)造剝蝕低山，山坡較緩，屬河流侵蝕堆積、山麓斜坡堆積和構(gòu)造剝蝕三種地貌類型。擬選壩址地層上覆有厚度10～15 m的第四系全新統(tǒng)松散地層，下伏地層巖性主要為侏羅系上統(tǒng)凝灰?guī)r，走向NE45°～57°，傾向SE，傾角10°～25°;地下水為裂隙潛水。

根據(jù)已有研究成果［4－5］，F(xiàn)1斷層在區(qū)域構(gòu)造上從屬于烏蘭河隱伏斷裂，為右旋平移逆斷層，系在華力西期—燕山期形成，中更新世以來處于穩(wěn)定狀態(tài)。在壩址區(qū)的產(chǎn)狀為走向 NE80°，傾向SE，斷層面陡立，達(dá)70°～90°;與擬選壩軸線呈大角度相交并在壩基中部偏左側(cè)順河通過;通過綜合勘察，推測(cè)斷層影響帶寬度約200 m。受此影響，壩址區(qū)節(jié)理裂隙較為發(fā)育，以剪切節(jié)理為主，走向多為NE和NW向，傾角從＜10°到45°～65°，密度3～4條/m。

2 F1斷層巖體滲透結(jié)構(gòu)特征

2.1 巖體滲透結(jié)構(gòu)劃分

巖體滲透結(jié)構(gòu)即不同滲透性巖體的組合方式，表征了巖體滲透性的空間分布規(guī)律。一般來說，巖體結(jié)構(gòu)對(duì)滲透性有著基礎(chǔ)和制約的作用，巖體結(jié)構(gòu)類型越差，表現(xiàn)在巖體滲透性上的地下水動(dòng)力作用愈強(qiáng)。

綜合勘察結(jié)果顯示，F(xiàn)1斷層影響帶沿壩軸線方向不同部位，鉆孔的巖芯物質(zhì)及RQD、縱波波速VP、完整性系數(shù)KV具有明顯差別。在空間上從左側(cè)、中部到右側(cè)，依次相間揭露為斷層碎裂巖、斷層構(gòu)造巖兩類不同類型巖體。本文根據(jù)其巖體結(jié)構(gòu)特征和分布規(guī)律，分別定義為碎裂巖帶、軟弱構(gòu)造巖帶(圖1)。兩者相間分布排列、共同構(gòu)成了F1斷層影響帶的二元帶狀滲透結(jié)構(gòu)。

圖1 F1斷層影響帶巖體滲透結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of permeability structure of rock mass about influence zone of F1 fault

據(jù)巖芯觀察，碎裂巖帶中裂隙普遍發(fā)育，局部有錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象并有夾泥充填。在基巖面以下40 m深度內(nèi)總體以完整性差為主，少量為較破碎，但均一性較差。軟弱構(gòu)造巖帶由角礫巖、糜棱巖以及斷層泥構(gòu)成，在空間上呈陡傾角的狹窄帶狀分布。斷層角礫巖呈棱角—次棱角碎塊狀，粒徑一般1～3 cm，無明顯的定向排列，局部膠結(jié)較好。

在勘探深度范圍內(nèi)，揭露的軟弱構(gòu)造巖線性長度占鉆孔總長度的26%，即F1斷層影響帶巖體以碎裂巖為主，占比達(dá)74%。

2.2 巖體滲流形式分析

在壓水試驗(yàn)中，通過采用3級(jí)壓力、5個(gè)階段的試驗(yàn)方法，在不同壓力下巖體裂隙開度的改變，充填物的移動(dòng)、沖蝕和堵塞等會(huì)導(dǎo)致裂隙內(nèi)的滲流狀態(tài)各不相同，滲透性也會(huì)隨之發(fā)生變化，在P-Q曲線上表現(xiàn)為不同的滲流形式。F1斷層影響帶在基巖面以下45 m內(nèi)不同鉆孔壓水試驗(yàn)P-Q曲線類型統(tǒng)計(jì)如表1所示。

鑒于F1斷層影響帶巖體結(jié)構(gòu)的基本特征，反映在壓水試驗(yàn)P-Q曲線上則是巖體滲流形式的多樣性和復(fù)雜性。

(1)碎裂巖帶中，P-Q曲線以E(充填)型為主，透水率q一般＞10 Lu。表明裂隙較為發(fā)育但連通性一般，裂隙間充填物松散，在水壓力增高作用下裂隙面狀態(tài)發(fā)生了擴(kuò)張，導(dǎo)致滲透性增大。在降壓過程中，巖體裂隙被固體顆粒充填、堵塞，或半封閉狀態(tài)的裂隙被水充滿，使?jié)B透性變小，但流量值隨降壓與升壓曲線偏離值一般＜10%。

表1 壓水試驗(yàn)P-Q曲線類型統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of P-Q curve type of water pressure test

對(duì)于C(擴(kuò)張)型和不規(guī)則型，P-Q曲線也反映了碎裂巖體裂隙變化的可逆性特征，特別是壓力由0.6 MPa升至1.0 MPa時(shí)表現(xiàn)較為明顯，表明部分碎裂巖體具有彈性擴(kuò)張性質(zhì)。

(2)軟弱構(gòu)造巖帶中，P-Q曲線中B(紊流)型所占比例稍高，其他類型如C(擴(kuò)張)型、D(沖蝕)型和E(充填)型均有出現(xiàn)，且所占比列差距不大，說明該類巖體物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化較大，導(dǎo)致滲流形式復(fù)雜多變。

觀察巖芯發(fā)現(xiàn)，B(紊流)型巖體所對(duì)應(yīng)的多處于基巖面以下淺部地層，受風(fēng)化等因素影響，RQD指標(biāo)極低，巖芯破碎呈碎塊、碎屑和沙土狀，局部泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，在P-Q曲線中反映的是紊流形態(tài)。而C(擴(kuò)張)型和D(沖蝕)型等，多為膠結(jié)一般—良好的角礫巖和塊體母巖等，分布在中、下部地層中，在試驗(yàn)壓力下劈裂或原有裂隙張開，隨著壓力下降，張開度減小。

3 F1斷層巖體滲透特性

3.1 巖體滲透性分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，在基巖面以下約45 m深度范圍內(nèi)，F(xiàn)1斷層影響帶總體以中等透水性巖體為主，占試驗(yàn)總段次的66.7%，其中透水率q＜30 Lu占中等透水的92.5%;≥30 Lu的段次僅占7.5%。其次為弱透水性巖體，占試驗(yàn)總段次的26.7%。而透水率q＜1 Lu的微透水巖體占6.6%，如表2。

如前所述，由于F1斷層影響帶的二元帶狀滲透結(jié)構(gòu)特征，決定了兩類巖體結(jié)構(gòu)在滲透特性上的不同反映，同時(shí)受風(fēng)化、卸荷等因素的影響，其滲透性的非均質(zhì)性和各向異性特征明顯。碎裂巖帶的透水率q多在10 ～30 Lu之間，僅1 段達(dá)75.5 Lu，最小值 ＜10 Lu，平均透水率q為16.4 Lu，系中等透水性巖體;與此相比，軟弱構(gòu)造巖帶受到糜棱巖發(fā)育、有一定粘粒含量等因素的影響，平均透水率q為7.5 Lu，僅少量試驗(yàn)段次的透水率q超過10 Lu，屬于弱透水性巖體，是碎裂巖帶的46%，滲透性能明顯減弱。

結(jié)合前述F1斷層影響帶巖體以碎裂巖為主的觀點(diǎn)，以此判斷F1斷層影響帶巖體的滲透性能為中等偏弱。但由于F1斷層影響帶推測(cè)范圍較大，達(dá)200 m左右，且貫穿壩軸線，在上下游之間形成一個(gè)潛在的滲漏通道。

表2 F1斷層影響帶透水率統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical table of permeability rate of influence zone of F1 fault

3.2 巖體滲透性空間分布特征

(1)水平方向分布特征。F1斷層影響帶的陡傾角展布和二元巖體結(jié)構(gòu)，反映水平方向上，除碎裂巖帶和軟弱構(gòu)造巖帶本身固有的特性差異外，作為水工建筑物基礎(chǔ)巖體對(duì)象，具有明顯的分帶特性。

從F1斷層影響帶在平面位置的滲透性分析，在垂直F1斷層走向的壩軸線方向，其滲透性變化比較明顯，透水率q從左側(cè)18.1 Lu，至中部到右側(cè)依次遞減為14.8 Lu和10.5 Lu。與此相對(duì)應(yīng)的微透水—弱透水段次分別占試驗(yàn)總段次的26.3%、31.8%和42.1%;中等透水段次占 73.7%、68.2%和 57.9%，見表 3。

由此可見，F(xiàn)1斷層影響帶巖體的透水率q相對(duì)強(qiáng)弱程度依次為左側(cè)＞中部＞右側(cè)，即巖體滲透性以左側(cè)最強(qiáng)，右側(cè)相對(duì)較弱，中部介于二者之間，在考慮工程設(shè)計(jì)時(shí)可區(qū)別對(duì)待。

(2)垂直方向分布特征。滲透性的垂向變化規(guī)律是由巖體的非均質(zhì)引起滲透性在空間變異的表現(xiàn)，表達(dá)的是壓水試驗(yàn)成果在埋藏深度與透水率q之間的關(guān)系，具有埋藏越深所受到的地應(yīng)力越大、裂隙的開度變小透水性相應(yīng)降低的一般規(guī)律［6］。

表3 F1斷層影響帶水平方向透水率統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical table of permeability rate of horizontal direction of influence zone of F1 fault

透水率q與埋深關(guān)系曲線(圖2)顯示，受風(fēng)化、卸荷作用及斷層物質(zhì)泥化等因素影響，在與工程關(guān)系最為密切的淺部巖體中，碎裂巖帶和軟弱構(gòu)造巖帶的透水率q均較低，但隨著埋深增加，在一定深度內(nèi)透水率q均有增大的趨勢(shì)。其中軟弱構(gòu)造巖帶在高程578 m以上速率增大明顯，并由弱透水進(jìn)入中等透水巖體，之后減弱回歸到弱透水巖體;碎裂巖帶的滲透性在高程578 m以上呈層狀強(qiáng)弱交替變化，隨后衰減并在高程573 m進(jìn)入弱透水巖體。

綜上所述，F(xiàn)1斷層影響帶巖體滲透性隨深度的增加呈現(xiàn)上部較低、中部增高、下部衰減的特點(diǎn)，并由此判斷以高程575 m左右為分界點(diǎn)，其下透水率q＜10 Lu，為弱透水巖體，可作為防滲設(shè)計(jì)的相對(duì)隔水層考慮。

圖2 透水率q與埋深關(guān)系曲線Fig.2 Curve of permeability rate q and depth

3.3 影響F1斷層巖體滲透性的因素

巖體的滲透性研究成果認(rèn)為［7］，新鮮完整的巖體理論上是不透水的。水在巖體中的滲透主要是源于巖體內(nèi)部存在的裂隙所致，壓水試驗(yàn)成果反映的正是各種成因的裂隙對(duì)于巖體完整性的破壞程度。因此，探求影響F1斷層影響帶巖體滲透性的因素，最基本的一點(diǎn)在于分析巖體中的裂隙、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的發(fā)育以及后期改造狀況。

(1)風(fēng)化、卸荷作用是影響巖體滲透性的一個(gè)普遍存在的因素，自然界的巖體無一例外。對(duì)于F1斷層中軟弱構(gòu)造巖帶而言，風(fēng)化、卸荷作用對(duì)滲透性的影響表現(xiàn)在:一方面加劇了母巖及其兩側(cè)碎裂巖帶裂隙的張開擴(kuò)大，增大了滲透性;另一方面，對(duì)膠結(jié)一般的角礫巖、糜棱巖等，促使其更加疏松甚至泥化，透水性能顯著降低，如前述的軟弱構(gòu)造巖帶透水率總體上明顯小于碎裂巖帶。

(2)通常情況下，滲透性能大的裂隙展布的范圍廣、延伸距離長，構(gòu)成相對(duì)大范圍的地下水網(wǎng)絡(luò)通道。F1斷層形成于凝灰?guī)r中，屬于相對(duì)軟弱的巖體，在同一構(gòu)造應(yīng)力作用下易形成緩傾角裂隙，極易遭受外力地質(zhì)作用的改造和破壞，抗?jié)B透性能明顯減弱。

同時(shí)，緩傾角裂隙與鉆孔近于水平，鉆進(jìn)中被揭穿的概率更大(圖3)。反映在壓水試驗(yàn)成果上，滲透性多有強(qiáng)弱交替的現(xiàn)象，如圖2碎裂巖帶曲線所示。從巖芯觀察和RQD指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，凡屬透水率增大的部位，其緩傾角裂隙多密集發(fā)育，巖芯被裂隙切割呈短柱狀。因此，這種緩傾角的裂隙對(duì)巖體的滲透性影響更大，對(duì)不同壓力下透水能力變化的敏感性和真實(shí)性更強(qiáng)。

圖3 裂隙分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of crack distribution

(3)F1斷層的碎裂巖帶在滲透剖面上分布更廣，其滲透類型以裂隙介質(zhì)為主。同時(shí)軟弱構(gòu)造巖帶在與壩軸線垂直方向具有一定的阻(隔)水性，因此從宏觀上看，順帶方向的滲透性大于垂直方向的滲透性，這一因素使得F1斷層影響帶滲透性具有明顯的各向異性特征。

4 結(jié)論

(1)裂隙巖體的完整性決定了滲透性的強(qiáng)弱，斷裂構(gòu)造加劇了對(duì)巖體完整性的破壞，但仍不失裂隙巖體的一般特性。壓水試驗(yàn)是一種針對(duì)巖體裂隙滲流的原位透水性測(cè)試，所獲得的巖體透水率q能夠很好地反映在不同壓力、流量下裂隙的發(fā)育、分布和變化情況，為評(píng)價(jià)其滲透性提供依據(jù)。

(2)巖體結(jié)構(gòu)是控制巖體滲透性強(qiáng)弱及其宏觀滲透特征的主要因素。F1斷層具有典型的二元帶狀滲透結(jié)構(gòu)，具體劃分為碎裂巖帶與軟弱構(gòu)造巖帶。在空間分布上以碎裂巖帶的裂隙介質(zhì)滲透為主，系中等透水巖體，且透水率多在10～30 Lu之間，多與層狀、網(wǎng)絡(luò)狀等滲透結(jié)構(gòu)相連通，滲流狀態(tài)復(fù)雜。與此同時(shí)，軟弱構(gòu)造巖帶雖平均透水率q為7.5 Lu，屬弱透水巖體，但其物質(zhì)成分復(fù)雜、軟弱。因此，不利的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、性質(zhì)和滲透特性構(gòu)成了潛在的水力聯(lián)系通道。

(3)風(fēng)化、卸荷等外力地質(zhì)作用，導(dǎo)致裂隙、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面狀態(tài)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，是影響F1斷層影響帶滲透性的基本因素;較為發(fā)育的緩傾角裂隙對(duì)巖體的滲透性影響更大。從宏觀上看，F(xiàn)1斷層的二元帶狀滲透結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致順帶方向的滲透性明顯大于垂直方向的滲透性，具有明顯的各向異性特征。

［1］ 呂愛鐘.試論我國巖石力學(xué)的研究狀況及其進(jìn)展［J］.巖土力學(xué)，2004，25(S1):1 －9.

［2］ 李清波，閆長斌.巖體滲透結(jié)構(gòu)類型的劃分及其滲透特性研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009，17(4):503 －507.

［3］ 中華人民共和國水利部.水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程:SL31—2003［S］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［4］ 內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局.內(nèi)蒙古自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)志［M］.北京:地質(zhì)出版社，1991.

［5］ 蔣新華.重力資料在1∶25萬區(qū)域地質(zhì)填圖中的應(yīng)用［J］.安徽地質(zhì)，2005，15(2):94 －96.

［6］ 董學(xué)晟，田野，鄔愛清.水工巖石力學(xué)［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［7］ 仵彥卿，張卓元.巖體水力學(xué)導(dǎo)論［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1995.