隧洞弱透水層滲透性試驗(yàn)及其滲透系數(shù)確定

張克翠

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000）

隧洞弱透水層滲透性試驗(yàn)及其滲透系數(shù)確定

張克翠

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000）

隧洞圍巖含水率及滲透情況對隧洞開挖工藝、降排水及支護(hù)的設(shè)計(jì)具有重大影響。通過對引洮供水二期工程地質(zhì)鉆孔地層情況及孔內(nèi)賦水情況分析，選定典型隧洞圍巖段，通過在雜色黃土狀土圍巖段進(jìn)行鉆孔常水頭注水試驗(yàn)和在新近系砂質(zhì)泥巖強(qiáng)風(fēng)化段進(jìn)行提水試驗(yàn)，確定其圍巖含水量大小及滲透系數(shù)，經(jīng)過試驗(yàn)和計(jì)算確定：雜色黃土狀土、新近系砂質(zhì)泥巖強(qiáng)風(fēng)化層的滲透系數(shù)在1.0×10-5～1.0×10-6cm/s數(shù)量級，兩類地層滲透系數(shù)很小，富水性貧乏，巖體透水性屬較差和很差級別?？蔀橐┧诘叵峦杆运矶磭鷰r的開挖工藝、降排水及支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的水文地質(zhì)資料。

弱透水層；滲透性試驗(yàn)；滲透系數(shù)

在水利工程施工中常會遇到地下水，部分隧洞圍巖特別是軟巖、較軟巖具弱透水性，圍巖內(nèi)常有少量的地下水呈滴狀或線狀流出，雖然水量小，持續(xù)時(shí)間短，補(bǔ)給來源有限，但不及時(shí)排除，會使圍巖軟化、泥化，加劇隧洞的塑性變形，對工程施工、圍巖支護(hù)有很大的影響。在引洮二期工程中，該類問題較突出。

一般的富水性地層常采用鉆孔抽水、壓水試驗(yàn)進(jìn)行推算其滲透系數(shù)。貧水性地層難以用上述方法進(jìn)行滲透性實(shí)驗(yàn)。本文通過工程實(shí)例，在引洮供水二期工程隧洞圍巖雜色黃土狀土（plQ31）、新近系砂質(zhì)泥巖等貧水性地層中，進(jìn)行弱透水性水文地質(zhì)試驗(yàn)，確定其含水量大小及滲透情況。選定典型隧洞圍巖試驗(yàn)段為第28標(biāo)段12#隧洞33+682處，試驗(yàn)孔深32.2 m。

1 試驗(yàn)孔內(nèi)地層情概況

鉆孔內(nèi)地層由第四系覆蓋層和新近系砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，其描述如下：第①層風(fēng)積馬蘭黃土,厚約4.0 m，較濕，呈淺黃、黃褐色，質(zhì)地均勻，結(jié)構(gòu)疏松，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，表層多見植物根系，偶含蝸牛殼。巖芯呈散體狀；第②層雜色黃土狀土（plQ31），較濕，上部巖性為淺黃色、褐黃色粉質(zhì)粘土，結(jié)構(gòu)稍密，具濕陷性，下部巖性為青灰、灰綠、褐黃色粘土夾粉質(zhì)粘土，具明顯的水平層理，土質(zhì)不均，含有少量鈣質(zhì)結(jié)核，厚25.6 m；第③層新近系砂質(zhì)泥巖，呈以泥質(zhì)膠結(jié)為主，部分泥鈣質(zhì)膠結(jié)，成巖程度低，巖石單軸天然抗壓強(qiáng)度小，屬軟巖，遇水易軟化崩解。巖體呈中厚層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合差，裂隙不發(fā)育，巖體較完整。巖層產(chǎn)狀平緩，層面為主要結(jié)構(gòu)面，面粗糙不平，層間結(jié)合差；巖體中無地下水活動或活動輕微，隧洞圍巖穩(wěn)定性差。圍巖類別為不穩(wěn)定的Ⅳ類，自穩(wěn)時(shí)間很短，該類圍巖變形顯著，時(shí)間效應(yīng)明顯。巖體遇水易軟化、崩解，水理性質(zhì)差，弱透水等特性。在洞身段巖芯較完整，多呈10～30cm的短柱狀巖芯。RDQ值在50%～70%之間。

2 試驗(yàn)孔內(nèi)賦水情況分析

在鉆進(jìn)工程中，②雜色黃土狀土和③新近系砂質(zhì)泥巖地層中分別發(fā)現(xiàn)2層地下水，水位高程分別為2070.5 m和2065.9 m。第一層屬潛水，水量較小，據(jù)提水試驗(yàn)，其水量約15 L/d；第二層屬基巖裂隙水，水量較小，據(jù)提水試驗(yàn)，其水量約30 L/d。

（1）第②層雜色黃土狀土（plQ31）中的潛水。屬黃土丘陵潛水，分布于梁峁地區(qū)黃土地層中，其潛水的分布狀況，浸潤曲線的形狀，往往受其基底隔水底板、古地形、巖性及地面坡度控制，沒有固定的潛水面，亦無固定的排泄邊界，局部有上層滯水存在，大部分從黃土與下伏隔水底板接觸面附近溢出。在溝腦、溝坎、坡腳地帶以泉形式向外排泄。黃土丘陵潛水的唯一補(bǔ)給來源為大氣降水，沿著黃土節(jié)理、裂隙及盲溝、陷穴等通道下滲補(bǔ)給潛水。因此泉水流量大小，往往與降水量，黃土的分布面積、厚度，地形等有關(guān)，一般來說，泉水流量很小，一般小于0.01 L/s，水質(zhì)較差，礦化度1～3 g/L，多為硫酸鹽型水或氯化物型水。

（2）第③層新近系砂質(zhì)泥巖強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)的基巖裂隙水。中低山區(qū)的新近系砂質(zhì)泥巖中斷裂裂隙不發(fā)育，基本為不透水-弱透水巖體，基本無地下水，僅在基巖表面強(qiáng)風(fēng)化層、個(gè)別裂隙密集帶和粗碎屑巖巖體中有微量地下水，水量分布極不均一，因循環(huán)速度慢，溶濾的鹽分較多，多為碳酸—硫酸鹽類水，對普通混凝土一般有弱結(jié)晶型硫酸鹽腐蝕性?；鶐r裂隙水主要接受大氣降水補(bǔ)給，沿裂隙或斷層帶以泉的形式向溝谷排泄，形成徑流，或向坡麓排泄，以潛流的方式補(bǔ)給黃土區(qū)溝谷潛水。

3 試驗(yàn)孔內(nèi)含水層滲透系數(shù)的試驗(yàn)、計(jì)算分析

3.1 第②層雜色黃土狀土（plQ31）段

本工程雜色黃土狀土屬細(xì)粒土，一般情況下滲透系數(shù)很小，所以野外滲透性原位試驗(yàn)選擇常水頭試驗(yàn)[1]。試驗(yàn)段選取長度為5 m，注水水頭高度為20 m，為防止孔壁軟化造成塌孔，試驗(yàn)前下入護(hù)壁花管，孔壁和孔底同時(shí)進(jìn)水，采用栓塞隔離。試驗(yàn)時(shí)連續(xù)向鉆孔內(nèi)注水，使孔內(nèi)水頭保持一定，量測穩(wěn)定時(shí)的注水流量。開始每隔5 min觀測一次流量，5次后每隔20 min觀測一次，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為3小時(shí)，準(zhǔn)確記錄時(shí)間及注入水量。

依據(jù)《水文地質(zhì)手冊》[2]，當(dāng) l/r＞4 時(shí)，滲透系數(shù)：k=0.366Q l·s。式中，l為試驗(yàn)段花管的長度，m，l=5 m；Q為注水流量，L/min；s為孔內(nèi)注水水頭高度，s=20 m；鉆孔直徑d=127 mm；鉆孔半徑r=63.5 mm。根據(jù)流量及時(shí)間按照上式計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)滲透系數(shù)K值，并畫出時(shí)間與滲透系數(shù)曲線圖，見表1、圖1。

表1 注水試驗(yàn)成果表

圖1 常水頭注水試驗(yàn)與滲透系數(shù)曲線圖（K-t）

根據(jù)上圖繪制的K=f（t）曲線，確定近于常數(shù)的滲透系數(shù)值K=1.75×10-6cm3/s,為該類圍巖的滲透系數(shù)。

從上述粘性土常水頭注水試驗(yàn)求得的滲透系數(shù)，可見鉆孔所在的區(qū)域內(nèi)雜色黃土狀土層富水性貧乏，巖體透水性很差。

3.2 第③層新近系砂質(zhì)泥巖強(qiáng)風(fēng)化層段

確定在新近系砂質(zhì)泥巖段進(jìn)行提水試驗(yàn)，鉆孔孔徑127 mm，提水前測的初始水位29.5 m，提水前進(jìn)行了清水洗孔，至孔內(nèi)返出水沒有明顯雜質(zhì)后才開始提水實(shí)驗(yàn)。本次以0.018 L/s的提水量進(jìn)行連續(xù)提水，提水時(shí)定時(shí)觀測和記錄孔內(nèi)水位降深的變化?？變?nèi)水位降深呈直線下降。當(dāng)提水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到30 min時(shí)，水位降深至32 m，30 min內(nèi)水位降深2.5 m，此時(shí)提水孔已經(jīng)提不上水，結(jié)束本次提水階段，轉(zhuǎn)入孔內(nèi)水位恢復(fù)觀測。水位觀測180 min時(shí)孔內(nèi)水位已恢復(fù)至29.75 m，水位觀測300 min時(shí)孔內(nèi)水位已恢復(fù)至29.6 m，水位恢復(fù)觀測24 h時(shí)孔內(nèi)水位恢復(fù)至29.5 m。

經(jīng)過全程提水試驗(yàn)，繪制提水試驗(yàn)Q-f(t)、S-f(t)曲線圖，見圖2，從圖中可以得出提水量Q、孔內(nèi)水位降深及恢復(fù)S與時(shí)間的變化。

圖2 提水試驗(yàn)Q-f(t)、S-f(t)曲線圖

假設(shè)含水層等厚、各向同性和無限延伸的均質(zhì)體。根據(jù)提水試驗(yàn)孔水文地質(zhì)條件，采用水位恢復(fù)速度計(jì)算該孔的滲透參數(shù)，《水文地質(zhì)手冊》中公式：

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；rω為鉆孔半徑，m；H為自然情況下潛水含水層的厚度，m；S1為提水穩(wěn)定時(shí)的水位降深，m；S2為地下水恢復(fù)時(shí)間t后水位距離靜止水位的深度，m；t為水位從S1恢復(fù)到S2的時(shí)間，d；r為為影響半徑，m。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，H=2.5 m，rw=0.0635 m，r=50 m，S2=ΔS，S1=2.5 m，t=ΔT，求得一系列與鉆孔恢復(fù)時(shí)間有關(guān)的滲透參數(shù)K值見表2。

表2 水位恢復(fù)時(shí)間變化與滲透系數(shù)表

根據(jù)一系列提水試驗(yàn)水位恢復(fù)階段的滲透系數(shù)K值，繪制提水實(shí)驗(yàn)水位恢復(fù)時(shí)間與滲透系數(shù)曲線圖，見圖3。

圖3 提水實(shí)驗(yàn)水位恢復(fù)時(shí)間與滲透系數(shù)曲線圖（K-t）

根據(jù)圖3繪制的K=f(t)曲線，根據(jù)此曲線，在恢復(fù)階段的前30 min內(nèi)，水位恢復(fù)的幅度較大，這階段滲徑較短，水位上升較快，計(jì)算的滲透系數(shù)差異性較大。在30～150 min內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，補(bǔ)給滲徑增長，水位的恢復(fù)速度趨近于穩(wěn)定，滲透系數(shù)趨近于常值，直至于水位恢復(fù)初始值。因此根據(jù)30～150 min內(nèi)的提水試驗(yàn)水位恢復(fù)時(shí)間與滲透系數(shù)曲線圖（K-t），確定近于常數(shù)的滲透系數(shù)值K=1.55×10-5cm/s作為該地層隧洞圍巖的滲透系數(shù)。

從上述水文地質(zhì)提水試驗(yàn)求得的滲透系數(shù)，可見鉆孔所在的區(qū)域內(nèi)基巖裂隙水富水性貧乏，巖體透水性較差。

4 結(jié)論

根據(jù)鉆孔內(nèi)主要地層第②層雜色黃土狀土（plQ31）層內(nèi)的常水頭注水試驗(yàn)和第③層新近系砂質(zhì)泥巖強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)的提水試驗(yàn)結(jié)果分析，計(jì)算出第②層雜色黃土狀土（plQ31）層滲透系數(shù)K=1.75×10-6cm/s，第③層新近系砂質(zhì)泥巖強(qiáng)風(fēng)化層滲透系數(shù)K=1.55×10-5cm/s。根據(jù)試驗(yàn)、計(jì)算分析，兩類地層滲透系數(shù)很小，富水性貧乏，巖體透水性屬較差和很差級別。

[1]SL345-2007，水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2]中國地質(zhì)調(diào)查局.水文地質(zhì)手冊第二版[Z].地質(zhì)出版社，2012-09.

U452.1

B

1673-9000（2017）05-0104-02

2017-05-11

張克翠（1978－），女，甘肅靖遠(yuǎn)人，工程師，主要從事工程監(jiān)理、工程施工、工程試驗(yàn)工作。