峽谷區(qū)岸坡巖體滲透性分布規(guī)律淺析

彭 佩

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

1 引言

我國(guó)目前在建的大型水利水電工程主要分布在西南高山峽谷地區(qū)，并且根據(jù)國(guó)家水電建設(shè)規(guī)劃還將在雅礱江、金沙江、大渡河等流域陸續(xù)建設(shè)多個(gè)水電工程項(xiàng)目，到2020 年總裝機(jī)容量將達(dá)到2.1 億kW 以上。位于這些峽谷區(qū)的水電站工程由于受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和特殊地質(zhì)環(huán)境的影響，其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件具有顯著的區(qū)域特征：（1）岸坡陡峻，呈深切“V”型峽谷，坡度可高達(dá)70°；（2）地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，大范圍發(fā)育有深卸荷破碎裂隙帶；（3）區(qū)域天然地應(yīng)力較高，處于高～極高的地應(yīng)力環(huán)境。因此，峽谷區(qū)岸坡巖體滲透特性分布特征的研究，對(duì)于水電工程滲透穩(wěn)定分析和滲控效果評(píng)價(jià)具有十分重要的意義。

由于巖性和破碎巖塊塊度的差異，岸坡巖體滲流常常會(huì)表現(xiàn)出明顯的成層性和分帶性，總體上呈現(xiàn)出明顯的殼狀滲透結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)在滲透性會(huì)隨巖體埋深的增加以及風(fēng)化卸荷程度的減小而逐漸減弱。Lousi[1]在1974 年根據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了巖體的滲透系數(shù)確實(shí)隨深度的增加而減小。隨后Neuzil[2]等在1986 年研究了孔隙類(lèi)巖體滲透特性隨深度的變化規(guī)律。此外，國(guó)內(nèi)不少的學(xué)者通過(guò)對(duì)裂隙巖體鉆孔壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究了巖體埋深與其透水性之間的關(guān)系：周志芳等[3]分析了緊水灘水電站壩址花崗巖、石塘水電站壩址火山凝灰?guī)r的水文地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)巖體的滲透特性隨深度增加而明顯減弱的規(guī)律。張琦偉等[4,5]采用指示克里格方法，以指示變異函數(shù)為基本工具分析了向家壩水電站裂隙巖體滲透特性的分布規(guī)律。蔣小偉等[6]利用我國(guó)西南某水電站的壓水試驗(yàn)資料分析了玄武巖體及其層間錯(cuò)動(dòng)帶的滲透性分布特征，并提出了裂隙巖體滲透性隨埋深分布的半經(jīng)驗(yàn)公式[7]，但其只考慮了巖體受自重應(yīng)力作用的情況。周創(chuàng)兵等[8]開(kāi)展了地應(yīng)力對(duì)裂隙巖體滲透特性影響的理論研究，提出了巖體滲透系數(shù)與埋深之間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。

盡管已有許多學(xué)者針對(duì)裂隙巖體滲透性分布開(kāi)展了相應(yīng)的研究，但多局限于某一特定工程，關(guān)于不同因素對(duì)巖體滲透性的影響尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。本文通過(guò)系統(tǒng)分析多個(gè)水電工程岸坡巖體的鉆孔壓水試驗(yàn)資料，研究并總結(jié)峽谷區(qū)岸坡巖體滲透特性分布的一般規(guī)律。

2 巖體的透水性及其表征

巖體的透水性是指巖體允許透過(guò)流體的能力，若斷裂、裂隙等呈密集狀發(fā)育，且張開(kāi)度較大，就會(huì)形成集中滲流帶；相反如果裂隙被泥質(zhì)緊密充填，或呈閉合狀態(tài)，張開(kāi)度減小，則其透水性就小。

在水電工程地質(zhì)勘查中，常采用鉆孔壓水試驗(yàn)來(lái)測(cè)定巖體的透水性：在鉆孔結(jié)束后，用栓塞或封隔器將鉆孔按某一指定長(zhǎng)度隔開(kāi)，用不同的壓力向各鉆孔段壓水，測(cè)定其相應(yīng)的流量值，同時(shí)在隔開(kāi)的試驗(yàn)段測(cè)定壓力，并由此得到表征巖體透水性的參數(shù)—透水率q 和滲透系數(shù)k，它們描述了巖體介質(zhì)的一種平均性質(zhì)?！禛B50287-2006 水力發(fā)電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》一般將巖體的透水性分為六級(jí)，見(jiàn)表1[9]。

表1 巖體透水性分級(jí)

根據(jù)壓水試驗(yàn)得到的各試段流量隨壓力的變化關(guān)系可以確定巖體的透水率。透水率的單位為呂榮(Lu)，定義為在1 MPa壓力下，單位時(shí)間內(nèi)(總歷時(shí)10 min 左右)每米試段的平均壓入流量，以L/(m·min)計(jì)。透水率在實(shí)際計(jì)算中通常采用最大壓力階段的壓力值(Pmax)和流量值(Qmax)，因?yàn)樵摻M數(shù)據(jù)最接近呂榮值的定義壓力，具體可由下式得到[10]：

式中：q 為試驗(yàn)段的透水率，Lu；L 為試驗(yàn)段長(zhǎng)度，m；Qmax為最大壓力時(shí)段壓水流量，L/min；Pmax為最大試驗(yàn)壓力，MPa。

滲透系數(shù)又稱(chēng)水力傳導(dǎo)系數(shù)，定義為單位水力梯度下的流速。計(jì)算滲透系數(shù)通常采用巴布什金經(jīng)驗(yàn)公式，將壓水試驗(yàn)得到的透水率Lu 值轉(zhuǎn)換成壓水段巖體綜合滲透系數(shù)k[10]：

式中：k 為巖體滲透系數(shù)，m/d；Lu 為壓水試驗(yàn)的呂榮值，L/（m·min）；L 為壓水試驗(yàn)段長(zhǎng)度，m；r 為鉆孔半徑，m。

此外，Louis 等[1～8]依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔壓水試驗(yàn)建立了裂隙巖體的滲透系數(shù)與地應(yīng)力之間的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：k0為裂隙巖體的初始滲透系數(shù)；σ 為裂隙巖體所受的法向應(yīng)力；α 為相應(yīng)的衰減系數(shù)。

3 峽谷區(qū)岸坡巖體滲透性分布特征

3.1 埋深對(duì)巖體滲透性分布的影響

為了研究峽谷區(qū)岸坡巖體滲透性隨地應(yīng)力和埋深變化的分布規(guī)律，將位于金沙江的1#水電站左岸岸坡內(nèi)埋深200 m內(nèi)的所有440 段壓水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) (去掉極大值和不起壓段的數(shù)據(jù))，一方面按照鉆孔段的埋深繪制滲透系數(shù)分布散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖1(a)；另一方面，按照埋深每10 m 進(jìn)行分段處理并計(jì)算相應(yīng)的均值和中值，繪制滲透系數(shù)中值和均值隨埋深分布曲線，得到圖1(b)。

圖1 1#水電站左岸巖體滲透性隨埋深變化關(guān)系圖

從圖1（a）中可以看出，對(duì)于埋深小于80 m 的巖體，以弱透水性為主，占78.9%；微透水性和中等以上透水性（q≥10 Lu）巖體分別占11.4%和9.6%。對(duì)于埋深80 m～160 m 的巖體，則以弱偏下透水性（q=1～3 Lu）和微透水性(q＜1 Lu)為主，分別占50.1%和31.3%；弱偏上透水段(q=1～3 Lu)巖體占16.2%，中等以上透水性?xún)H占2.53%。對(duì)于埋深大于160 m 的巖體，則全部為弱偏下透水和微透水巖體。

在圖 1（b）中，在埋深 60 m～80 m 和 120 m～160 m 兩段透水率均值皆大于中值，這是因?yàn)樵谧蟀哆@兩段埋深中，局部存在強(qiáng)烈松弛～中等松弛型的深部裂縫，巖體裂隙較發(fā)育，再加上鉆孔的分布較為不均，導(dǎo)致最終得到的中值偏小，從側(cè)面也反映出巖體構(gòu)造對(duì)滲透性的影響。

從不同埋深的統(tǒng)計(jì)成果看，一方面隨著埋深的增加，地應(yīng)力不斷增大，裂隙的張開(kāi)度隨埋深逐漸減小，巖體滲透水性變小的趨勢(shì)明顯；另一方面由于鉆孔在同一埋深不同的位置揭露的裂隙發(fā)育程度不同，導(dǎo)致其具有不同的滲透性，反映了裂隙巖體滲透的非均質(zhì)性。

為進(jìn)一步定量分析巖體滲透性隨埋深和地應(yīng)力的變化，首先對(duì)各個(gè)工程典型剖面上每個(gè)鉆孔段所穿岸坡巖體的埋深信息按式（1）進(jìn)行整理，再將透水率呂榮值通過(guò)式（2）進(jìn)行換算；其次，統(tǒng)計(jì)各剖面上對(duì)應(yīng)的鉆孔段數(shù)據(jù)，以5 m 為單位將孔深離散化為整數(shù)深度，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)也進(jìn)行離散化，并且對(duì)離散化后的滲透系數(shù)和相對(duì)應(yīng)的埋深值進(jìn)行擬合；最后得到兩者之間的關(guān)系呈式（3）所示的負(fù)指數(shù)型，擬合結(jié)果列入表2 中。

表2 各工程典型剖面岸坡巖體滲透系數(shù)與埋深的擬合結(jié)果

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合得到的曲線相關(guān)性均較大，基本滿(mǎn)足分析要求。如表2 所示，無(wú)論巖性是否相同，無(wú)論埋深范圍是大是小，均可得到巖體滲透性隨埋深呈負(fù)指數(shù)衰減；此外，若埋深范圍越小，擬合結(jié)果越能反映出受地應(yīng)力等因素的影響，擬合結(jié)果的相關(guān)性也越強(qiáng)。如1#水電站左右兩岸統(tǒng)計(jì)的埋深范圍較小，最終得到滲透系數(shù)隨埋深的擬合曲線相關(guān)性均在0.9 以上；1#水電站工程區(qū)具有典型的高山峽谷地貌，兩岸巖體擬合得到的初始滲透系數(shù)和衰減系數(shù)均較大，一定程度上反映出峽谷區(qū)岸坡巖體透水性深受區(qū)域地應(yīng)力影響。

3.2 地層巖性對(duì)巖體滲透性分布的影響

由表2 中的擬合結(jié)果得知，從整體上看，相同巖性的巖體擬合得到的的衰減系數(shù)基本相近，而不同巖性的巖體初始滲透系數(shù)和衰減系數(shù)差異較大，比如3#水電站擬合得到的巖體初始滲透系數(shù)和衰減系數(shù)，與同樣位于金沙江上的1#水電站相比均相差1 個(gè)數(shù)量級(jí)以上；但相同巖性巖體的初始滲透系數(shù)仍存在較大不同，比如2#水電站左右兩岸初始滲透系數(shù)分別為0.2085 m/d 和0.0141 m/d，相差將近15 倍，考慮到左右岸壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)所涉及的埋深范圍不同，兩岸風(fēng)化卸荷程度也有所不同，因而可能導(dǎo)致巖體裂隙密集程度、開(kāi)度范圍等存在較大差異，從而導(dǎo)致初始滲透系數(shù)的不同。

由于不同巖性巖體中滲透性分布規(guī)律存在一定的差異，針對(duì)具有典型巖性分層的3#水電站，以其砂板巖、大理巖和綠片巖為研究對(duì)象，分析地層巖性對(duì)其岸坡巖體滲透特性的影響。左岸共完成壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)774 段，高程1580 m 以上為T(mén)2-3Z2(3～8)(大理巖)和 T2-3Z3(1～4)(砂板巖)；右岸共完成壓水試驗(yàn) 853 段，高程1650 m 至 1880 m 為 T2-3Z2(3～6)(大理巖)，低高程處為 T2-3Z2(大理巖)和T2-3Z1(綠片巖)。相比較而言，巖體透水性總體上左岸較右岸偏大，q≥100 Lu 的壓水段次多出現(xiàn)在 T2-3Z2(5～8)(大理巖)及 T2-3Z3(4)(砂板巖)中，高程相對(duì)較高。將岸坡巖體按巖性分區(qū)間劃分見(jiàn)圖2，不同巖性的巖體透水性存在一定的差異，即使同一類(lèi)型的巖體其透水性也會(huì)存在明顯不同?？傮w而言，T2-3Z1(綠片巖)可以視為隔水巖層(q＜3 Lu)，大理巖與砂板巖在岸坡為相對(duì)透水巖層，只是局部存在相對(duì)的阻水巖體，兩者透水性相當(dāng)。

圖2 綠片巖、大理巖與砂板巖不同透水性分段柱狀圖

3.3 風(fēng)化卸荷作用對(duì)巖體滲透性分布的影響

風(fēng)化卸荷程度不同會(huì)導(dǎo)致巖體滲透性分布產(chǎn)生差異，利用1#水電站岸坡巖體鉆孔壓水試驗(yàn)資料，選取鉆孔分布較多、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為豐富的橫Ⅲ、橫Ⅲ’、和橫Ⅳ剖面，將各剖面上每個(gè)鉆孔段所鉆穿巖體的風(fēng)化卸荷信息進(jìn)行整理；在對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析的基礎(chǔ)上，研究風(fēng)化卸荷程度不同的巖體滲透性分布特征。各剖面無(wú)卸荷微新巖體(弱卸荷下限以下巖體)和風(fēng)化卸荷巖體(弱卸荷下限以上巖體)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3 和圖4。

圖3 1#水電站無(wú)卸荷微新巖體滲透性分布規(guī)律

表3 1#水電站無(wú)卸荷微新巖體滲透系數(shù)與埋深的擬合結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算，根據(jù)線性擬合分析所得到的無(wú)卸荷微新巖體中滲透系數(shù)k 與深度h 的關(guān)系如表3 所示。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在無(wú)卸荷微新巖體中，各剖面巖體初始滲透系數(shù)k0分別為0.1706 m/d、0.3452 m/d、0.1169 m/d，衰減系數(shù) α 分別為 0.0122、0.0226、0.0132。由于微新巖體受風(fēng)化卸荷作用較小，其巖體較為完整，滲透性較小，因而擬合得到的初始滲透系數(shù)與衰減系數(shù)也均較小。其中橫Ⅲ剖面的滲透系數(shù)初始值和衰減系數(shù)均略大于其他剖面，從橫Ⅲ剖面中各鉆孔分布位置中可以看出，鉆孔附近斷層分布較為密集，且斷層F1、F2 透水性較強(qiáng)，屬?gòu)?qiáng)～中等透水，因而對(duì)該區(qū)域巖體滲透性影響較大，導(dǎo)致擬合得到的初始滲透系數(shù)與衰減系數(shù)偏大。

圖4 1#水電站風(fēng)化卸荷巖體滲透性分布規(guī)律

表4 1#水電站風(fēng)化卸荷巖體滲透系數(shù)與埋深的擬合結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算，根據(jù)線性擬合分析所得到的風(fēng)化卸荷巖體中滲透系數(shù)k 與深度h 的關(guān)系見(jiàn)表4。在風(fēng)化卸荷巖體中，各剖面巖體初始滲透系數(shù) k0分別為 0.7899 m/d、0.5926 m/d、0.3362 m/d，衰減系數(shù) α 分別為 0.0366、0.0520、0.0826。

首先，對(duì)比以上兩種不同風(fēng)化卸荷程度巖體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化卸荷巖體的初始滲透系數(shù)k0和衰減指數(shù)α 均大于無(wú)卸荷微新巖體。其次，從橫Ⅲ、橫Ⅲ’到橫Ⅳ剖面，巖體初始滲透系數(shù)逐漸減小，這是由于各剖面中風(fēng)化卸荷巖體裂隙發(fā)育程度有較大差異。①受地形影響，在右岸高高程Ⅲ’～Ⅲ線之間的突出山脊，卸荷更加強(qiáng)烈，深度更大。②在Ⅲ線～Ⅷ線之間，深部裂縫集中分布在水平埋深80 m～140 m 處，巖體破碎、松弛，工程地質(zhì)性狀差：其中在橫Ⅲ’和橫Ⅲ右岸高高程2850 m～2900 m和中高程2800 m～2843 m 均存在較為強(qiáng)烈的卸荷松弛，深部變形破裂普遍發(fā)育，松弛帶厚度15 m～30 m，且根據(jù)斷面裂隙統(tǒng)計(jì)資料，斷面內(nèi)裂隙也較為發(fā)育，對(duì)巖體的滲透性影響也較大；而在橫Ⅳ兩岸僅在低高程2733 m～2756 m 存在輕微松弛的深部變形破裂，巖體較為完整，破裂面張開(kāi)度多小于1 cm，因而相比于橫Ⅲ’和橫Ⅲ剖面，橫Ⅳ剖面的風(fēng)化卸荷巖體初始滲透系數(shù)較小。

4 結(jié)論

本文通過(guò)系統(tǒng)分析多個(gè)水電工程的水文地質(zhì)資料，揭示了殼狀滲透結(jié)構(gòu)對(duì)巖體滲透特性影響，并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法描述了岸坡巖體滲透特性隨地應(yīng)力、地層巖性和風(fēng)化卸荷作用的變化特征：

（1）地應(yīng)力和埋深因素：峽谷區(qū)岸坡巖體透水性深受區(qū)域地應(yīng)力影響，滲透系數(shù)隨著埋深的增加成負(fù)指數(shù)衰減，并且埋深范圍越小，擬合結(jié)果越能反映出受地應(yīng)力等因素的影響，擬合結(jié)果的相關(guān)性越強(qiáng)，越具有代表性。

（2）地層巖性因素：相同巖性的巖體擬合得到的的衰減系數(shù)基本相近，而不同巖性的巖體初始滲透系數(shù)和衰減系數(shù)差異較大，但相同巖性巖體的初始滲透系數(shù)也會(huì)存在較大不同（如2#水電站左右兩岸初始滲透系數(shù)分別為0.2085 m/d 和0.0141 m/d）。

（3）風(fēng)化卸荷因素：隨著岸坡巖體風(fēng)化卸荷程度的增加，滲透系數(shù)呈逐漸增大的趨勢(shì)。

分析結(jié)果表明巖體初始滲透系數(shù)主要受裂隙初始張開(kāi)度等的影響，而衰減系數(shù)則主要是受巖性和地應(yīng)力條件的影響；風(fēng)化卸荷巖體的初始滲透系數(shù)k0和衰減指數(shù)α 均大于無(wú)卸荷微新巖體；風(fēng)化卸荷巖體的滲透性主要受風(fēng)化和卸荷作用控制，滲透系數(shù)較大，微新巖體由于風(fēng)化卸荷作用的減小，自重應(yīng)力成為滲透性的主要控制因素，且滲透性較為微弱。