斷裂破碎帶滲透特性原位測試設(shè)備研制及初步應用

張培興，曹聰慧，吳 云

(1.河北經(jīng)貿(mào)大學管理科學與工程學院，河北 石家莊 050061； 2.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210046)

0 引 言

巖體結(jié)構(gòu)面作為高放廢物處置庫區(qū)核素遷移至人類生活環(huán)境的潛在通道，一直備受相關(guān)專家的關(guān)注[1-2]。斷裂作為大尺度結(jié)構(gòu)面，其內(nèi)部破碎帶的滲透特性參數(shù)是后續(xù)處置庫布局設(shè)計優(yōu)化以及長時間尺度的核素運移模擬等的重要參考依據(jù)。因此，其數(shù)據(jù)信息的獲取分析具有極其重要的研究價值。

目前，在原位水文測試方面，相關(guān)科研單位已基于引進的精密雙栓塞野外水文試驗設(shè)備，對高放廢物處置庫甘肅北山預選區(qū)內(nèi)深部巖體開展了系列試驗工作，進行了包括微水試驗及定壓力非穩(wěn)定流壓水試驗等在內(nèi)的多種測試[3]，積累了一批鉆孔滲透系數(shù)試驗數(shù)據(jù)，其中包括獲取了深部破碎帶等明顯導水段落的原位數(shù)據(jù)。郭永海等[4]在分析具有巖芯編錄資料的鉆孔水文數(shù)據(jù)時，曾指出場區(qū)巖體的導水性可由構(gòu)造(如斷裂)主導；李國敏等[5]也指出場址區(qū)內(nèi)部斷裂的滲透系數(shù)隨深度變化并不明顯，該區(qū)主導巖體滲透性能可能為構(gòu)造因素。但由于現(xiàn)場有限的鉆孔對處置庫工程布局設(shè)計需求來說，所獲的數(shù)據(jù)仍然十分局限，且試驗過程中一般是以固定間距的封段展開試驗，其數(shù)據(jù)僅能代表該試驗段的局部滲透結(jié)果，有時因為封孔失效而導致結(jié)果并不可靠，特別是深部巖體滲透參數(shù)的獲取，由于相關(guān)精密測試儀器一直以來受到國外技術(shù)壟斷，國內(nèi)相關(guān)研究推進只能更多依賴國際機構(gòu)的有限設(shè)備援助實現(xiàn)。近些年，付安學[6]、章楊松[7]、周圣騫[8]、鄭健[9]在初步考慮地表露頭裂隙信息與深部裂隙資料差異性的基礎(chǔ)上，提取了露頭面上的大量裂隙跡線信息，借助地表良好露頭點開展了相關(guān)的水文試驗，并針對地形等因素開展了設(shè)備研制工作，研制出了相對簡便的鉆孔內(nèi)栓塞壓水設(shè)備，可基于標準壓水試驗實現(xiàn)鉆孔內(nèi)單條裂隙的滲透參數(shù)測定。但由于栓塞的封段仍然設(shè)計成固定的形式，在破碎帶試驗過程中無法避免出現(xiàn)封孔失效的情況，造成數(shù)據(jù)獲取失敗率增加，數(shù)值誤差過大，甚至不可用。

本文以引入的便攜型示蹤儀為基礎(chǔ)，以高放廢物預選區(qū)斷裂破碎帶滲透特性探究為核心，開展針對性儀器研制測試、結(jié)果分析及討論，以期為后續(xù)更加精細化的斷裂滲透試驗研究提供技術(shù)更多參考。

1 設(shè)備研制及基本計算原理

本文借鑒了SKB在TURE系列項目中展開的鉆孔間滲透特性研究及核素遷移試驗開源資料，并以服務即將開挖的處置庫精細化多尺度結(jié)構(gòu)面滲透性研究為目的，開展了可視化的原位滲透示蹤試驗的測試工作，研制了巖體結(jié)構(gòu)面精細定位與滲透試驗段封閉試驗裝置(專利號：ZL201721406799.X)。其在接收端精確定位后，將載有示蹤接收探頭模塊的栓塞放置在固定位置，進行穩(wěn)定抽水，亦能根據(jù)研究需要不配置栓塞僅單獨放置FL-24示蹤探頭，即可實現(xiàn)孔間特定段位結(jié)構(gòu)面的精細化滲透特性測試。當滲透測試段為低滲時，可加裝一種原位鉆孔巖體結(jié)構(gòu)面可視化示蹤試驗裝置(專利號：ZL201721406800.9)配套使用。其長達70 m的測試距離，可以滿足預選區(qū)大部分場址邊界斷裂不同區(qū)段的測試需求。該裝置最大特點為根據(jù)鉆孔內(nèi)裂隙分布情況，封段測試范圍可實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)。試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置

根據(jù)郭亮[10]現(xiàn)場取樣開展的室內(nèi)試驗可知，樣品滲流試驗中存在紊流流態(tài)。但Louis等經(jīng)過大量的試驗和計算指出，實際上可不考慮這種紊流狀態(tài)仍按層流問題處理，這樣便使得計算顯著簡化而帶來的僅是一個可以忽略的誤差[11]。此外，參照裂隙面滲流模擬過程可知，詳細描述流體從1條裂隙到另1條裂隙內(nèi)的運動是不切實際的，在運移模擬中也常常采用平均速度流場來描述，因此小尺度內(nèi)的流場的具體變化則可忽略。基于以上原因，假設(shè)研究對象內(nèi)部的流體均按層流處理，便可采用達西定律求解，可得到從注水試驗段(投放孔)到不同接收孔處主導裂隙的滲透系數(shù)[12]，計算公式為

(1)

式中，K為主導裂隙滲透系數(shù)；v為示蹤儀監(jiān)測到的示蹤液實際流速；n為裂隙率，按參考文獻[13]中提出的計算模型估測裂隙數(shù)量。

將水力梯度J、鉆孔之間的間距L、注水開始到出水時間t(示蹤儀器監(jiān)測到的濃度曲線起跳點)、試驗水頭H(本研究中主要采用0.1～0.3 MPa的壓力提供恒定水頭)代入式(1)整理為

(2)

2 斷裂破碎帶滲透特性研究

2.1 精細化示蹤試驗基本過程及數(shù)據(jù)分析

以預選區(qū)內(nèi)某坑探工程中所穿越的斷裂破碎帶為研究對象，開展了可視化的原位滲透示蹤試驗的測試工作。試驗巷道及試驗點相對位置見圖2[14]。該巷道內(nèi)已先于本試驗開展了相關(guān)的斷裂破碎帶現(xiàn)場注漿加固、防滲性等測試性工作。

圖2 地下試驗巷道及試驗點相對位置(單位：m)

破碎帶鉆孔內(nèi)現(xiàn)場實際示蹤過程見圖3。首先，將利用示蹤裝置鉆孔電視定位前端放入待測鉆孔內(nèi)，緩慢向鉆孔內(nèi)部移動，識別并標記測段(見圖3a)；隨后將連接好示蹤液的栓塞放入指定位置(見圖3b)；微調(diào)栓塞間距離，控制測段范圍，調(diào)整完畢后加入壓力使栓塞膨脹緊貼鉆孔壁面，隨后加入檢測示蹤液(見圖3c)。通過鉆孔外端肉眼觀察及前端鉆孔電視，監(jiān)測鉆孔內(nèi)測段外有無滲漏情況，如有滲漏，則繼續(xù)調(diào)整測段距離或根據(jù)要求加入封堵劑；如無滲漏，壓入端便布置妥當。

圖3 破碎帶鉆孔內(nèi)實際示蹤過程

通過前端可視定位裝置，將接收探頭布置于指定的位置處后，連接好儀器后，檢測儀器能否正常接收信號，并記錄本底值數(shù)值；隨后在注入端壓入示蹤液，并做好觀察記錄。被識別出的破碎段及對應的示蹤探頭信號見圖4，該測段有暢通的裂隙通道存在，沿斷裂走向滲透性較強。

圖4 被識別出的破碎段及對應的示蹤探頭信號

通過該設(shè)備，依次開展了自鉆孔內(nèi)部至鉆孔外部多處典型段落的示蹤測試。其中，多處注漿良好段落未檢測到示蹤信號；2處大裂隙示蹤信號明顯，根據(jù)式(2)，將已知參數(shù)代入，初步獲得滲透系數(shù)為1.2×10-5～1.6×10-5m/s；1處破碎滲透表現(xiàn)良好，但接收孔內(nèi)示蹤探頭并未檢測出信號，結(jié)合前人采集的局部大樣品室內(nèi)滲流試驗可知[10]，非平行斷裂走向的其他方向可能存在優(yōu)勢滲流路徑，巷道洞壁斷裂帶示蹤試驗初步研究結(jié)果顯示，部分斷裂破碎帶內(nèi)部各單元在注漿防滲作用下整體滲透性較低，甚至形成阻水區(qū)，但局部孔隙較大區(qū)域滲透性較高。針對局部縫隙較大的破碎段，可后續(xù)考慮多次注入漿液等方式對巖體進行加強處理。

2.2 斷裂核部跨孔宏觀優(yōu)勢滲流方向

為能探查原位斷裂宏觀方向上液體流動情況，選取了高放廢物某預選區(qū)塊內(nèi)東南邊界斷裂核部～下盤破碎帶為研究對象，示蹤試驗及分析見圖5。本次試驗采用恒定水頭(0.1～0.3 MPa)的供水方式在Sk03孔內(nèi)持續(xù)注水，當流量穩(wěn)定后加入示蹤劑。

圖5 預選區(qū)內(nèi)某斷裂示蹤試驗及分析

首先于Sk02孔中放入示蹤探頭，經(jīng)過數(shù)小時后，鉆孔中并未接收到信號(見圖5a)；隨后將示蹤探頭放入Sk01孔，重復上述步驟，同樣條件下，在很短的時間內(nèi)Sk01孔內(nèi)示蹤探頭就接收到了明顯示蹤信號(見圖5b)，推測該斷裂的走向方向上存在優(yōu)勢路徑；配合前端旋轉(zhuǎn)的可視化模塊，對鉆孔內(nèi)示蹤液進行觀測檢查(見圖5c、d)，這為斷裂走向為優(yōu)勢流徑方向提供了可視化證據(jù)。進一步結(jié)合現(xiàn)有資料[13,15]綜合推測，宏觀上沿斷裂走向為其優(yōu)勢滲流方向，斷裂破碎區(qū)內(nèi)走向方向上滲透系數(shù)一般是垂直于斷裂方向上的幾倍甚至數(shù)十倍不等；而垂向能夠連通則與斷層泥的發(fā)育程度有關(guān)，斷層泥厚度極大時，斷裂的橫向?qū)⒂锌赡苄纬蛇B續(xù)阻水帶，而斷層泥發(fā)育不完全區(qū)域能否形成導水通道，其導水性能如何，有待設(shè)計更加嚴密的試驗加以細化區(qū)分[16](見圖5e)。

3 討 論

從國內(nèi)外專家針對斷裂開展的大量原位試驗發(fā)現(xiàn)，由于巖體內(nèi)部情況復雜，想要較為準確地獲取斷裂的滲透特性參數(shù)十分困難。Hjerne等[17]特別強調(diào)了水文試驗前巖體結(jié)構(gòu)識別的重要性；Lu等[18]指出看不見的多尺度裂隙巖體的復雜性增加了流體運移判識的難度；蘇銳等[19]指出任何單一的鉆孔測量技術(shù)都不能準確、完整地表述導水構(gòu)造的特征，尤其是對空間變異性較強的斷裂而言，更加難以詳盡捕捉其導水構(gòu)造特征；張培興等[20]通過現(xiàn)場試驗指出，相關(guān)的測試技術(shù)有必要進行多種方法的聯(lián)合搭配，特別是在被測體內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征能夠被識別的前提下，才能較為準確地獲得結(jié)構(gòu)體的滲透參數(shù)，也才有可能較好地解決一些重大場址區(qū)參數(shù)的測定問題，單獨的某一種滲透特性試驗很難準確獲得斷裂的滲透參數(shù)，也無法滿足未來場址更高精度的試驗需要。因此，多種方法(壓水試驗、抽水試驗、三維聲吶法及微水振蕩法等)的綜合測試是今后精細化測試發(fā)展的主要方向，并且這種方向是建立在逐漸完善的理論基礎(chǔ)與更多創(chuàng)新性試驗實踐相結(jié)合的基礎(chǔ)之上的。

值得注意的是，本文關(guān)于斷裂破碎帶滲透參數(shù)計算過程所依據(jù)達西定律中的裂隙率n取值具有很大的不確定性，如有些裂隙表面看似張開，實則內(nèi)部填充完好，而有些裂隙表面看似充填，實則內(nèi)部張開，均會對滲透系數(shù)的確定存在一定影響。筆者認為，如能借助管理學思維，在大量數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上分門別類，系統(tǒng)統(tǒng)計各類樣本的差異性與規(guī)律性，構(gòu)建經(jīng)驗判別式，可能會為類似問題解答帶來一定啟發(fā)。因此，如何將裂隙率折算到更為合理的范圍從而得到有效裂隙率，仍有很多工作要做。

最后需要說明的是，斷裂各單元滲透特性研究中，關(guān)于斷裂導阻性能的量化研究一直較為薄弱，值得引起注意。張培興[21]整理了相關(guān)的壓水試驗數(shù)據(jù)及部分示蹤數(shù)據(jù)，通過宏觀地質(zhì)跡象勘測及部分數(shù)據(jù)的初步匯總整合發(fā)現(xiàn)，斷裂的滲透性的優(yōu)勢滲流方向為斷裂走向，且滲透特性與斷裂斷距規(guī)模具有一定相關(guān)性，嘗試參照國外經(jīng)驗將所研究的幾條斷裂歸納到了關(guān)系趨勢線中，但這種相關(guān)性是否可靠，則還要依賴于更為有效的試驗手段來檢驗。很明顯，如果能夠巧妙利用具有代表性的有限鉆孔，開展不同尺度結(jié)構(gòu)面的導水性能及其優(yōu)勢路徑的精細化判識，能為場址斷裂導水特性及后續(xù)更為準確的模擬研究提供更加豐富的數(shù)據(jù)源，則有望能將場址區(qū)斷裂控水特征模式表述得更加清晰。

4 結(jié) 語

本文通過引進的巖溶區(qū)高精度儀器，并針對高放廢物處置工程這類特殊工程場景進行了必要的改進。相比傳統(tǒng)的壓水試驗，能一定程度上避免單獨的試驗所產(chǎn)生的封孔失效等不足，實現(xiàn)了多樣滲透參數(shù)的獲取，即除滲透系數(shù)外，還能進一步判識斷裂的優(yōu)勢滲透方向，為更加豐富的數(shù)據(jù)獲取與分析提供了更多可能性。

斷裂破碎帶示蹤試驗綜合研究結(jié)果初步顯示，斷裂內(nèi)部各單元在注漿加固作用下整體防滲效果良好，局部大裂隙封堵失效，仍存在明顯滲流，其滲透系數(shù)為1.2×10-5～1.6×10-5m/s；斷裂核部附近破碎帶區(qū)段沿斷裂走向方向為其優(yōu)勢滲流方向。

總體而言，斷裂破碎帶滲透特性測試裝備仍然匱乏，鮮見針對性、便攜性的成套設(shè)備，高度自主設(shè)備的研發(fā)、更新?lián)Q代相對緩慢，尤其面對即將開挖的處置庫仍有很多工作要做。這需要研究人員積極思考，進一步借鑒國內(nèi)外先進思路，積極在相關(guān)儀器開發(fā)與測試方面積累經(jīng)驗。