——以巴郎山隧道為例"/>
王 彪,趙 瑞*,李云松,許 模,劉曉輝,胡安奎
(1.西華大學(xué)流體及動力機(jī)械教育部重點(diǎn)實驗室,四川 成都 610039;2.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,四川 成都 610039;3.四川國投環(huán)保科技有限公司,四川 成都 610051;4.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室,四川 成都 610059)
人類工程活動和工程實踐的開展都與工程巖體密不可分,而巖體作為重要的工程材料和載體,其滲透性對工程的穩(wěn)定性和安全性有著非常重要的影響。巖體中存在的各種裂隙、空隙為流體和氣體的通過提供了滲透通道,尤其是在水利水電工程和隧道工程中,巖石的高滲透性可能導(dǎo)致潰壩、潰堤、涌水等重大滲透破壞。目前關(guān)于巖石滲透率研究的熱點(diǎn)主要集中在高滲透性介質(zhì)的流固耦合滲流方面。如Jiang等通過對頁巖進(jìn)行水壓-應(yīng)力耦合下的三軸循環(huán)加卸載力學(xué)試驗,分析了頁巖在孔隙水壓與循環(huán)應(yīng)力耦合作用下的變形特征;楊秀榮等選取吉林省甄峰嶺隧道區(qū)石灰?guī)r為研究對象,分析了不同圍壓作用下破裂石灰?guī)r的滲透率隨凈圍壓和滲透壓的變化規(guī)律;張俊文等開展了無水與排水條件下砂巖應(yīng)力-滲流耦合試驗,得到砂巖變形全過程中應(yīng)力-應(yīng)變和滲透率的演化曲線,獲得了應(yīng)力-滲流耦合下砂巖的變形、強(qiáng)度和滲透率的演化規(guī)律;張俊文等對深部砂巖進(jìn)行了高地應(yīng)力狀態(tài)還原下的“三階段”加卸載應(yīng)力-滲流耦合試驗,得到了深部砂巖變形全過程中應(yīng)力-應(yīng)變和滲透率的演化曲線,較好地表征了應(yīng)力-滲流耦合下深部砂巖的力學(xué)響應(yīng)行為及其破壞特征;張培森等開展了不同圍壓條件下紅砂巖水-力耦合試驗,研究了不同圍壓條件下不同損傷程度紅砂巖的滲流特性,推導(dǎo)了巖石損傷指標(biāo)與巖石滲透率的關(guān)系式,揭示了巖石滲透率隨巖石損傷指標(biāo)變化的演化規(guī)律。
綜上研究可見,前人的研究主要是對石灰?guī)r、頁巖和砂巖等進(jìn)行加卸載直至破壞的全過程中巖石滲透率隨圍壓、應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及不同損傷程度的變化規(guī)律,并且大多數(shù)是選取的工程中常見的低地應(yīng)力、低海拔地區(qū)的巖樣滲透率進(jìn)行試驗,針對工程實踐中低氣溫、強(qiáng)風(fēng)化、高地應(yīng)力、凍害嚴(yán)重和環(huán)境條件惡劣的高海拔地區(qū)巖樣滲透率的研究較少,也少有考慮所選區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用的影響。鑒于此,本文使用STY-2型氣體滲透率儀和專門用于地層圍壓條件下巖石孔隙度和滲透率測量的YKS-II型智能覆壓巖心孔滲聯(lián)測系統(tǒng)儀器,對平均海拔為4 000~4 500 m的川西高原地區(qū)巴郎山隧道中低滲透率的砂巖和板巖巖樣進(jìn)行了應(yīng)力場-滲流場耦合試驗,研究了不同圍壓作用下該地區(qū)典型的代表性巖樣——砂巖和板巖滲透率的變化特性及其規(guī)律,從而為探討巖石滲透性能受巖性、構(gòu)造作用強(qiáng)度、構(gòu)造部位、風(fēng)化、圍壓等因素的影響程度提供一定的參考依據(jù)。此外,通過研究和評價巖體在不同圍壓作用下滲透率的變化規(guī)律,可進(jìn)一步分析地下含水介質(zhì)的類型,建立隧道涌水量計算評價體系,分析隧道施工過程中可能出現(xiàn)的集中涌水段與突水點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上對隧道涌水的危險性進(jìn)行分級研究,進(jìn)一步評價隧道涌水對工程與環(huán)境的影響,從而提出有效的防治措施,指導(dǎo)隧道設(shè)計和施工,對于隧道(涌)突水地質(zhì)災(zāi)害防治具有重要的意義。
川西高原位于青藏高原東側(cè),海拔為3 500~5 000 m左右,北面與柴達(dá)木盆地相鄰,南接云貴高原,西面與藏北高原相接,東鄰西秦嶺、崛山和四川盆地。川西高原經(jīng)歷了強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動,尤其是喜馬拉雅運(yùn)動,使大多數(shù)巖石產(chǎn)生了變質(zhì)作用,形成了以淺變質(zhì)的板巖、砂巖、千枚巖、大理巖和蝕變玄武巖等為主的巖石。由于印度板塊對歐亞板塊的擠壓,其北部發(fā)生了強(qiáng)烈的褶皺斷裂和抬升,逐步形成了川西高原山高谷深、地形切割強(qiáng)烈的特殊地貌。川西高原地殼比較破碎,主要是以鮮水河斷裂帶、理塘斷裂帶等為代表,有以北西、北東和近南北方向為主的大斷裂帶(見圖1)。正是因為斷裂帶的影響,川西高原的褶皺強(qiáng)烈,巖石受構(gòu)造的影響嚴(yán)重,巖石節(jié)理裂隙發(fā)育,巖層產(chǎn)狀多變。
圖1 川西高原及鄰區(qū)大地構(gòu)造分布圖Fig.1 Tectonic map of Western Sichuan Plateau and its adjacent areas注:①武山-天水?dāng)嗔眩虎谂R譚-岷縣-鳳縣斷裂;③瑪沁-略陽斷裂帶;④岷江斷裂帶;⑤黑水?dāng)嗔褞?;⑥鮮水河-安寧河斷裂;⑦甘孜-理塘斷裂;⑧金沙江斷裂;⑨青川-茂汶斷裂;⑩北川-映秀斷裂
圖2 巴郎山隧道隧址區(qū)地形地貌特征Fig.2 Topographic and geomorphic characteristics of Balang Mountain tunnel site
本次試驗主要使用的儀器設(shè)備包括STY-2型氣體滲透率儀和YKS-II智能型覆壓巖心孔滲聯(lián)測系統(tǒng)儀器。其中,STY-2型氣體滲透率儀用于常規(guī)的巖石滲透率測試,其原理是基于修正后的達(dá)西方程進(jìn)行設(shè)計,具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測定速度快、精度高、誤差范圍小等特點(diǎn),是常規(guī)巖心分析必不可少的試驗裝置;YKS-II智能型覆壓巖心孔滲聯(lián)測系統(tǒng)儀器(見圖3)用于圍壓滲透率的測試,尤其適用于地層壓力條件下巖石孔隙度和巖石滲透率的測試,其技術(shù)原理包括:①巖石滲透率測試采用氣體穩(wěn)態(tài)滲流達(dá)西定律;②巖石孔隙度測試依據(jù)氣體等溫變換原理,即玻馬定律。
圖3 YKS-Ⅱ智能型覆壓巖心孔滲聯(lián)測系統(tǒng)儀器Fig.3 Equipment of YKS-Ⅱ intelligent overburden pressure core porosity and permeability joint measurement system
2.2.1 室內(nèi)常規(guī)巖石滲透率測試
本次試驗共取18塊鉆孔完整巖石試樣進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)巖石滲透率測試,巖樣巖性為砂巖和板巖,其中分別取自鉆孔ZK02和ZK03的完整巖石各9塊(取樣原則為根據(jù)鉆孔深度平均取樣),按照試驗規(guī)格將其制成直徑為5 cm、高度為5 cm的圓柱體巖樣(見圖4),然后將巖樣浸泡48 h,使用STY-2型氣體滲透率儀進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)巖石滲透率測試。
圖4 巖石試樣Fig.4 Rock sample
2.2.2 室內(nèi)不同圍壓下巖石滲透率測試
本次試驗共取3塊鉆孔完整巖石試樣進(jìn)行室內(nèi)不同圍壓下巖石滲透率測試,巖樣巖性為砂巖和板巖,其中鉆孔ZK02中取砂巖和板巖的完整巖石試樣各1塊,鉆孔ZK03中取砂巖的完整巖石試樣1塊。測試前先依據(jù)取樣巖石所在的鉆孔深度計算出相應(yīng)的巖石自重應(yīng)力(見表1),然后合理設(shè)置幾個圍壓荷載(圍壓依次為<巖石自重應(yīng)力、>巖石自重應(yīng)力、<巖石自重應(yīng)力),在保證巖石不被破壞的前提下,進(jìn)行加壓和減壓試驗。
表1 研究區(qū)取樣巖石的自重應(yīng)力值Table 1 Gravity stress values of sampled rock inthe study area
STY-2型氣體滲透率儀和YKS-II覆壓巖心孔滲聯(lián)測系統(tǒng)儀器的工作原理是基于達(dá)西定律和玻馬定律進(jìn)行修正和優(yōu)化的。
根據(jù)達(dá)西方程:
(1)
式中:Q
為流體的流量(mL/s);k
為巖石的滲透率(cm或D);A
為巖石試樣的橫截面積(cm);μ
為流體的黏度(Pa·s);ΔP
為進(jìn)口與出口段流體的壓力差(MPa);L
為巖石試樣的長度(cm)。由上式可得到巖石的滲透率為
(2)
由玻馬定律有:
(3)
(4)
研究區(qū)兩個鉆孔巖樣常規(guī)巖石滲透率的測試結(jié)果,見表2。
根據(jù)表2兩個鉆孔巖樣巖石滲透率的測試結(jié)果,繪制研究區(qū)兩個鉆孔ZK02和ZK03的巖石滲透系數(shù)隨鉆孔深度的變化曲線,見圖5。
表2 研究區(qū)鉆孔ZK02和ZK03巖樣常規(guī)巖石滲透率的測試結(jié)果Table 2 Permeability test results of routine rock samples in borehole ZK02 and ZK03 in the studyarea
圖5 研究區(qū)鉆孔ZK02和ZK03的巖石滲透系數(shù)隨 鉆孔深度的變化曲線Fig.5 Variation curves of rock permeability coefficient in borehole ZK02 and ZK03 with the depth of boreholes
由圖5可見,隨著鉆孔深度的增大,砂巖和板巖的滲透系數(shù)相差不大,變化幅度很小,說明巖性的不同對巖石滲透率的影響很??;但在50 m和125 m鉆孔深度附近,鉆孔ZK02和ZK03存在巖石滲透系數(shù)異常變化的突變點(diǎn)。
結(jié)合巴郎山隧道縱剖面示意圖(見圖6)、現(xiàn)場勘測和鉆孔數(shù)據(jù)分析可知,由于兩個鉆孔均在巴郎山隧道的出、入口附近,該處坡面較陡,表層巖土風(fēng)化剝蝕較為嚴(yán)重,所取鉆孔穿越夾金山倒轉(zhuǎn)向斜,其受到巴郎山隧道隧址區(qū)夾金山倒轉(zhuǎn)向斜褶皺帶的影響,向斜在隧址區(qū)軸線近東西向,槽部地層為三疊系上統(tǒng)侏倭組,兩翼地層為三疊系中統(tǒng)雜谷腦組,兩翼地層均陡傾北西,軸面多次扭折,地層遭受強(qiáng)烈擠壓,褶皺帶巖石的節(jié)理、裂隙較為發(fā)育,此區(qū)段的鉆孔巖樣的滲流通道增多,其滲透性增大,所以存在巖石滲透系數(shù)異常變化的突變點(diǎn)。因此,在川西高原地區(qū)巴郎山高地應(yīng)力隧址區(qū),砂巖和板巖巖性的變化和鉆孔深度的遞增對巖石滲透性的影響較小,而地質(zhì)構(gòu)造如褶皺和斷層是引起深埋隧道巖石滲透系數(shù)突變的主導(dǎo)因素。這是巴郎山隧道深埋隧址區(qū)巖體滲透性變化的特點(diǎn),也是構(gòu)建該區(qū)域水文地質(zhì)模型過程中需要考慮的重點(diǎn)。
圖6 巴郎山隧道縱剖面示意圖Fig.6 Longitudinal section diagram of Balang Mountain tunnel
研究區(qū)鉆孔ZK02和ZK03巖樣在不同圍壓下巖石滲透率的測試結(jié)果,見表3和表4。
表3 研究區(qū)鉆孔ZK02砂巖和板巖在不同圍壓下巖石滲透率的測試結(jié)果Table 3 Test results of sandstone and slate permeabilityin borehole ZK02 in the study area underdifferent confining pressure
表4 研究區(qū)鉆孔ZK03砂巖在不同圍壓下巖石滲透率的測試結(jié)果Table 4 Test results of sandstone permeability in boreholeZK03 under different confining pressure
根據(jù)表3和表4兩個鉆孔巖樣在不同圍壓下巖石滲透率的測試結(jié)果,繪制研究區(qū)兩個鉆孔ZK02和ZK03的巖石滲透率隨圍壓的變化曲線,見圖7。
圖7 研究區(qū)鉆孔ZK02和ZK03巖石滲透率隨圍壓的 變化曲線Fig.7 Curves of rock permeability variation with confining pressure in borehole ZK02 and ZK03 in the study area
由圖7可見,當(dāng)圍壓小于巖石自重應(yīng)力加壓時,巖石滲透率均急劇減小,當(dāng)圍壓加載到與巖石自重應(yīng)力相當(dāng)?shù)暮奢d時,巖石滲透率最??;當(dāng)圍壓加載到超過巖石自重應(yīng)力的荷載再減壓時,巖石滲透率剛開始變化甚微,但是隨著圍壓的不斷減小,巖石滲透率開始緩慢增大,不過最終巖石滲透率仍達(dá)不到初始的水平,并且相差甚遠(yuǎn)。
分析圍壓加載過程中巖石滲透率的變化曲線可以得到:①當(dāng)圍壓增大時,巖石滲透率逐步下降,且變化趨勢劇烈,說明圍壓作用下巖石中的部分孔隙、喉道和裂隙等滲漏通道被擠壓、堵塞,其滲透能力減弱,巖石滲透率降低;②巖石滲透率隨著圍壓的增大而減小的過程中,當(dāng)圍壓為6 MPa左右時,巖石滲透率隨圍壓的增大存在一個拐點(diǎn),當(dāng)圍壓小于6MPa時,巖石滲透率隨圍壓的增大而陡傾下降,而當(dāng)圍壓大于6MPa時,巖石滲透率隨圍壓的增大而平緩下降;③同一個鉆孔ZK02的不同巖樣(砂巖和板巖)巖石滲透率隨圍壓的增大,其下降程度和變化率的差別較大:當(dāng)圍壓從2 MPa增加到6 MPa時,鉆孔ZK02砂巖滲透率下降了96.24%,而鉆孔ZK02板巖滲透率下降了86.65%,并且隨著圍壓的增大,不同鉆孔ZK02和ZK03的同一種巖性巖樣(砂巖)巖石滲透率的下降程度和變化率也不一樣:當(dāng)圍壓從2MPa增加到4MPa時,鉆孔ZK02砂巖滲透率下降了86.09%,而鉆孔ZK03砂巖滲透率下降了92.54%。
分析圍壓卸載過程中巖石滲透率變化曲線可以得到:①卸圍壓過程中,巖石滲透率緩慢增大,說明原來在圍壓作用下巖石中發(fā)生的孔隙、裂隙的擠壓變形隨著圍壓的減小,有一部分滲流通道得以恢復(fù),巖石滲透率又逐漸增大;②當(dāng)圍壓卸載到最初始的加壓水平時,巖石滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)恢復(fù)不到最初的大小,說明圍壓加、卸載過程使得巖石中部分孔隙和裂隙發(fā)生了破壞,巖石的各項參數(shù)也發(fā)生了變化;③根據(jù)鉆孔巖石滲透率隨圍壓的變化曲線的趨勢和走向可知,同一個鉆孔ZK02的不同巖樣(砂巖和板巖)滲透率隨圍壓的減小,其恢復(fù)程度和變化率的差別較大,而且不同鉆孔ZK02和ZK03的同一種巖性巖樣(砂巖)巖石滲透率隨圍壓的減小,其恢復(fù)程度和變化率也不同。
綜上分析可見,通過對圍壓加載、卸載過程中巖石滲透率的測試,可以模擬得到巖體滲透性隨隧道深度增加以及隨隧道施工開挖前后圍壓增大和圍壓減小后的變化規(guī)律,這對掌握隧道施工開挖前后巖石滲透率的變化而引起的隧道涌水量的變化具有一定的工程指導(dǎo)意義,也可為進(jìn)一步評價該區(qū)域巖體滲透性、計算隧道涌水量等提供依據(jù)和參考。但是本文所選取的鉆孔巖樣有限,不同圍壓所對應(yīng)的巖石滲透率的測點(diǎn)值只選取了幾個比較典型的區(qū)段值,特別是圍壓卸載階段巖石滲透率的變化很小,選取的測點(diǎn)值較少,得到的模擬結(jié)果只是巖石滲透率隨不同圍壓變化的大致趨勢和走向,而對細(xì)微的規(guī)律變化沒有進(jìn)行更細(xì)致的刻畫和研究,不同圍壓不同損傷程度下巖石滲透特性和隧道涌水量的變化將是下一步研究的重點(diǎn)。
為了定性和定量地表征研究區(qū)巖石滲透率與圍壓之間的關(guān)系,結(jié)合前人的研究成果,根據(jù)流固耦合試驗,擬合得到巖石滲透率與有效圍壓的關(guān)系主要有以下3種函數(shù)關(guān)系式:
冪律函數(shù)關(guān)系式:y=ax
指數(shù)函數(shù)關(guān)系式:y=a
e多項式函數(shù)關(guān)系式:y=ax
+bx
+c
式中:y
為巖石滲透率(×10μm);x
為圍壓(MPa);a
,b
,c
為待定系數(shù)。前人對于巖石滲透率與圍壓關(guān)系曲線的擬合和研究中大多數(shù)是滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系式和多項式函數(shù)關(guān)系式。但通過對圖7中巖石滲透率與圍壓關(guān)系曲線的形態(tài)分析以及應(yīng)用以上3種函數(shù)關(guān)系式對本次應(yīng)力-滲流耦合試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果發(fā)現(xiàn):使用冪律函數(shù)關(guān)系式擬合得到的擬合曲線的擬合優(yōu)度R
最高,也最能反映試驗數(shù)據(jù)的實際曲線的變化規(guī)律,滿足試驗的要求。因此,本文采用冪律函數(shù)關(guān)系式(y=ax
)對研究區(qū)鉆孔ZK02和ZK03巖樣在圍壓加卸、載過程中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,其擬合結(jié)果見表5。表5 研究區(qū)鉆孔ZK02和ZK03巖樣在不同圍壓下巖石滲透率與圍壓之間冪律函數(shù)關(guān)系的擬合結(jié)果Table 5 Fitting results of power law relationshipbetween permeability of experimental rocksamples and confining pressure in boreholeZK02 and ZK03 in the study area underdifferent confining pressures
由表5可知,圍壓加載過程中研究區(qū)兩個鉆孔巖樣的巖石滲透率隨圍巖變化的擬合曲線的擬合優(yōu)度R
均在0.99左右,而圍壓卸載過程中其擬合曲線的擬合優(yōu)度R
也在0.91左右,表明總體上擬合精度較高。根據(jù)表5的擬合結(jié)果,將研究區(qū)兩個鉆孔ZK02和ZK03巖樣的巖石滲透率與圍壓之間冪律函數(shù)關(guān)系的擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)趨向曲線進(jìn)行了對比,其結(jié)果見圖8。
圖8 研究區(qū)兩個鉆孔巖樣的巖石滲透率隨圍壓變化的擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)趨向曲線的對比Fig.8 Comparison between fitting curves and trend curves of rock sample permeability variation with confining pressure in borehole ZK02 and ZK03 in the study area
由圖8可見,研究區(qū)不同鉆孔、不同巖樣的巖石滲透率隨圍壓變化的擬合曲線在圍壓加載階段大致與試驗數(shù)據(jù)的趨向曲線重合,雖然拐點(diǎn)的位置有一定區(qū)別,但是總體上擬合曲線的擬合效果較好,擬合精度較高;而在圍壓卸載階段,巖石滲透率的變化極為細(xì)微,由于試驗測點(diǎn)有限,其擬合曲線的擬合精度不高,但其擬合優(yōu)度R
也在0.9以上,說明研究區(qū)巖石滲透率隨圍壓的變化規(guī)律可用冪律函數(shù)關(guān)系式大致反映,這將對該地區(qū)隧道開挖和支護(hù)后巖石滲透率的變化而引起的隧道涌水量的變化分析有一定的借鑒意義。本文通過對川西高原地區(qū)巴郎山隧道中鉆孔巖樣進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)巖石滲透率的測試和不同圍壓下巖石滲透率的測試,得出如下結(jié)論:
(1) 在不設(shè)置圍壓的情況下,隨著鉆孔深度的增加,砂巖和板巖的滲透系數(shù)相差不大,波動性較小,即說明在川西高原地區(qū)巴郎山隧道隧址區(qū),砂巖和板巖巖性的不同以及鉆孔深度的變化對于巖石滲透率的變化不是主要影響因素。而在淺地表處出現(xiàn)巖石滲透系數(shù)異常增大的突變點(diǎn)是由于鉆孔穿越了巴郎山隧道隧址區(qū)的夾金山倒轉(zhuǎn)向斜褶皺帶,其軸面多次扭折,巖石節(jié)理、裂隙十分發(fā)育,導(dǎo)致研究區(qū)段的巖石比較破碎,巖石的孔隙和裂隙增多。因此,在隧道施工、維護(hù)和運(yùn)營以及水文地質(zhì)模型構(gòu)建的過程中,應(yīng)該重點(diǎn)考慮地質(zhì)構(gòu)造如褶皺、斷層對于巖石滲透系數(shù)的影響。
(2) 隨著圍壓的變化(圍壓依次為<巖石自重應(yīng)力、>巖石自重應(yīng)力、<巖石自重應(yīng)力),巖石滲透率的總體變化趨勢是在圍壓加載過程中巖石滲透率急劇減小,此后在圍壓卸載過程中巖石滲透率又緩慢回升,但回升的路徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原始路徑,即巖石滲透率恢復(fù)不到初始水平,說明圍壓加、卸載過程中會對巖石中的孔隙、裂隙和喉道產(chǎn)生一定的破壞,圍壓加、卸載過程對巖石滲透率的影響是不可逆的。
(3) 通過對研究區(qū)兩個鉆孔巖樣在圍壓加、卸載過程中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖石滲透率隨著圍壓的增大而減小,且服從冪律函數(shù)分布,擬合得到的擬合曲線精度很高,與試驗數(shù)據(jù)的實際曲線吻合度較高,說明擬合的參數(shù)合理,能體現(xiàn)和量化川西高原地區(qū)巴郎山隧道隧址區(qū)鉆孔巖樣滲透率隨圍壓的變化規(guī)律,與工程實際情況相符合,這對掌握隧道開挖前、后巖石滲透率的變化而引起的隧道涌水量的變化具有一定的指導(dǎo)意義,也可為進(jìn)一步評價該地區(qū)巖體滲透性、計算隧道涌水量和水文地質(zhì)模型的構(gòu)建提供依據(jù)。