齊大山鐵礦西幫巖土體滲透系數(shù)參數(shù)確定

王 潤(rùn)，曹 洋，代俊杰，張 璐，陳肖肖

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司 齊大山分公司，遼寧 鞍山 114000；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114000；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

巖土體的物理力學(xué)參數(shù)影響著整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性[1-6]，邊坡的不穩(wěn)定區(qū)域和邊坡巖土體出現(xiàn)不同程度的涌水滲水現(xiàn)象[7]，極易引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。黃潤(rùn)秋[8]等使用新研發(fā)的高壓滲透儀，采用“體變量法”進(jìn)行滲透性測(cè)試，并用達(dá)西公式對(duì)試樣滲透性指標(biāo)計(jì)算分析，此方法很大程度上縮短了測(cè)試時(shí)間并且提高了測(cè)試精度；王鐵行[9]等以有明顯各向異性的黃土為對(duì)象，采用GDS 三軸滲透儀測(cè)量不同干密度原狀黃土豎直向及水平向滲透系數(shù)，結(jié)果表明原狀黃土水平向滲透系數(shù)大于豎直向滲透系數(shù)，水平向滲透系數(shù)和豎直向滲透系數(shù)均隨干密度增大而減小，原狀黃土滲透各向異性隨干密度增大而增強(qiáng)；郭大立[10]等為確定儲(chǔ)油氣層巖石的滲透特性參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的巖芯分析裝置和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)數(shù)值求解描述流體在多孔介質(zhì)中不穩(wěn)定滲流的數(shù)學(xué)模型和自動(dòng)擬合巖樣上、下流壓力隨時(shí)間的變化，建立了識(shí)別巖芯滲透率和孔隙度的最優(yōu)化模型并給出了模型的數(shù)值解法?；诖?，以鞍山齊大山鐵礦西幫為例，對(duì)西幫巖石和邊坡土樣采樣，確定巖土體的密度和滲透系數(shù)[11-14]。為查明各含水層組的巖性和富水性、埋藏條件、地下水補(bǔ)給及徑排條件等打下基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于齊大山鐵礦坐落于遼寧省中東部，距離遼寧省鞍山市約11 km，隸屬于鞍山市管轄，距沈陽(yáng)桃仙機(jī)場(chǎng)75 km，交通便利。齊大山鐵礦礦坑中心坐標(biāo)為：東經(jīng)123°06，北緯41°08′。齊大山鐵礦位于遼河沖積平原的邊緣地帶，東部緊連著千山山脈。地形比較復(fù)雜，群山起伏，東高西底，相對(duì)高差為100～200 m，礦區(qū)西側(cè)還算平坦，是一沖積平原，海拔標(biāo)高一般在37～43 m。

2 巖土滲透系數(shù)試驗(yàn)

2.1 巖體密度和滲透系數(shù)測(cè)定

1）巖樣基本物理參數(shù)。選擇構(gòu)成露天邊坡的主要巖石，包括混合巖、含鐵石英巖和綠泥片巖。從現(xiàn)場(chǎng)取樣回來(lái)，采用巖石切割儀將巖樣切成50 mm×50 mm×100 mm（其誤差不超過(guò)2 mm），加工制備而成的部分巖樣。對(duì)每組的巖樣進(jìn)行簡(jiǎn)單的密度測(cè)試，每種巖樣選擇3 個(gè)，配合直尺和電子秤測(cè)出巖樣的體積和質(zhì)量。最終測(cè)得混合巖的密度為2.44 g/cm3，含鐵石英巖的密度為2.89 g/cm3，綠泥片巖的密度為2.64 g/cm3。不同巖樣的密度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同巖樣的密度測(cè)定結(jié)果

2）巖樣試驗(yàn)原理及步驟。試驗(yàn)所采用的設(shè)備為ZYS－1 煤巖多功能三軸滲透儀。結(jié)合礦坑實(shí)際采深，取軸壓為定值10 MPa，圍壓取定值為2.5 MPa，測(cè)定滲透壓力在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa 時(shí)下的滲透系數(shù)。3 種不同巖樣的滲透系數(shù)計(jì)算如下：

式中：kT，T為水溫為T(mén) ℃時(shí)巖樣的滲透系數(shù)，按照相關(guān)規(guī)范公式可轉(zhuǎn)換成20 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)滲透系數(shù)kT，20，cm/s；△V 為在滲流穩(wěn)定后，△t 時(shí)間段內(nèi)通過(guò)試樣的滲流量，cm2；H 為試樣高度，cm；A 為試樣橫截面積，cm2；△h 為作用在試樣兩頭的水頭差，cm。

式中：σb為試驗(yàn)的滲透壓力，kPa，ρw為水的密度，t/cm3。

3）巖樣試驗(yàn)流程。用2 個(gè)對(duì)向壓頭固定巖樣，巖樣上下用防水膠帶粘貼，保證巖樣上下周圍貼合緊密。用熱縮管包裹已用黑色防水膠帶處理好的巖樣，隨后使用加熱風(fēng)筒沿著巖樣的一端從上到下加熱，直至排出內(nèi)部空氣，使得熱縮管完全貼合兩端壓頭和巖樣。將巖樣滲透系數(shù)測(cè)定的核心設(shè)備，放置于恒溫箱中。配套測(cè)試裝置包括六通閥、儲(chǔ)能器、數(shù)據(jù)采集儀、管線等等。試驗(yàn)所用的加壓泵，試驗(yàn)測(cè)試中滲透壓力的施加、軸壓定值以及圍壓定值的實(shí)現(xiàn)，均靠加壓泵配合儲(chǔ)能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4）巖樣試驗(yàn)結(jié)果。不同滲透壓力下的滲透系數(shù)如圖1?；旌蠋r的滲透系數(shù)的測(cè)定結(jié)果數(shù)值變化在2.91×10－4～4.32×10－4之間，整體看來(lái)其數(shù)值隨著滲透壓力的增大而增大。含鐵石英巖的滲透系數(shù)隨滲透壓力的變化測(cè)定的結(jié)果數(shù)值從1.14×10－9逐漸增大到4.32×10－9。綠泥片巖的滲透系數(shù)的測(cè)定結(jié)果數(shù)值變化在4.24×10－3～5.26×10－3之間，滲透壓力的增大同時(shí)也增大了巖樣的滲透性。

圖1 巖石不同滲透壓力下的滲透系數(shù)

2.2 土體密度和滲透系數(shù)測(cè)定

1）現(xiàn)場(chǎng)取樣。現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定5 個(gè)不同位置的位置進(jìn)行土體取樣，對(duì)試驗(yàn)所取土樣進(jìn)行密度測(cè)試，所用電子秤精度值為0.1 g，采用排水法測(cè)量土樣體積，試驗(yàn)進(jìn)行3 次，取土體密度平均值為1.83 g/cm3，土樣密度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 土樣密度測(cè)試結(jié)果

2）土樣試驗(yàn)原理及裝置。實(shí)驗(yàn)室采用變水頭法測(cè)定所取土體的滲透系數(shù)。試驗(yàn)時(shí)自來(lái)水的溫度在11～17 ℃，結(jié)合GB/T 50123—2019 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)裝置包括：ST55－2：①改進(jìn)型滲透儀，由環(huán)刀、透水板、套筒及上、下蓋組成，環(huán)刀直徑為61.8 mm，高度為4 mm；②水頭裝置：變水頭管的內(nèi)徑1 cm，長(zhǎng)度為1.10 m，分度值為1.0 mm；③其他裝置：切土器、秒表、溫度計(jì)、削土刀、凡士林。變水頭滲透試驗(yàn)的滲透系數(shù)應(yīng)按下列公式（3）計(jì)算：

式中：a 為變水頭管截面積，cm2；L 為滲徑，等于試樣高度，cm；Hb1為開(kāi)始時(shí)水頭，cm；Hb2為終止時(shí)水頭，cm；A 為試樣橫截面積，cm2；t 為滲流時(shí)間，s。

3）土樣試驗(yàn)流程。試驗(yàn)流程為：①用環(huán)刀在平行土樣層面切取擾動(dòng)土制備試樣，進(jìn)行充分飽和；②將容器套筒內(nèi)壁涂一薄層凡士林，將盛有試樣的環(huán)刀推入套筒，壓入止水墊圈；③把裝好試樣的滲透容器與水頭裝置連通；④在一定水頭作用下靜置一段時(shí)間，待出水管口有水溢出且穩(wěn)定時(shí)，再開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定；⑤將水頭管充水至需要高度后，關(guān)止水夾，開(kāi)時(shí)測(cè)記變水頭管中起始水頭高度和起始時(shí)間，按預(yù)定時(shí)間間隔測(cè)記水頭和時(shí)間的變化，并測(cè)記出水口的水溫。如此連續(xù)測(cè)記2～3 次后，再使水頭管水位回升至需要高度，再連續(xù)測(cè)記數(shù)次，重復(fù)試驗(yàn)5 次。

4）土樣滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。先測(cè)出對(duì)應(yīng)自來(lái)水溫度下的滲透系數(shù)，再依據(jù)上式轉(zhuǎn)換為20 ℃下的標(biāo)準(zhǔn)滲透系數(shù)，最終測(cè)得5 次的土樣的滲透系數(shù)，土樣滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 土樣滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

1）齊大山西幫主要巖樣（混合巖、含鐵石英巖、綠泥片巖）在滲流作用影響下巖石整體性較好，作為基巖層可以有效的阻隔地下水滲流。

2）根據(jù)邊坡土體的密度參數(shù)和滲透系數(shù)可知，土樣中存在著一定的黏土，由于沙礫中的黏土導(dǎo)致滲透系數(shù)值比較小，同時(shí)可推測(cè)邊坡滲水主要流經(jīng)區(qū)域?yàn)橥馏w的取樣區(qū)域。

3）研究獲得的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)將用于下一步地球物理勘探研究，為保護(hù)礦區(qū)生產(chǎn)安全與可持續(xù)發(fā)展提供一定依據(jù)。