福建某地花崗巖滲透性原位測(cè)試與評(píng)價(jià)

■葉 勇

（福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州 350002）

地下工程實(shí)踐中，對(duì)于巖體滲透系數(shù)及滲透性的測(cè)試，主要依托現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)[1-4]。 這種方法對(duì)于普通公路隧道、鐵路隧道等地下工程尚可滿足其要求，但對(duì)于特殊的地下水封洞場(chǎng)、地下核廢料處置場(chǎng)、水下隧道等對(duì)巖體滲透性要求較高的工程， 常規(guī)的水文試驗(yàn)方法就明顯呈現(xiàn)出不足，主要的問題表現(xiàn)為：（1）巖體相對(duì)完整，鉆孔中常常無水，抽水試驗(yàn)無法進(jìn)行；（2）普通壓水試驗(yàn)由于壓力較低無法得到測(cè)試結(jié)果[5-6]。 因此，類似地下水封洞場(chǎng)、地下核廢料處置場(chǎng)、水下隧道等對(duì)巖體滲透性要求較高的地下工程，為了得到其準(zhǔn)確的滲透系數(shù)和滲透性，在勘察設(shè)計(jì)階段須引入其他有效的探測(cè)方法來實(shí)現(xiàn)低滲透性巖體滲透系數(shù)的測(cè)定[7-8]。

本研究以某地花崗巖滲透性原位試驗(yàn)為例，結(jié)合其詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探、水文地質(zhì)試驗(yàn)，給出低滲透性巖體的脈沖試驗(yàn)原理、方法及測(cè)試結(jié)果，其思路和方法可為今后類似地質(zhì)條件下的滲透性測(cè)試及研究提供參考和借鑒。

1 地質(zhì)條件

場(chǎng)址區(qū)在武夷山隆起帶中段北側(cè)，位于我國東部幾個(gè)重大構(gòu)造系統(tǒng)的交接地帶， 西部是向南呈“V” 字形突出的武夷地塊， 西北側(cè)是左行平移的蒲—漳斷裂帶。 現(xiàn)有的區(qū)域地質(zhì)資料表明，場(chǎng)址區(qū)所在區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不發(fā)育，地震影響較弱。

1.1 工程地質(zhì)

1.1.1 地層巖性

根據(jù)地質(zhì)年代、成因、巖性及工程性質(zhì)的不同，場(chǎng)址區(qū)內(nèi)的地層巖性可分為2 大類：（1）第四系沉積物；（2）燕山期早白堊世花崗巖。 各類地層特征及分布情況分述如下：（1）第四系沖洪積層、殘坡積層（Q4al+pl、Q4el+dl）：呈灰褐色，灰黃色，主要成分為砂土、砂質(zhì)黏土等，厚度約1.0～3.0 m，碎屑物巖性成分為主，但總體上坡頂部位顆粒較粗，從坡上往下逐漸變細(xì)，厚度在斜坡較陡處較薄，坡腳地段較厚。由下伏花崗巖風(fēng)化殘積后，風(fēng)化碎屑物由雨水沿斜坡搬運(yùn)堆積形成。 （2）燕山期早白堊世中細(xì)粒二長花崗巖（ηγ53）和燕山期早白堊世細(xì)粒閃長巖（δ53）：場(chǎng)址區(qū)內(nèi)燕山期早白堊世花崗巖根據(jù)粒度大小、成分含量差異可細(xì)分為中細(xì)粒二長花崗巖和中細(xì)粒正長花崗巖，局部可見少量細(xì)粒正長花崗巖、細(xì)粒花崗閃長巖分布，以中細(xì)粒二長花崗巖為主，除此之外，還有因熱液侵入和動(dòng)力變質(zhì)作用產(chǎn)生的蝕變現(xiàn)象。

1.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

場(chǎng) 址 區(qū) 范 圍 內(nèi) 發(fā) 育 有4 條 斷 層（F1、F3、F4、F5）、5 條節(jié)理密集帶（J1、J2、J3、J4、J5）。 其中F1 斷層、F5 斷層和J2 節(jié)理密集帶均貫穿擬建場(chǎng)址區(qū)。F1斷層位于場(chǎng)址區(qū)中部溝谷位置， 整體走向?yàn)镾E-NW 向，傾向SW 或NE，傾角近似直立，發(fā)育牽引構(gòu)造。 在場(chǎng)址區(qū)南側(cè)附近推測(cè)被F5 斷層錯(cuò)斷，受F5 斷 層 影 響， 斷 層 走 向 由 約NW342°～346°轉(zhuǎn)向NW312°～315°。 斷層發(fā)育走向近似正南北向，傾向西，傾角60°～70°。 節(jié)理密集帶J3 位于場(chǎng)址區(qū)中部偏東，距離場(chǎng)址區(qū)東部邊界約600 m。 同時(shí)，伴隨斷層發(fā)育一系列節(jié)理，形成規(guī)模相對(duì)較大的節(jié)理密集帶，沿?cái)鄬?、?jié)理密集帶等構(gòu)造蝕變現(xiàn)象發(fā)育。 場(chǎng)區(qū)構(gòu)造分布見圖1。

圖1 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖

整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)節(jié)理走向以北西向?yàn)橹?，北東向次之，與場(chǎng)地內(nèi)主要斷層、破碎帶走向基本一致，與主洞室軸線方向大角度相交。 本場(chǎng)地主要發(fā)育壓剪節(jié)理（圖3），主要發(fā)育3 組優(yōu)勢(shì)節(jié)理：優(yōu)勢(shì)節(jié)理（1）：傾向140°～150°，走向50°～60°，傾角60°～70°；優(yōu)勢(shì)節(jié)理（2）：傾向240°～250°，走向330°～340°，傾角70°～80°；優(yōu)勢(shì)節(jié)理（3）：傾向60°～70°，走向330°～340°，傾角80°～90°。

圖2 節(jié)理走向玫瑰花圖及極點(diǎn)等密度圖

1.2 水文地質(zhì)

場(chǎng)址區(qū)內(nèi)的含水介質(zhì)主要是燕山期細(xì)粒二長花崗巖、中細(xì)粒正長花崗巖和第四紀(jì)覆蓋層，地下水主要以松散巖類孔隙水、 淺層風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水、深層脈狀裂隙水等形態(tài)存在。

松散巖類孔隙水賦存于第四紀(jì)松散覆蓋層中，其厚度1.0～3.0 m，富水性好，地下水水位相對(duì)穩(wěn)定，埋深較淺0～3.0 m，水位隨降雨變化，與河水水位變化相一致。 該部分裂隙水主要受季節(jié)性降水補(bǔ)給影響，含水層水量不大，就地補(bǔ)給，就地排泄，枯水期水量變小。 場(chǎng)址區(qū)內(nèi)觀測(cè)到多處基巖風(fēng)化裂隙滲水現(xiàn)象，是由于勘察期間雨水相對(duì)豐富，經(jīng)風(fēng)化帶內(nèi)強(qiáng)烈發(fā)育的網(wǎng)狀裂隙通道形成散流滲出。 在場(chǎng)區(qū)東北部和中間的溝谷中均發(fā)育有多處下降泉（圖3）。泉水水量受降雨影響大，勘察期間降雨前后，水流量有明顯差異。

圖3 泉水出露點(diǎn)

深層脈狀裂隙水主要賦存于中風(fēng)化帶深部及以下的巖體裂隙中，含水層弱富水性，地下水埋藏深度不一，主要受花崗巖深部由于構(gòu)造應(yīng)力作用形成的構(gòu)造裂隙控制， 與地表水的水力聯(lián)系相對(duì)較小。 深層地下水水位相對(duì)穩(wěn)定，基本不隨季節(jié)降水變化。

2 滲透性原位測(cè)試與評(píng)價(jià)

2.1 物探及鉆探

物探方法采用高密度電法探測(cè)（圖4），高密度電法極距的設(shè)定包括供電電極距AB 和測(cè)量電極距MN 的確定。 本次勘察采用溫納測(cè)量方式，測(cè)量斷面為倒梯形，測(cè)量時(shí)AM=MN=NB 為一個(gè)電極間距，A、B、M、N 逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面線； 接著AM、MN、NB 增大一個(gè)電極間距，A、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測(cè)量下去，得到倒梯形斷面。 探測(cè)結(jié)果見圖5。

圖4 高密度電法溫納測(cè)量方式示意圖

圖5 高密度電法探測(cè)成果圖

2.1.1 成果分析

WT15DF 測(cè)線方位角度北偏東70°。 測(cè)線長度800 m，有效最大測(cè)深130 m，測(cè)線沿7 號(hào)主洞室軸線布置。 由測(cè)試成果可見以場(chǎng)地中央沖溝為界，兩側(cè)電性差異明顯，西側(cè)整體視電阻率較高，東側(cè)視電阻率整體較低。 在沖溝處形成明顯的地質(zhì)界線。依據(jù)整體電性差異判定地層變化情況可見，該剖面沖溝兩側(cè)巖性整體較完整，僅在局部地區(qū)變化較為劇烈，特別是西側(cè)巖性較完整，呈現(xiàn)整體高阻特性，沖溝底部視電阻率呈規(guī)律性變化。

2.1.2 成果解釋

場(chǎng)地中央沖溝，視電阻率變化明顯，且形成兩側(cè)明顯的地質(zhì)界線， 初步推測(cè)為F1 斷層影響形成的構(gòu)造裂隙發(fā)育帶。 根據(jù)電性變化特征并結(jié)合地質(zhì)測(cè)繪，推測(cè)斷層位于溝底，斷層視傾角大于70°，視傾向整體呈平直狀向西側(cè)傾斜。 該斷層及斷層的影響區(qū)進(jìn)入洞場(chǎng)建設(shè)范圍。 由引起低電阻因素分析，斷層區(qū)形成裂隙發(fā)育，沖溝地表地勢(shì)較低，在地表形成匯水區(qū)通過斷層裂隙帶滲入，形成低阻。 沖溝東側(cè)山脊深部視電阻率整體相對(duì)較低，依據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪， 沖溝東側(cè)山脊部發(fā)育F5 斷層及節(jié)理裂隙密集帶，地表分布范圍較寬，推測(cè)東側(cè)山體受F5 斷層影響局部巖體裂隙相對(duì)較發(fā)育，裂隙間形成滲水通道，成為區(qū)域相對(duì)低阻區(qū)；底部電阻率相對(duì)較高，較完整。

2.1.3 綜合評(píng)價(jià)

WT15DF 測(cè)線成果整體反應(yīng)了地層與構(gòu)造發(fā)育情況，推斷的斷層與初步勘察、地質(zhì)調(diào)查整體吻合，本次勘探對(duì)斷層區(qū)及斷層影響區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)圈定。 F1 斷層在深部影響變?nèi)?，且向西傾斜，影響寬度15～25 m。 建議在沖溝東側(cè)山坡部位進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證， 以揭露山坡下部低阻區(qū)地層裂隙發(fā)育情況，待鉆探完成后對(duì)成果進(jìn)行驗(yàn)證修正。

通過東側(cè)山坡段鉆孔揭露，0～110 m 深度范圍內(nèi)巖芯較破碎，部分巖芯照見圖6。

圖6 鉆孔巖芯圖

2.2 滲透性原位試驗(yàn)分析

2.2.1 試驗(yàn)方法及流程

根據(jù)花崗巖體滲透性研究需要， 結(jié)合壓水試驗(yàn)、脈沖試驗(yàn)的滲透性適用范圍（表1），參考NB/T 35113-2018《水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》選取試驗(yàn)段幾個(gè)壓力階段的壓力值。 孔內(nèi)水文試驗(yàn)以階梯壓水試驗(yàn)為主，當(dāng)遇到滲透性偏低的試驗(yàn)段，第一階段的壓水流量Q1、第二階段的壓水流量Q2 低于0.05 L/min 時(shí)，轉(zhuǎn)入下一階段的壓水試驗(yàn)；當(dāng)最大試驗(yàn)壓力P3 保持在1.5 MPa 且壓水流量Q3 低于0.05 L/min 時(shí) （9 m 長度試驗(yàn)段對(duì)應(yīng)的透水率q 低于3.54×10-3Lu），則終止壓水試驗(yàn)，改做更適用于極微透水巖體的脈沖試驗(yàn)（圖7）。

表1 鉆孔水文地質(zhì)試驗(yàn)方法匯總

圖7 孔內(nèi)水文試驗(yàn)流程

2.2.2 試驗(yàn)原理

壓水試驗(yàn)的原理參見NB/T 35113-2018 《水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》。 在脈沖試驗(yàn)中，需要獲得施加壓力脈沖后，試驗(yàn)段水頭隨時(shí)間變化與巖層滲透性之間的關(guān)系。 為此提出如下3 個(gè)假設(shè)：（1）水在巖石中滲透滿足達(dá)西定律；（2）所加瞬態(tài)脈沖壓力對(duì)試驗(yàn)段巖層的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擾動(dòng)忽略不計(jì)，即瞬態(tài)壓力對(duì)巖層固有的滲透性不產(chǎn)生影響；（3）在試驗(yàn)段內(nèi)，水的滲流為一維徑向流動(dòng)，且滲透率為各向同性。 在上述假設(shè)下，試驗(yàn)段附近滲流場(chǎng)的連續(xù)性方程、初始條件及邊界條件可用以下表達(dá)式來描述：

式中：h 為試驗(yàn)段巖層的水頭；r 為距測(cè)井中心的徑向距離；S 為試驗(yàn)段儲(chǔ)水系數(shù)；T 為試驗(yàn)段導(dǎo)水系數(shù)；rs為試驗(yàn)段測(cè)井半徑；Vw為試驗(yàn)系統(tǒng)中水的體積；Cw為水的壓縮系數(shù)；ρw為水的密度；g重力加速度。

對(duì)式（1）～（6）進(jìn)行拉普拉斯變換處理，可得

式中：J0（u），J1（u），Y0（u），Y1（u）分別為第一類和第二類0 階與1 階貝塞爾函數(shù)， 對(duì)于給定的值α，可求得H/H0～β 的曲線，而對(duì)于不同的α 值，則可得到一組H/H0～β 的曲線，稱之為標(biāo)準(zhǔn)曲線，當(dāng)α 分別等于1、0.8、0.6、0.4、0.2、0.1、0.08、0.04、0.01、0.008、0.004、10-3、10-4、10-5時(shí)， 把求解的曲線畫在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，作為圖解法求解滲透率的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)場(chǎng)區(qū)場(chǎng)地地形， 開展孔內(nèi)試驗(yàn)的35 個(gè)試驗(yàn)鉆孔分為東部的19 個(gè)鉆孔（XK26～XK35、XK44、XK45、XK45A、XK46～XK49、XK51、XK54）和西部的16 個(gè) 鉆 孔（XK03 ～XK09、XK12 ～XK14、XK17 ～XK19、XK52、XK53、XK55），鉆孔布設(shè)示位置如圖8所示：

圖8 鉆孔布設(shè)位置及滲透性

本研究給出2 個(gè)典型試驗(yàn)孔的數(shù)據(jù)，具體如下：

（1）XK14 鉆孔設(shè)計(jì)試驗(yàn)段長度為8 m，共完成17 個(gè)試驗(yàn)段，覆蓋孔內(nèi)30.15～166.15 m 孔段。 匯總XK14 鉆孔壓水及脈沖試驗(yàn)成果見表2， 該孔段壓水試驗(yàn)居多，滲透系數(shù)相對(duì)較高，滲透性系數(shù)數(shù)量級(jí)范圍為10-4～10-2，其中第1 段次（30.15～38.15 m），滲透性系數(shù)為2.054×10-2m/d， 根據(jù)GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中巖土體滲透性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，巖體滲透性等級(jí)為弱透水性，其余段為微—極微透水性。

表2 XK14 鉆孔的水文試驗(yàn)成果

（2）XK46 鉆孔累計(jì)完成15 個(gè)試驗(yàn)段，覆蓋孔內(nèi)31.17～166.17 m 孔段，其中有3 個(gè)脈沖試驗(yàn)段，12 組壓水試驗(yàn)段（表3）。 通過壓水試驗(yàn)， 查證出XK46 鉆孔主要導(dǎo)水構(gòu)造集中在121.17～130.17 m，滲透性等級(jí)達(dá)到了中等透水，76.17～85.17 m 孔段滲 透 性 等 級(jí) 為 弱 透 水；139.17 ～157.17、94.17 ～103.17 m 孔段滲透性等級(jí)為微透水。 總體上看，XK46 鉆孔滲透性較強(qiáng)， 鉆孔揭露含水構(gòu)造具有較好的空間展布情況、導(dǎo)水性和地下水賦存條件。

表3 XK46 鉆孔的水文試驗(yàn)成果

匯總XK03～XK09、XK12～XK14、XK17～XK19、XK26 ～XK35、XK44、XK45、XK45A、XK46 ～XK49、XK51～XK55 等35 個(gè)鉆孔的孔內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，編制了上述鉆孔中試驗(yàn)段滲透系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布圖（圖8、圖9），可知在未剔除淺部風(fēng)化帶且不區(qū)分巖體與構(gòu)造的情況下，仍有超過75%的試驗(yàn)段滲透性等級(jí)可歸為極微透水（k≤8.64×10-4m/d），反映了場(chǎng)區(qū)鉆孔揭露的巖體與構(gòu)造總體上低滲透性特征較為明顯。

圖9 場(chǎng)區(qū)35 個(gè)鉆孔滲透系數(shù)頻數(shù)分布圖

3 結(jié)論

對(duì)于類似花崗巖的滲透性較低巖體，其滲透性的研究需要在結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上開展，并根據(jù)物探、鉆探成果針對(duì)不同巖體質(zhì)量段落分別采用壓水試驗(yàn)或脈沖試驗(yàn)。 當(dāng)巖體較破碎時(shí)，應(yīng)采用常規(guī)的壓水試驗(yàn)；當(dāng)巖體較完整，壓水試驗(yàn)難以得到有效的滲透系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，須采用壓力脈沖試驗(yàn)進(jìn)行滲透系數(shù)測(cè)量。

采用壓力脈沖試驗(yàn)對(duì)低滲透性巖體的滲透系數(shù)測(cè)量，脈沖工藝控制是關(guān)鍵，必須依托鉆孔巖芯揭示的巖體質(zhì)量，采用有效的跨接式封隔器系統(tǒng)將脈沖試驗(yàn)段與其他鉆孔段落有效分隔；再采用高效的高壓水泵向試驗(yàn)段快速注水增壓，通過實(shí)時(shí)記錄壓力隨時(shí)間的衰減測(cè)定巖體的滲透系數(shù)。 該方法對(duì)于低滲透性巖體滲透系數(shù)的測(cè)定不但結(jié)果精確，而且操作方便、快捷，尤其適用于低滲透系數(shù)巖體的測(cè)試。

本研究探測(cè)實(shí)例表明， 通過壓力脈沖試驗(yàn)得到的完整花崗巖巖體的原位滲透系數(shù)多介于10-7～10-3m/d， 與同類巖體壓水試驗(yàn)測(cè)試資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相比，其滲透系數(shù)值更加集中并且精度更高。