摘要" :裂隙巖體滲透系數(shù)的確定方法有許多,每種方法都有其相應(yīng)的特點和適用條件,因此選用合適的滲透系數(shù)對水利水電工程滲流分析至關(guān)重要。以澤雅水庫泄放洞工程為例,在3個勘探孔中采用注水試驗、壓水試驗和連通試驗分別對滲透系數(shù)進(jìn)行計算分析。結(jié)果顯示,不同試驗方法計算的滲透系數(shù)相差較大,可達(dá)到1~4個數(shù)量級,表明裂隙巖體具有強烈的非均質(zhì)各向異性。各方法均適用于裂隙巖體的滲透系數(shù)計算,但針對實際工程,尺度越小則巖體非均質(zhì)性越明顯,采用連通試驗結(jié)果較好;尺度越大則巖體均質(zhì)性越好,選擇注水試驗和壓水試驗比較合適。研究結(jié)果可為滲流定量計算提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞 :裂隙巖體;滲透系數(shù);注水試驗;壓水試驗,連通試驗
中圖分類號:P641"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A"" 文章編號:1004-0366(2024)05-0132-06
裂隙巖體有其獨特的水文、工程地質(zhì)特性,對水庫、大壩、水力發(fā)電站等大型水利水電工程的安全性有重要影響[1]。對裂隙巖體進(jìn)行滲流分析時,滲透系數(shù)選擇的正確與否直接關(guān)系到滲透情況判斷的合理性[2]。目前存在許多確定裂隙巖體滲透系數(shù)的方法,主要有現(xiàn)場水力試驗法[3]、室內(nèi)試驗法[4]、反演分析法[5]、離散裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流數(shù)值試驗法[6]等。袁博文等[7]在某水庫工程的現(xiàn)場鉆孔壓水試驗基礎(chǔ)上,提出了鉆孔壓水試驗非穩(wěn)定滲流反演擬合法,確定了壩肩巖體的滲透系數(shù);沈歡等[8]在江西某蓄電站現(xiàn)場示蹤試驗的基礎(chǔ)上,根據(jù)試驗結(jié)果對多重裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分級,并確定各級裂隙網(wǎng)絡(luò)的滲透參數(shù);韓楊等[9]以鐵路隧道灰?guī)r裂隙為研究對象,通過室內(nèi)試驗,研究了垂直交叉裂隙巖體滲透系數(shù)與裂隙特征之間的關(guān)系;江連?。?0]采用參數(shù)反演分析法建立了大坂水庫防滲加固前后二維有限元模型,利用滲流觀測資料反演計算壩體各分區(qū)材料滲透參數(shù);黃勇等[11]基于裂隙幾何要素的統(tǒng)計特征,應(yīng)用Monte-Carlo方法生成裂隙網(wǎng)絡(luò),并建立了裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流數(shù)學(xué)模型。
隨著裂隙巖體滲流研究成果的不斷豐富,相關(guān)裂隙巖體滲透系數(shù)計算的理論和方法也日益多樣。運用這些研究成果時,需要根據(jù)具體的地質(zhì)條件和研究對象仔細(xì)分析其相應(yīng)的適用條件,以確保所采納的方法能夠真實反映實際情況,滿足分析要求。本文以澤雅水庫泄放洞工程為例,分別在3個鉆孔中進(jìn)行連通試驗、壓水試驗和注水試驗,將不同試驗結(jié)果進(jìn)行比較分析,探討工程區(qū)裂隙巖體滲透系數(shù)取值,為滲流定量計算提供了參考依據(jù)。
1 研究區(qū)地質(zhì)條件
1.1 工程概況
澤雅水庫是戍浦江流域防洪體系的重要工程之一,目前水庫泄洪的唯一方式就是通過水庫的溢洪道泄洪,調(diào)度手段單一。為方便水庫放空維護(hù),保障區(qū)域飲用水安全,2015年將水庫原施工導(dǎo)流洞改建為泄放洞,總長度405 m,其中隧洞段長度378.5 m。泄放洞位于大壩左岸,通過山脊高程100~190 m,洞身段基巖部分裸露,隧洞埋深大于50 m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,泄放洞事故檢修閘門豎井后的通氣孔漏水嚴(yán)重,水量較大,滲漏量約0.5 m3/min,且隨水庫水位增加而增大。水庫滲漏既影響水庫正常蓄水,也對泄放洞的安全運行造成一定影響。因此,在左岸泄放洞附近布置3個勘探孔ZK1、ZK2和ZK3,以查明滲漏原因(見圖1)。
1.2 地層巖性及構(gòu)造
隧洞沿線基巖為侏羅系上統(tǒng)黃尖組b段(J3hb),巖性為一套巨厚紫灰、青灰色局部灰白色流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r(見圖2),巨厚-塊狀構(gòu)造,局部硅化,新鮮巖石致密堅硬。出露的侵入巖主要為灰綠巖脈,偶見細(xì)石英脈?;揖G巖脈呈陡傾角,沿斷層、破碎帶等軟弱結(jié)構(gòu)面侵入,寬度大小不一,局部可達(dá)4~5 m。第四系地層河床主要為沖-洪積層(Qal-pl4)的砂礫卵石層,厚度5~8 m,兩岸山坡主要為殘坡積層(Qel-dl4)黏土夾碎石,厚度一般為1~3 m,埡口厚度較大,厚5~8 m。工程區(qū)斷層發(fā)育,主要集中在左岸,共有35條之多,其中F4規(guī)模較大,其次為F5、F6、F22等,產(chǎn)狀以NW340°~350°,SW∠70°~80°為主(見圖2)。節(jié)理主要有兩組:一組為20°~40°,SE∠70°~80°;另一組為320°~330°,SW∠60°~90°。節(jié)理面一般較平整,鐵錳質(zhì)渲染,深部趨閉合,巖屑薄膜充填。
1.3 勘探孔的巖體特征
為了更直觀了解巖層結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、巖石節(jié)理、裂縫空間方位、形狀和延伸情況,在3個勘探孔中進(jìn)行了鉆孔攝像,具體情況分別如下:
ZK1鉆孔:孔深5.14~5.22 m,節(jié)理發(fā)育,縫寬7.8 cm,產(chǎn)狀N86.3°W,NE∠46.2°,巖體破碎、局部巖體脫落;孔深27.62~27.73 m,節(jié)理發(fā)育,產(chǎn)狀N63.9°W,NE∠55.6°,局部巖體破碎、多組裂隙交錯發(fā)育;孔深46.63~46.89 m,節(jié)理發(fā)育,產(chǎn)狀N49.5°E,SE∠73.6°,巖體破碎,局部巖體脫落。
ZK2鉆孔:孔深13.83~14.14 m,節(jié)理發(fā)育,產(chǎn)狀N86.3°E,SE∠76.0°,巖體破碎、局部巖體脫落??咨?0.25~20.79 m,節(jié)理發(fā)育,產(chǎn)狀N63.9°E,SE∠81.9°,局部巖體破碎、局部巖體脫落??咨?2.95~43.14 m,節(jié)理發(fā)育,縫寬12.3 cm,產(chǎn)狀N47.4°W,SW∠68.4°,局部巖體脫落,孔深63.40~67.80 m,節(jié)理發(fā)育,巖體脫落,局部巖體脫落嚴(yán)重,其中63.40~64.80 m,產(chǎn)狀N72°~85°E,SE∠71°~81.4°;64.80~66.40 m,產(chǎn)狀N22°~35°W,NE∠70°~75°;66.40~67.80 m,產(chǎn)狀N50°~65°W,SW∠60°~65°。
ZK3鉆孔:孔深16.82~17.35 m,節(jié)理發(fā)育,產(chǎn)狀N62.8°E,SE∠81.9°,巖體破碎、局部巖體脫落;孔深25.32~25.40 m,節(jié)理發(fā)育,產(chǎn)狀N6.9°E,NW∠47.2°,縫寬8.9 cm,巖體破碎、局部巖體脫落;孔深25.79~26.07 m,節(jié)理發(fā)育,產(chǎn)狀N2.5°W,SW∠74.6°,縫寬4.3 cm,巖體破碎 局部巖體脫落;孔深31.66~34.89 m,節(jié)理發(fā)育,產(chǎn)狀N88.5°W,SW∠86.7°,巖體破碎、局部巖體脫落嚴(yán)重,孔壁粗糙。
1.4 水文地質(zhì)
工程區(qū)屬亞熱帶,氣候溫暖,雨量充沛,地表徑流活躍,地下水不發(fā)育。地表松散堆積發(fā)育地段存在潛水但規(guī)模不大,主要由降水補給?;鶐r位弱透水層,主要地下水活動為斷裂中的裂隙水,局部含泉水,但其規(guī)模都不大。地下水為松散巖類的孔隙水和基巖裂隙水兩種類型:松散巖類的孔隙水主要賦存于第四系砂卵礫石層的孔隙中,其分布面積小,呈狹長條帶狀或零星分布,水量小,透水性較好;基巖裂隙水主要賦存于斷裂構(gòu)造帶中,規(guī)模較小。地下水的補給來自大氣降水和地表水,在枯水期,左岸山體地下水一部分向水庫排泄,另一部分通過斷層F6、F8、NW和NE方向的節(jié)理繞壩流向下游;豐水期,水庫水位要高于左岸地下水位,因此庫水通過NE方向的節(jié)理以及F8組成的地下水流動路徑,繞壩流向下游。由于鉆孔ZK1位于左岸分水嶺附近,地下水位高于ZK2和ZK3,且ZK2水位比ZK3高,因此地下水從ZK1流向ZK2和ZK3,從ZK2流向ZK3,從ZK3向下游排泄。
2 現(xiàn)場試驗及滲透系數(shù)計算
2.1 注水試驗及滲透系數(shù)計算
常水頭注水試驗原理是往鉆孔中注水使其水位升高并保持一定高度,當(dāng)水頭(H)和注水量(Q)穩(wěn)定時,根據(jù)最后一次注水流量確定巖層的滲透系數(shù),滲透系數(shù)計算公式[12]為:
當(dāng)L/r≤4時:
K=0.08Qrs L2r+14, (1)
當(dāng)L/rgt;4時:
K=0.336QLslg2Lr, (2)
其中:K為滲透系數(shù)(cm/s);L為試驗段長度(m);Q為穩(wěn)定注水量(L/min);s為鉆孔水頭高度(m);r為鉆孔半徑(m)。結(jié)合泄放洞工程區(qū)場地地質(zhì)條件,常水頭注水試驗共進(jìn)行13組試驗。各鉆孔不同深處的滲透系數(shù)見表1。
由表1可知:鉆孔ZK1和ZK2滲透系數(shù)隨深度增加,總體趨勢減小,巖體滲透系數(shù)介于4.07×10-4~3.40×10-3 cm/s,滲透性等級以中等透水為主。其中大于2.20×10-2 cm/s的僅有1段,此段位于山脊,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,局部張開,透水性較強。ZK3中有2段滲透系數(shù)為10-6cm/s量級,結(jié)合現(xiàn)場勘察顯示,該試驗段位于山麓殘坡積含碎石黏土及全強風(fēng)化層,透水性差。
2.2 壓水試驗及滲透系數(shù)計算
壓水試驗是在鉆進(jìn)過程中或鉆孔結(jié)束后,用栓塞將某一段單獨隔開,用不同壓力向鉆孔內(nèi)送水并測定其流量值,從而計算巖體透水率。本次試驗自孔口高程開始至孔底,采用自上而下進(jìn)行,每段試驗長度5~10 m,試驗壓力由工程區(qū)水頭壓力和地層巖性確定,止水栓塞長度不小于8倍鉆孔直徑,采用水壓式栓塞。試段透水率[13]的計算公式為
q=QLP, (3)
其中:q為試驗段透水率[L/(m·min·MPa)],Q為試驗段流量(L/min),L為試驗段長度(m);P為試驗段壓力(MPa)。由于試驗段位于地下水位以下,且透水性不大,所以透水率q可換算成相應(yīng)段巖石的滲透系數(shù),換算公式為
K=0.005 28Lulg1.32Lr, (4)
其中:K為巖石的滲透系數(shù)(cm/s);Lu為壓水試驗的呂榮值[L/(m·min·MPa)];r為鉆孔半徑(m)。試驗結(jié)果見表2。
由表2可知,左壩肩深部及泄放洞周圍巖體滲透系數(shù)介于2.33×10-5~3.92×10-4 cm/s,滲透性等級介于弱透水層與中等透水層之間,其中滲透系數(shù)介于2.05×10-4~4.04×10-4 cm/s的有9段,滲透性等級為中透水層。結(jié)合鉆孔電視圖像對比分析可知:ZK1中孔深27 m和孔深46 m處均有節(jié)理發(fā)育;ZK2孔深20 m、40 m和60 m處存在節(jié)理發(fā)育;ZK3孔深20~30 m處節(jié)理發(fā)育,因此在這些試段附近的滲透系數(shù)相對較大。
2.3 連通試驗及滲透系數(shù)計算
(1) 試驗布置
本次示蹤試驗在鉆孔ZK1和ZK2內(nèi)進(jìn)行了2組連通示蹤試驗,鉆孔位置見圖1。在投源點鉆孔ZK1和ZK2中投入食鹽指示劑,在下游接收點監(jiān)測示蹤劑是否出現(xiàn),以及出現(xiàn)的時間和濃度,便于探究各個鉆孔之間的水力聯(lián)系和流速等參數(shù)。
(2) 示蹤劑濃度曲線特征
瞬時投源時,理論上示蹤劑濃度變化呈正態(tài)分布的單峰曲線,它表明從投源點到接收點的滲流路徑單一,示蹤劑濃度到達(dá)峰值后減?。?4]。由于場地條件復(fù)雜,巖土中的孔隙、裂隙發(fā)育程度不同,因此示蹤劑穿透曲線往往呈雙峰或多峰現(xiàn)象(見圖3)。曲線峰值先高后低表示
有兩條滲漏通道存在,高峰值是主通道的峰值,低峰值為支流通道的峰值,其受主通道影響導(dǎo)致濃度降低;先低后高也表明存在兩條通道,但因主流通道發(fā)育有一大型的地下湖形成鈍峰,支流通道流量小但是濃度高,隨后主、支流匯合形成高峰[15]。
由示蹤試驗數(shù)據(jù)和示蹤劑穿透曲線求得地下水實際平均流速為
u=DΔT, (5)
其中:u為地下水的實際平均流速(m/h);D為試驗孔到觀測孔的距離(m);ΔT為指示劑投源時間到接收孔示蹤劑濃度到達(dá)峰值的時間(h)。由達(dá)西定律求得水力梯度I和滲透系數(shù)K,其分別表示為
I=ΔHD, (6)
K=VI, (7)
其中:ΔH為水頭差(m);V為滲透速度(m/s),V=nu,考慮到地下水流主要在裂隙通道中流動,孔隙度n近似取值為1。
(3) 連通試驗結(jié)果分析
(a) 第1組試驗結(jié)果分析。
第1組示蹤試驗在ZK2中進(jìn)行,接收孔ZK3的電導(dǎo)率隨時間變化結(jié)果見圖4。從圖4中可以看出,ZK3中接收到來自ZK2的食鹽示蹤劑,表明在ZK2和ZK3存在裂隙或者斷層通道。滲透系數(shù)是研究裂隙通道滲透性的重要參數(shù),可以通過示蹤劑接收時間、ZK2和ZK3之間的距離以及地下水位估算裂隙巖體的滲透系數(shù)。ZK2和ZK3之間的距離約52 m,接收時間為3 h,ZK2和ZK3的地下水位差約4 m,分別帶入式(5)~式(7)求得地下水流速為0.48 cm/s,水力梯度I為0.077,滲透系數(shù)K為6.25 cm/s。
(b) 第2組試驗結(jié)果分析。
第2組示蹤試驗在ZK1中進(jìn)行,接收孔ZK2電導(dǎo)率隨時間變化結(jié)果見圖5。從圖5中可以看出,ZK2中接收到了來自ZK1的食鹽示蹤劑,ZK1和ZK2存在裂隙或滲漏通道。同第一組試驗類似,ZK1和ZK2之間的距離約35 m,接收時間為1 h,注水后ZK1和ZK2的地下水位差約8 m。分別帶入式(5)~式(7)得出地下水流速為0.97 cm/s,水力梯度I為0.228,滲透系數(shù)K為4.26 cm/s。
3 試驗結(jié)果對比分析
為了直觀對比各試驗所求得的滲透系數(shù),整理不同試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比,其中注水試驗和壓水試驗滲透系數(shù)取平均值(見表3)。
由表3可知,不同試驗結(jié)果的滲透系數(shù)差別較大,差距可達(dá)1~4個數(shù)量級,主要原因為:(1)裂隙巖體強烈的非均質(zhì)各向異性;(2)工程區(qū)裂隙較發(fā)育,也存在斷層,巖體滲透性強,注水試驗和壓水試驗考慮的是整個試段,因此計算的滲透系數(shù)偏小;(3)壓水試驗在加壓之后可能導(dǎo)致巖體內(nèi)裂隙、孔隙更緊實,其滲透系數(shù)最小;(4)連通試驗反映某通道的滲透系數(shù),其計算的滲透系數(shù)最大。
表3中連通試驗與注水試驗和壓水試驗結(jié)果相差1~4個數(shù)量級,差別明顯,對此作如下證明:
水流路徑的曲折性和水流方向的改變將導(dǎo)致慣性影響(見圖6),某一條裂隙的滲透率與單裂隙和網(wǎng)絡(luò)裂隙中的水流方向相關(guān)。圖6中假定只有一條隙寬為b的裂隙,裂隙面產(chǎn)狀水平,與水流方向一致。
假設(shè)在水流流動方向的路徑L上水頭降低了H,考慮寬度為a的裂隙巖體,對于平行于水流方向的光滑單裂隙,其滲透系數(shù)為
Kf=ρg12μb" (8)
其中:Kf為裂隙滲透系數(shù)(cm/s);ρ為水的密度(kg/m3);g為重力加速度(9.8 N/kg);b為隙寬(m);μ為地下水動力黏滯系數(shù)(N·S/m2)。
式(8)顯示,裂隙滲透系數(shù)與隙寬的平方成正比,此時,通過裂隙的流量qf可表示為
qf=KfIA=ab312μ·ρgHL, (9)
其中:qf為通過裂隙的流量(L/min);H為水頭差(m);L為水流路徑(m)。而在裂隙巖體中,裂隙滲透性較好,巖體基質(zhì)一般滲透性較差,假定通過巖體基質(zhì)的流量為qm,由于qmqf,所以Q=qm+qf≈qf。對于一段寬為h的巖體來說,其平均滲透系數(shù)為
K=QIA=qfHL·ah=ρgb312μh,
在一段巖體中,由于b相對于h來說可能小很多,所以平均滲透系數(shù)K相對于Kf來說也小很多。對應(yīng)上述3種試驗,連通試驗求得的滲透系數(shù)與Kf相近,而注水試驗和壓水試驗所得結(jié)果是一個試驗段的平均值,與K值相近。因此,連通試驗所求滲透系數(shù)偏大。
4 結(jié)論
針對澤雅水庫泄放洞工程區(qū)裂隙巖體滲透系數(shù)取值問題,采用注水試驗、壓水試驗以及連通試驗進(jìn)行計算,各方法均適用于裂隙巖體滲透系數(shù)的計算。但由于裂隙巖體的非均質(zhì)各向異性和工程區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性,不同方法的計算結(jié)果也有差異,因此要根據(jù)具體情況選用合適的試驗方法和滲透系數(shù)。注水試驗和壓水試驗的結(jié)果體現(xiàn)的是某一試驗段的平均滲透系數(shù),該試驗段包括完整巖體和裂隙,而連通試驗的結(jié)果體現(xiàn)的是裂隙巖體中的某一條和幾條裂隙(或滲漏通道)的滲透性,因此滲透系數(shù)的選取與研究尺度密切相關(guān)。在實際工程中,運用數(shù)值模型模擬裂隙水滲流運動規(guī)律或者布置滲透帷幕時,尺度越小則巖體非均質(zhì)性越明顯,采用連通試驗結(jié)果較好;尺度越大則巖體的均質(zhì)性越好,因此選擇注水試驗和壓水試驗比較合適。
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Study on the value of permeability coefficient of fractured
rock body based on different test methods
XU Jie,HUANG Yong
(College of Earth Science and Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,China)
Abstract :There are many methods for determining the permeability coefficient of fractured rock bodies,and each method has its corresponding characteristics and applicable conditions,so the selection of an appropriate permeability coefficient is crucial for seepage analysis in water conservancy and hydropower projects.Taking Zeya reservoir spillway project as an example,the permeability coefficient was calculated in three exploration holes by using water injection test,water compression test and connectivity test,respectively.The results show that the permeability coefficients calculated by different test methods differ greatly by 1-4 orders of magnitude,indicating that the fractured rock body has a strong non-homogeneous anisotropy.Each method is suitable for calculating the permeability coefficient of fractured rock bodies,but for practical engineering,it is necessary to choose the appropriate test methods and permeability coefficient values according to the specific geological conditions and the size of the study scale to provide better guidance for specific projects.
Key words :Fractured rock mass;Permeability coefficient;Water injection test;Water compression test;Connectivity test
(本文責(zé)編:馮 婷)