裂隙岩体渗透性理论研究进展

2011-04-19付贵

地下水 2011年4期

付贵

(河北省沧州水文水资源勘测局，河北沧州 061000)

我国幅员辽阔，地质条件错综复杂，尤其是埋藏于地下的岩层结构，人们不可能完全认识其特性，因此在设计、施工过程中有着很大的困难，过去，在地下工程中遇到岩石工程问题，多凭经验解决。但是随着工程条件的日益复杂性，单凭经验越来越难以解决实际问题(周维垣等)。地下工程技术的不断发展，为人们广泛地利用地下空间资源提供了技术上的可能性，同时也给生产中的安全问题提出了更高的要求。一旦在大跨度的地下洞室等地下结构发生冒顶、垮塌恶性事故，后果将极其严重，因此，地下工程围岩渗透性研究已迫切成为岩石力学研究的重要课题(刘同有等)。

20世纪30年代，人们开始关注岩体的抗渗性能，是始于大型水工工程的建设，诸如水坝、水渠、涵管及位于地下水位线以下的地下结构如隧道等;一旦岩体的抗渗性能不足或受到破坏，会降低这些结构的使用效能，造成污染、渗漏等事故。尤其是水坝之类的大型水工结构，在设计中需要确知岩体抵抗高水压下水穿透的能力。正是因为涉及的影响因素太多，试验耗功耗时，因此，目前人们在这方面获得的研究成果还远远不能令人满意，有必要在这方面进一步深入进行研究。岩体的渗透试验是一项艰难而耗时的工作，用什么方法能快速而且准确地测量出反映岩体渗透性能的数据，首先成为有关研究人员的研究领域。

1 裂隙岩性渗透性理论

1.1 国内外常用研究岩体渗透性试验方法

研究岩体抗渗性能有多种试验方法;有传统的水压力试验法，水力劈裂试验还有下面几种试验法等。目前各种试验测试方法各有优缺点，不存在某种方法绝对强于另一种方法的说法。近年来，国外在一项研究中同时进行水渗透性、氯化物渗透性、空气渗透性测试、然后分别讨论试验结果的情况增多，可以认为这是一种趋势。

岩体的结构及其透水性直接关系到建筑物围岩的稳定及安全.通过水力劈裂试验，可以真实地反映高水压作用下岩体的结构和渗透性的变化规律.以某水电站工程坝址区岩体所作的水力劈裂试验资料为基础，分析了在水力劈裂过程中，岩体的结构和渗透性发生的变化及其规律以及在该过程中岩体裂隙形成的机理.

1.2 水库裂隙岩体渗透系数张量的确定

通过裂隙在空间展布状况的测量，用统计学方法初步确定裂隙岩体的渗透张量，获得渗透主值及主方向，然后根据野外压水试验得到的岩体透水率，利用巴布什金公式计算各试段岩体的渗透系数，求出修正系数，从而得到研究区裂隙岩体的修正渗透张量.并运用上述方法对蒲石河抽水蓄能电站上水库坝址区裂隙岩体的渗透张量进行了计算.结果表明，该方法能较好地刻画裂隙岩体渗透性的各向异性特征，可为岩体渗透性分区及防渗帷幕的优化提供科学依据。

1.3 砂泥岩裂隙岩体渗透性分析

采用表征岩体渗透性的单位吸水量ω为参数，有效地分析了砂泥岩裂隙岩体中相对埋深和岩性对渗透性空间分布规律的影响.研究区内，在不同深度单位吸水量的最大值和最小值相差3～4个数量级，渗透性表现出显著的随机特征.通过将压水试验数据离散化并在不同深度上取logω的平均值，凸现了渗透性的结构特征.ω均值在一定范围内随相对深度表现出负指数分布规律;剔除logω的线性趋势项后，logω残差表现出与地层内部岩性相对应的规律.此外，研究还发现，渗透性参数随相对深度呈负指数分布规律是由含裂隙的砂岩介质引起的.这些规律为裂隙岩体的渗流计算和模拟奠定了基础.文章所提出的对压水试验数据离散化并在不同深度取均值以找出渗透性和深度关系，以及去除线性趋势项研究渗透性和岩性之间关系等方法具有广泛的应用价值。

1.4 海底隧道工程岩体渗透性综合研究

通过包括计算裂隙岩体等效渗透系数、原位抽水试验、压水试验和室内原状大样渗透实验等方法在内的岩体渗透性综合研究方法的运用，获得岩体渗透性指标.将各方法所获得的岩体渗透系数进行分级统计，取加权均值作为岩体的渗透系数，提交工程设计参考.实践证明，所获得的岩体渗透性指标是科学和有效的。

1.5 剪切荷载对裂隙岩体渗透性影响研究现状

剪切荷载对裂隙岩体渗流特性影响的研究现状，认为:目前这方面的研究主要采用室内试验和数值模拟2种方法.室内试验方法可以准确地得到剪应力和裂隙渗透系数的关系，但对试验仪器精度的要求比较高，试样的制作比较复杂，试验的可重复性差;数值模拟方法能够定性地模拟出剪应力对裂隙渗透性的影响，但裂隙的宽度、走向、密度和长度等参数较难确定.总结了剪切过程中裂隙岩体渗透系数的变化规律，即:剪胀发生前，裂隙渗透系数随剪切位移的增加而减小;剪胀发生后，裂隙渗透系数随剪切位移的增加急剧增大，达到峰值位移后裂隙渗透系数趋于稳定甚至会减小.指出了需要进一步研究的问题:剪切荷载作用下裂隙变形和破坏规律;不同法向荷载作用下剪切荷载对裂隙渗透性的影响;裂隙岩体本构关系;等等。

2 实例应用

2.1 电站上水库裂隙岩体渗透张量的确定

这种方法提出了一种既能反映裂隙岩体的渗透特性，又相对准确的确定裂隙岩体渗透张量的方法.首先通过裂隙在空间展布状况的测量，用统计学方法初步确定裂隙岩体的渗透张量，获得渗透主值及主方向，然后根据野外压水试验得到的岩体透水率，利用巴布什金公式计算各试段岩体的渗透系数，求出修正系数，从而得到研究区裂隙岩体的修正渗透张量.并运用上述方法对蒲石河抽水蓄能电站上水库坝址区裂隙岩体的渗透张量进行了计算。结果表明，该方法能较好地刻画裂隙岩体渗透性的各向异性特征，可为岩体渗透性分区及防渗帷幕的优化提供科学依据。

裂隙岩体渗透特性往往由于裂隙发育的随机性而难以准确认知，现场高压压水试验通过研究压力P～流量Q关系曲线可以了解裂隙岩体宏观渗透特性。某抽水蓄能电站高压岔管部位岩体存在较大规模的断层及影响带，为配合工程处理设计，采用现场高压压水试验对断层(含影响带)、断层周围岩体的透水性及渗透变形特性进行评价，现场试验的结果表明裂隙的张开扩展是裂隙岩体渗透变形的主要形式，也是P～Q曲线类型非线性的主要原因。为对试验过程和成果进一步量化，采用等效连续介质模型和三维有限元数值模拟技术对试验进行模拟。对比分析成果可见，P～Q曲线基本吻合，采用现场试验与数值计算相结合的方法可以较好地对裂隙岩体的宏观渗透性进行分析评价。

2.2 基于裂隙量测法的新立矿区工程岩体渗透性分析

新立矿区主要可采矿体分布于海底岩体中，查明矿区工程岩体的渗透特征对保障海底采矿安全具有十分重要的意义.在综合分析新立矿区水文地质工程地质特征的基础上，以现场调查的岩体结构面几何数据为基础，开发了渗透系数张量计算程序，计算了岩体综合渗透系数，根据前期的压水试验结果修正了计算结果，修正后的结果表明矿区－105，－135水平工程岩体整体上呈弱透水性，局部呈微透水性，－165水平岩体整体上呈微－弱透水性;岩体渗透性随深度的增加而降低。