基于压水试验的断裂构造岩体渗透特性分析

李德群，岑 萍，赵文超

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

断裂构造是水利水电勘测设计中经常遇到的工程地质问题之一，对水工建筑物的构造稳定、抗滑稳定和渗透稳定有直接的影响，诸多的工程实例对此都有深入系统的研究。自1959年法国Malpasset水坝在渗流作用下导致溃决以来，不同岩体结构的渗透特性研究成为其中的一个重要课题［1］。

在工程实践中，裂隙岩体多为不均一的非连续介质，地下水在岩体中的渗流状态一般具有明显的各向异性、不连续性和不均一性［2］。尤其是在断裂构造作用下，岩体结构会发生显著的不良变化，岩体破碎松散，导致渗透特征有更强的非均质性和各向异性，往往是发生水力联系的重要途径。

压水试验是一种被普遍应用的岩体原位渗透试验［3］，用测定的岩体透水率q来反映岩体的透水程度、不同压力下的变化趋势等，以此分析工程岩体的渗透特性。具体做法是在钻孔内用栓塞(封隔器)将某一长度的(一般为5 m)孔段与其它孔段隔离，用不同的压力向试段内输水，测定相应压力下的流量值，并以单位长度试段内某一压力下的流量值来表示该试段岩体的透水率q。

拟建的某水库坝基发育有一隐伏断裂——F1顺河断层，该断层对坝基渗漏的影响以及是否存在强渗漏通道，成为工程勘察和论证所关注的焦点。本文以此为例，基于压水试验成果，对F1断层岩体渗透结构、渗透性能和空间分布规律以及影响渗透性的因素进行分析评价，以期为类似工程提供借鉴和参考。

1 地质环境与F1断层特征

内蒙古某水库拟选坝址河谷呈宽缓的“U”型，谷底宽度约850 m，地面高程在624 m左右;两岸为构造剥蚀低山，山坡较缓，属河流侵蚀堆积、山麓斜坡堆积和构造剥蚀三种地貌类型。拟选坝址地层上覆有厚度10～15 m的第四系全新统松散地层，下伏地层岩性主要为侏罗系上统凝灰岩，走向NE45°～57°，倾向SE，倾角10°～25°;地下水为裂隙潜水。

根据已有研究成果［4－5］，F1断层在区域构造上从属于乌兰河隐伏断裂，为右旋平移逆断层，系在华力西期—燕山期形成，中更新世以来处于稳定状态。在坝址区的产状为走向 NE80°，倾向SE，断层面陡立，达70°～90°;与拟选坝轴线呈大角度相交并在坝基中部偏左侧顺河通过;通过综合勘察，推测断层影响带宽度约200 m。受此影响，坝址区节理裂隙较为发育，以剪切节理为主，走向多为NE和NW向，倾角从＜10°到45°～65°，密度3～4条/m。

2 F1断层岩体渗透结构特征

2.1 岩体渗透结构划分

岩体渗透结构即不同渗透性岩体的组合方式，表征了岩体渗透性的空间分布规律。一般来说，岩体结构对渗透性有着基础和制约的作用，岩体结构类型越差，表现在岩体渗透性上的地下水动力作用愈强。

综合勘察结果显示，F1断层影响带沿坝轴线方向不同部位，钻孔的岩芯物质及RQD、纵波波速VP、完整性系数KV具有明显差别。在空间上从左侧、中部到右侧，依次相间揭露为断层碎裂岩、断层构造岩两类不同类型岩体。本文根据其岩体结构特征和分布规律，分别定义为碎裂岩带、软弱构造岩带(图1)。两者相间分布排列、共同构成了F1断层影响带的二元带状渗透结构。

图1 F1断层影响带岩体渗透结构示意图Fig.1 Schematic diagram of permeability structure of rock mass about influence zone of F1 fault

据岩芯观察，碎裂岩带中裂隙普遍发育，局部有错动现象并有夹泥充填。在基岩面以下40 m深度内总体以完整性差为主，少量为较破碎，但均一性较差。软弱构造岩带由角砾岩、糜棱岩以及断层泥构成，在空间上呈陡倾角的狭窄带状分布。断层角砾岩呈棱角—次棱角碎块状，粒径一般1～3 cm，无明显的定向排列，局部胶结较好。

在勘探深度范围内，揭露的软弱构造岩线性长度占钻孔总长度的26%，即F1断层影响带岩体以碎裂岩为主，占比达74%。

2.2 岩体渗流形式分析

在压水试验中，通过采用3级压力、5个阶段的试验方法，在不同压力下岩体裂隙开度的改变，充填物的移动、冲蚀和堵塞等会导致裂隙内的渗流状态各不相同，渗透性也会随之发生变化，在P-Q曲线上表现为不同的渗流形式。F1断层影响带在基岩面以下45 m内不同钻孔压水试验P-Q曲线类型统计如表1所示。

鉴于F1断层影响带岩体结构的基本特征，反映在压水试验P-Q曲线上则是岩体渗流形式的多样性和复杂性。

(1)碎裂岩带中，P-Q曲线以E(充填)型为主，透水率q一般＞10 Lu。表明裂隙较为发育但连通性一般，裂隙间充填物松散，在水压力增高作用下裂隙面状态发生了扩张，导致渗透性增大。在降压过程中，岩体裂隙被固体颗粒充填、堵塞，或半封闭状态的裂隙被水充满，使渗透性变小，但流量值随降压与升压曲线偏离值一般＜10%。

表1 压水试验P-Q曲线类型统计Table 1 Statistical table of P-Q curve type of water pressure test

对于C(扩张)型和不规则型，P-Q曲线也反映了碎裂岩体裂隙变化的可逆性特征，特别是压力由0.6 MPa升至1.0 MPa时表现较为明显，表明部分碎裂岩体具有弹性扩张性质。

(2)软弱构造岩带中，P-Q曲线中B(紊流)型所占比例稍高，其他类型如C(扩张)型、D(冲蚀)型和E(充填)型均有出现，且所占比列差距不大，说明该类岩体物质结构变化较大，导致渗流形式复杂多变。

观察岩芯发现，B(紊流)型岩体所对应的多处于基岩面以下浅部地层，受风化等因素影响，RQD指标极低，岩芯破碎呈碎块、碎屑和沙土状，局部泥化现象严重，在P-Q曲线中反映的是紊流形态。而C(扩张)型和D(冲蚀)型等，多为胶结一般—良好的角砾岩和块体母岩等，分布在中、下部地层中，在试验压力下劈裂或原有裂隙张开，随着压力下降，张开度减小。

3 F1断层岩体渗透特性

3.1 岩体渗透性分析

经统计分析，在基岩面以下约45 m深度范围内，F1断层影响带总体以中等透水性岩体为主，占试验总段次的66.7%，其中透水率q＜30 Lu占中等透水的92.5%;≥30 Lu的段次仅占7.5%。其次为弱透水性岩体，占试验总段次的26.7%。而透水率q＜1 Lu的微透水岩体占6.6%，如表2。

如前所述，由于F1断层影响带的二元带状渗透结构特征，决定了两类岩体结构在渗透特性上的不同反映，同时受风化、卸荷等因素的影响，其渗透性的非均质性和各向异性特征明显。碎裂岩带的透水率q多在10 ～30 Lu之间，仅1 段达75.5 Lu，最小值 ＜10 Lu，平均透水率q为16.4 Lu，系中等透水性岩体;与此相比，软弱构造岩带受到糜棱岩发育、有一定粘粒含量等因素的影响，平均透水率q为7.5 Lu，仅少量试验段次的透水率q超过10 Lu，属于弱透水性岩体，是碎裂岩带的46%，渗透性能明显减弱。

结合前述F1断层影响带岩体以碎裂岩为主的观点，以此判断F1断层影响带岩体的渗透性能为中等偏弱。但由于F1断层影响带推测范围较大，达200 m左右，且贯穿坝轴线，在上下游之间形成一个潜在的渗漏通道。

表2 F1断层影响带透水率统计Table 2 Statistical table of permeability rate of influence zone of F1 fault

3.2 岩体渗透性空间分布特征

(1)水平方向分布特征。F1断层影响带的陡倾角展布和二元岩体结构，反映水平方向上，除碎裂岩带和软弱构造岩带本身固有的特性差异外，作为水工建筑物基础岩体对象，具有明显的分带特性。

从F1断层影响带在平面位置的渗透性分析，在垂直F1断层走向的坝轴线方向，其渗透性变化比较明显，透水率q从左侧18.1 Lu，至中部到右侧依次递减为14.8 Lu和10.5 Lu。与此相对应的微透水—弱透水段次分别占试验总段次的26.3%、31.8%和42.1%;中等透水段次占 73.7%、68.2%和 57.9%，见表 3。

由此可见，F1断层影响带岩体的透水率q相对强弱程度依次为左侧＞中部＞右侧，即岩体渗透性以左侧最强，右侧相对较弱，中部介于二者之间，在考虑工程设计时可区别对待。

(2)垂直方向分布特征。渗透性的垂向变化规律是由岩体的非均质引起渗透性在空间变异的表现，表达的是压水试验成果在埋藏深度与透水率q之间的关系，具有埋藏越深所受到的地应力越大、裂隙的开度变小透水性相应降低的一般规律［6］。

表3 F1断层影响带水平方向透水率统计Table 3 Statistical table of permeability rate of horizontal direction of influence zone of F1 fault

透水率q与埋深关系曲线(图2)显示，受风化、卸荷作用及断层物质泥化等因素影响，在与工程关系最为密切的浅部岩体中，碎裂岩带和软弱构造岩带的透水率q均较低，但随着埋深增加，在一定深度内透水率q均有增大的趋势。其中软弱构造岩带在高程578 m以上速率增大明显，并由弱透水进入中等透水岩体，之后减弱回归到弱透水岩体;碎裂岩带的渗透性在高程578 m以上呈层状强弱交替变化，随后衰减并在高程573 m进入弱透水岩体。

综上所述，F1断层影响带岩体渗透性随深度的增加呈现上部较低、中部增高、下部衰减的特点，并由此判断以高程575 m左右为分界点，其下透水率q＜10 Lu，为弱透水岩体，可作为防渗设计的相对隔水层考虑。

图2 透水率q与埋深关系曲线Fig.2 Curve of permeability rate q and depth

3.3 影响F1断层岩体渗透性的因素

岩体的渗透性研究成果认为［7］，新鲜完整的岩体理论上是不透水的。水在岩体中的渗透主要是源于岩体内部存在的裂隙所致，压水试验成果反映的正是各种成因的裂隙对于岩体完整性的破坏程度。因此，探求影响F1断层影响带岩体渗透性的因素，最基本的一点在于分析岩体中的裂隙、构造结构面的发育以及后期改造状况。

(1)风化、卸荷作用是影响岩体渗透性的一个普遍存在的因素，自然界的岩体无一例外。对于F1断层中软弱构造岩带而言，风化、卸荷作用对渗透性的影响表现在:一方面加剧了母岩及其两侧碎裂岩带裂隙的张开扩大，增大了渗透性;另一方面，对胶结一般的角砾岩、糜棱岩等，促使其更加疏松甚至泥化，透水性能显著降低，如前述的软弱构造岩带透水率总体上明显小于碎裂岩带。

(2)通常情况下，渗透性能大的裂隙展布的范围广、延伸距离长，构成相对大范围的地下水网络通道。F1断层形成于凝灰岩中，属于相对软弱的岩体，在同一构造应力作用下易形成缓倾角裂隙，极易遭受外力地质作用的改造和破坏，抗渗透性能明显减弱。

同时，缓倾角裂隙与钻孔近于水平，钻进中被揭穿的概率更大(图3)。反映在压水试验成果上，渗透性多有强弱交替的现象，如图2碎裂岩带曲线所示。从岩芯观察和RQD指标对比发现，凡属透水率增大的部位，其缓倾角裂隙多密集发育，岩芯被裂隙切割呈短柱状。因此，这种缓倾角的裂隙对岩体的渗透性影响更大，对不同压力下透水能力变化的敏感性和真实性更强。

图3 裂隙分布示意图Fig.3 Schematic diagram of crack distribution

(3)F1断层的碎裂岩带在渗透剖面上分布更广，其渗透类型以裂隙介质为主。同时软弱构造岩带在与坝轴线垂直方向具有一定的阻(隔)水性，因此从宏观上看，顺带方向的渗透性大于垂直方向的渗透性，这一因素使得F1断层影响带渗透性具有明显的各向异性特征。

4 结论

(1)裂隙岩体的完整性决定了渗透性的强弱，断裂构造加剧了对岩体完整性的破坏，但仍不失裂隙岩体的一般特性。压水试验是一种针对岩体裂隙渗流的原位透水性测试，所获得的岩体透水率q能够很好地反映在不同压力、流量下裂隙的发育、分布和变化情况，为评价其渗透性提供依据。

(2)岩体结构是控制岩体渗透性强弱及其宏观渗透特征的主要因素。F1断层具有典型的二元带状渗透结构，具体划分为碎裂岩带与软弱构造岩带。在空间分布上以碎裂岩带的裂隙介质渗透为主，系中等透水岩体，且透水率多在10～30 Lu之间，多与层状、网络状等渗透结构相连通，渗流状态复杂。与此同时，软弱构造岩带虽平均透水率q为7.5 Lu，属弱透水岩体，但其物质成分复杂、软弱。因此，不利的结构面产状、性质和渗透特性构成了潜在的水力联系通道。

(3)风化、卸荷等外力地质作用，导致裂隙、构造结构面状态和物质结构的改变，是影响F1断层影响带渗透性的基本因素;较为发育的缓倾角裂隙对岩体的渗透性影响更大。从宏观上看，F1断层的二元带状渗透结构，导致顺带方向的渗透性明显大于垂直方向的渗透性，具有明显的各向异性特征。

［1］ 吕爱钟.试论我国岩石力学的研究状况及其进展［J］.岩土力学，2004，25(S1):1 －9.

［2］ 李清波，闫长斌.岩体渗透结构类型的划分及其渗透特性研究［J］.工程地质学报，2009，17(4):503 －507.

［3］ 中华人民共和国水利部.水利水电工程钻孔压水试验规程:SL31—2003［S］.北京:中国水利水电出版社，2003.

［4］ 内蒙古自治区地质矿产局.内蒙古自治区区域地质志［M］.北京:地质出版社，1991.

［5］ 蒋新华.重力资料在1∶25万区域地质填图中的应用［J］.安徽地质，2005，15(2):94 －96.

［6］ 董学晟，田野，邬爱清.水工岩石力学［M］.北京:中国水利水电出版社，2004.

［7］ 仵彦卿，张卓元.岩体水力学导论［M］.成都:西南交通大学出版社，1995.