隧洞弱透水层渗透性试验及其渗透系数确定

张克翠

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000）

隧洞弱透水层渗透性试验及其渗透系数确定

张克翠

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000）

隧洞围岩含水率及渗透情况对隧洞开挖工艺、降排水及支护的设计具有重大影响。通过对引洮供水二期工程地质钻孔地层情况及孔内赋水情况分析，选定典型隧洞围岩段，通过在杂色黄土状土围岩段进行钻孔常水头注水试验和在新近系砂质泥岩强风化段进行提水试验，确定其围岩含水量大小及渗透系数，经过试验和计算确定：杂色黄土状土、新近系砂质泥岩强风化层的渗透系数在1.0×10-5～1.0×10-6cm/s数量级，两类地层渗透系数很小，富水性贫乏，岩体透水性属较差和很差级别。可为引洮供水二期地下透水性隧洞围岩的开挖工艺、降排水及支护设计提供可靠的水文地质资料。

弱透水层；渗透性试验；渗透系数

在水利工程施工中常会遇到地下水，部分隧洞围岩特别是软岩、较软岩具弱透水性，围岩内常有少量的地下水呈滴状或线状流出，虽然水量小，持续时间短，补给来源有限，但不及时排除，会使围岩软化、泥化，加剧隧洞的塑性变形，对工程施工、围岩支护有很大的影响。在引洮二期工程中，该类问题较突出。

一般的富水性地层常采用钻孔抽水、压水试验进行推算其渗透系数。贫水性地层难以用上述方法进行渗透性实验。本文通过工程实例，在引洮供水二期工程隧洞围岩杂色黄土状土（plQ31）、新近系砂质泥岩等贫水性地层中，进行弱透水性水文地质试验，确定其含水量大小及渗透情况。选定典型隧洞围岩试验段为第28标段12#隧洞33+682处，试验孔深32.2 m。

1 试验孔内地层情概况

钻孔内地层由第四系覆盖层和新近系砂质泥岩构成，其描述如下：第①层风积马兰黄土,厚约4.0 m，较湿，呈浅黄、黄褐色，质地均匀，结构疏松，具大孔隙，垂直节理发育，表层多见植物根系，偶含蜗牛壳。岩芯呈散体状；第②层杂色黄土状土（plQ31），较湿，上部岩性为浅黄色、褐黄色粉质粘土，结构稍密，具湿陷性，下部岩性为青灰、灰绿、褐黄色粘土夹粉质粘土，具明显的水平层理，土质不均，含有少量钙质结核，厚25.6 m；第③层新近系砂质泥岩，呈以泥质胶结为主，部分泥钙质胶结，成岩程度低，岩石单轴天然抗压强度小，属软岩，遇水易软化崩解。岩体呈中厚层状结构，层间结合差，裂隙不发育，岩体较完整。岩层产状平缓，层面为主要结构面，面粗糙不平，层间结合差；岩体中无地下水活动或活动轻微，隧洞围岩稳定性差。围岩类别为不稳定的Ⅳ类，自稳时间很短，该类围岩变形显著，时间效应明显。岩体遇水易软化、崩解，水理性质差，弱透水等特性。在洞身段岩芯较完整，多呈10～30cm的短柱状岩芯。RDQ值在50%～70%之间。

2 试验孔内赋水情况分析

在钻进工程中，②杂色黄土状土和③新近系砂质泥岩地层中分别发现2层地下水，水位高程分别为2070.5 m和2065.9 m。第一层属潜水，水量较小，据提水试验，其水量约15 L/d；第二层属基岩裂隙水，水量较小，据提水试验，其水量约30 L/d。

（1）第②层杂色黄土状土（plQ31）中的潜水。属黄土丘陵潜水，分布于梁峁地区黄土地层中，其潜水的分布状况，浸润曲线的形状，往往受其基底隔水底板、古地形、岩性及地面坡度控制，没有固定的潜水面，亦无固定的排泄边界，局部有上层滞水存在，大部分从黄土与下伏隔水底板接触面附近溢出。在沟脑、沟坎、坡脚地带以泉形式向外排泄。黄土丘陵潜水的唯一补给来源为大气降水，沿着黄土节理、裂隙及盲沟、陷穴等通道下渗补给潜水。因此泉水流量大小，往往与降水量，黄土的分布面积、厚度，地形等有关，一般来说，泉水流量很小，一般小于0.01 L/s，水质较差，矿化度1～3 g/L，多为硫酸盐型水或氯化物型水。

（2）第③层新近系砂质泥岩强风化层内的基岩裂隙水。中低山区的新近系砂质泥岩中断裂裂隙不发育，基本为不透水-弱透水岩体，基本无地下水，仅在基岩表面强风化层、个别裂隙密集带和粗碎屑岩岩体中有微量地下水，水量分布极不均一，因循环速度慢，溶滤的盐分较多，多为碳酸—硫酸盐类水，对普通混凝土一般有弱结晶型硫酸盐腐蚀性。基岩裂隙水主要接受大气降水补给，沿裂隙或断层带以泉的形式向沟谷排泄，形成径流，或向坡麓排泄，以潜流的方式补给黄土区沟谷潜水。

3 试验孔内含水层渗透系数的试验、计算分析

3.1 第②层杂色黄土状土（plQ31）段

本工程杂色黄土状土属细粒土，一般情况下渗透系数很小，所以野外渗透性原位试验选择常水头试验[1]。试验段选取长度为5 m，注水水头高度为20 m，为防止孔壁软化造成塌孔，试验前下入护壁花管，孔壁和孔底同时进水，采用栓塞隔离。试验时连续向钻孔内注水，使孔内水头保持一定，量测稳定时的注水流量。开始每隔5 min观测一次流量，5次后每隔20 min观测一次，试验持续时间为3小时，准确记录时间及注入水量。

依据《水文地质手册》[2]，当 l/r＞4 时，渗透系数：k=0.366Q l·s。式中，l为试验段花管的长度，m，l=5 m；Q为注水流量，L/min；s为孔内注水水头高度，s=20 m；钻孔直径d=127 mm；钻孔半径r=63.5 mm。根据流量及时间按照上式计算各时间点渗透系数K值，并画出时间与渗透系数曲线图，见表1、图1。

表1 注水试验成果表

图1 常水头注水试验与渗透系数曲线图（K-t）

根据上图绘制的K=f（t）曲线，确定近于常数的渗透系数值K=1.75×10-6cm3/s,为该类围岩的渗透系数。

从上述粘性土常水头注水试验求得的渗透系数，可见钻孔所在的区域内杂色黄土状土层富水性贫乏，岩体透水性很差。

3.2 第③层新近系砂质泥岩强风化层段

确定在新近系砂质泥岩段进行提水试验，钻孔孔径127 mm，提水前测的初始水位29.5 m，提水前进行了清水洗孔，至孔内返出水没有明显杂质后才开始提水实验。本次以0.018 L/s的提水量进行连续提水，提水时定时观测和记录孔内水位降深的变化。孔内水位降深呈直线下降。当提水实验进行到30 min时，水位降深至32 m，30 min内水位降深2.5 m，此时提水孔已经提不上水，结束本次提水阶段，转入孔内水位恢复观测。水位观测180 min时孔内水位已恢复至29.75 m，水位观测300 min时孔内水位已恢复至29.6 m，水位恢复观测24 h时孔内水位恢复至29.5 m。

经过全程提水试验，绘制提水试验Q-f(t)、S-f(t)曲线图，见图2，从图中可以得出提水量Q、孔内水位降深及恢复S与时间的变化。

图2 提水试验Q-f(t)、S-f(t)曲线图

假设含水层等厚、各向同性和无限延伸的均质体。根据提水试验孔水文地质条件，采用水位恢复速度计算该孔的渗透参数，《水文地质手册》中公式：

式中：K为渗透系数，m/d；rω为钻孔半径，m；H为自然情况下潜水含水层的厚度，m；S1为提水稳定时的水位降深，m；S2为地下水恢复时间t后水位距离静止水位的深度，m；t为水位从S1恢复到S2的时间，d；r为为影响半径，m。

根据试验数据，H=2.5 m，rw=0.0635 m，r=50 m，S2=ΔS，S1=2.5 m，t=ΔT，求得一系列与钻孔恢复时间有关的渗透参数K值见表2。

表2 水位恢复时间变化与渗透系数表

根据一系列提水试验水位恢复阶段的渗透系数K值，绘制提水实验水位恢复时间与渗透系数曲线图，见图3。

图3 提水实验水位恢复时间与渗透系数曲线图（K-t）

根据图3绘制的K=f(t)曲线，根据此曲线，在恢复阶段的前30 min内，水位恢复的幅度较大，这阶段渗径较短，水位上升较快，计算的渗透系数差异性较大。在30～150 min内，随着时间的推移，补给渗径增长，水位的恢复速度趋近于稳定，渗透系数趋近于常值，直至于水位恢复初始值。因此根据30～150 min内的提水试验水位恢复时间与渗透系数曲线图（K-t），确定近于常数的渗透系数值K=1.55×10-5cm/s作为该地层隧洞围岩的渗透系数。

从上述水文地质提水试验求得的渗透系数，可见钻孔所在的区域内基岩裂隙水富水性贫乏，岩体透水性较差。

4 结论

根据钻孔内主要地层第②层杂色黄土状土（plQ31）层内的常水头注水试验和第③层新近系砂质泥岩强风化层内的提水试验结果分析，计算出第②层杂色黄土状土（plQ31）层渗透系数K=1.75×10-6cm/s，第③层新近系砂质泥岩强风化层渗透系数K=1.55×10-5cm/s。根据试验、计算分析，两类地层渗透系数很小，富水性贫乏，岩体透水性属较差和很差级别。

[1]SL345-2007，水利水电工程注水试验规程[S].

[2]中国地质调查局.水文地质手册第二版[Z].地质出版社，2012-09.

U452.1

B

1673-9000（2017）05-0104-02

2017-05-11

张克翠（1978－），女，甘肃靖远人，工程师，主要从事工程监理、工程施工、工程试验工作。