基于钻孔内地下水流速和流向的岩溶裂隙介质渗透性研究

蒋文豪，周 宏，李玉坤，刘 伟，龚 冲，郭绪磊

(中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北 武汉 430074)

裂隙岩体的渗透性是地质灾害、水电工程、矿山工程等研究中需要重点考虑的因素之一[1]，随着国民经济建设的发展,对岩体渗透性进行研究非常必要[2]。岩体的渗透性是指岩体传输水或其他流体的性能[3]。在岩溶裂隙介质中，地下水以裂隙渗流为主，裂隙在一定范围内组成的导水网络成为地下水赋存的场所和渗流的通道[4]，岩体渗透性的大小取决于岩体中结构面的性质以及岩块的岩性，地下水在岩溶裂隙介质中的渗流具有高度的非均质性和各向异性[5]，而岩溶裂隙介质的非均质性是对其进行调查的主要问题[6]。目前对裂隙岩体渗透系数的确定方法主要有现场水力试验法、裂隙测量法和离散裂隙网络渗流数值试验法[7]，这些方法都是从侧面来获取地下水的渗流信息，而直接测定地下水的流速和流向是最直接地获取地下水渗流信息的方法。国内测定地下水流速和流向的方法主要有抽水试验法和示踪法，但这些方法都是间接测定地下水局部区域的流场，也不能直接获取地下水的流速和流向信息[8]。Paillet等[9]利用高级物探和钻孔流量计确定钻孔的出水段，并评价了各出水段的流量贡献，但该方法不能得到井中地下水实际流速分布和流向信息。周围含水层的优先流控制了井中地下水的流动[10]，井中的流速与地层中地下水的流速存在联系，已经有学者通过砂槽试验和实际计算做过相关的研究，认为井中地下水的流速是地层中地下水流速的2～10倍,部分条件甚至大于10倍[11]。

基于上述研究，本文以三峡秭归岩溶地区一个水文地质钻孔为例，采用美国Geotech公司生产的地下水流速流向仪进行数据采集工作，利用Aqua LITE软件进行数据解译，获取了钻孔内地下水流速和流向的垂向分布特征，并综合钻孔岩心编录、超声波测井和钻孔成像的结果，分析了岩溶裂隙介质在垂向上的非均质性和水平方向上的各向异性，得到该钻孔内岩体渗透性在垂向上的分布特征以及地下水在水平方向上的主要渗透方向。

1 钻孔地质概况与研究方法

1. 1 钻孔地质概况

本文所选取的水文地质钻孔NZK04位于湖北省宜昌市秭归县茅坪镇泗溪村三峡竹海风景区鱼泉洞北东侧30 m的空地上(E 110°54′49.23″，N 30°44′27.53″，孔口高程335 m),钻孔所在地区位于黄陵穹隆的西南缘，地层总体向南西倾，倾角在24°～36°之间，钻孔开孔地层为寒武系覃家庙组(∈2q)，岩性为灰色、灰黄色薄层—中厚层状微晶白云岩，局部夹灰黄色薄层状灰泥岩，钻孔周边还出露寒武系石龙洞组(∈1sl)地层，岩性为深灰色厚层细晶白云岩，见图1。钻孔孔深为264.1 m，其中0～30.5 m段为第四系松散破碎层，钻进过程中用实管封住；30.5～132.5 m段为寒武系覃家庙组地层；132.5～264.1 m段为寒武系石龙洞组地层。钻孔的开孔直径为168 mm，终孔直径为110 mm。

图1 三峡秭归岩溶地区某一水文地质钻孔(NZK04)地质概况Fig.1 Geological background of the borehole1.奥陶系地层；2.寒武系覃家庙组地层；3.寒武系娄山关组地层；4.寒武系石龙洞组地层；5.寒武系天河板组地层；6.寒武系石牌组地层；7.寒武系水井沱组地层；8.震旦系地层；9.南华系地层；10.泉水；11.钻孔；12.岩层产状

1. 2 研究方法

岩体的渗透性反映了岩体内裂隙的透水情况和岩体内裂隙的连通性[12]，可用渗透系数对其进行定量描述[5]。为了查清钻孔内岩性、裂隙发育和地下水渗流情况，本研究开展了钻孔试验，在整个钻孔试验过程中，除了对钻孔内地下水流速和流向进行测量外，还对钻孔进行了岩心编录、超声波测井、钻孔成像等工作。钻孔试验方法的功能和优缺点见表1。

表1 钻孔试验方法的功能和优缺点

1. 3 数据采集与分析

1.3.1 数据采集

本文采用美国Geotech公司生产的地下水流速流向仪对钻孔内地下水流速和流向进行了测量。该仪器主体探头由两个CCD摄像机、一个磁通阀门罗盘、一个光学放大透镜、一个光源和一个不锈钢外壳组成，可在水深305 m内保持密封。在地下水中自然形成的胶质颗粒可被定义为中性悬浮物[10]，当胶质颗粒经过流速流向仪镜头时将会被观察到，放大130倍的电子图像数据经高强度电缆传送到地表，再经Aqua LITE软件进行数字化处理并显现出来。

本次钻孔试验对钻孔内地下水流速和流向进行了为期5 d的分层测量，根据岩心编录的结果，发现寒武系覃家庙组地层岩溶裂隙发育，石龙洞组地层岩溶裂隙相对不发育，需要在地下水流速变化较大的地段进行加密测量，故在35～140 m段设置每1 m一段、在140～205 m段设置每5 m一段对钻孔内地下水的流速和流向进行测量。另外，还需要根据测量段与邻近段测量结果的差异来判断是否需要加密测量，若结果差异较大则需要加密测量，若结果相近则放宽测量间距。本次共测量了79段数据。测试时通过固定的三脚架将探头缓慢放到预期设定的位置，待探头稳定之后，开始测试，测试时间为10～20 min。测试结果直接显示测试位置钻孔内地下水粒子的流速和流向信息，并生成数据点分布图。测试获取的数据包括钻孔内地下水的平均流速、实际流速和实际流向等，其中地下水的平均流速为每一个测点流速值的算术平均值，地下水的实际流速为速度矢量的和，地下水的实际流向为流向的矢量和。

钻孔岩心编录工作主要按回次对钻孔取出来的所有岩心进行详细描述和记录，其内容包括描述岩性、确定地层时代和岩溶裂隙发育情况等。钻孔成像采用武汉长盛工程检测技术开发有限公司生产的JL-IDOI(A)智能钻孔电视成像仪，该成像仪由主机、电缆绕线架和光学探头组成，测试时固定好电缆绕线架，匀速下放探头，不宜过快，并控制速度在2 m/min左右，对钻孔全孔进行成像，实时采集全孔壁图像。超声波测井由湖北省地质环境总站遥感调查室完成，可以探测到高孔隙、高裂隙区[6]。

1.3.2 数据处理与分析

测量数据直接通过Aqua LITE软件输出即可，输出的结果主要有钻孔内地下水的平均流速、实际流速和实际流向。数据处理与分析的内容包括：岩体裂隙率的计算；分析钻孔内地下水流速和流向在垂向上的分布特征；由超声波测井曲线获得钻孔主要出水段；利用Spss软件对钻孔内地下水流速和岩体裂隙率结果进行回归分析。

岩体裂隙率是指单位岩体裂隙所占的体积百分比[14],其大小可以反映裂隙岩体渗流能力的强弱。本文通过钻孔成像系统自带的软件对采集的全孔壁图像进行分析，并按下式计算钻孔内岩体的裂隙率：

(1)

式中：n为钻孔内岩体的裂隙率;V为选取的测量岩体裂隙段岩心的体积(mm3)；Li为在钻孔图像上垂直于水平面测量得到的岩体裂隙垂直宽度(mm)；φi为岩体裂隙的倾角(°)；Si为岩体裂隙处岩心圆柱截面积(mm2)。

其中，岩体裂隙的倾角通过点击电视成像系统软件中“提取产状”工具，选择张开度好、贯通性好、无充填的“有效裂隙”[3]，连接裂隙最高点和最低点即可在软件中获取该条裂隙的倾角；连接裂隙在垂直方向的上下部分即可得到该条裂隙的垂直宽度。本文选取某固定点上下0.5 m总计1 m岩心范围内的岩体裂隙进行统计，并根据公式(1)计算该固定点处岩体的裂隙率。

2 结果与讨论

2. 1 地下水流速参数选取

钻孔内地下水平均流速和实际流速的垂向分布，见图2。

图2 钻孔内地下水平均流速和实际流速的垂向分布Fig.2 Vertical distribution of the mean velocity and the actual velocity of groundwater in the borehole

由图2可见，钻孔内地下水平均流速的分布范围为268.67～2 733.48 μm/s，钻孔内地下水实际流速的分布范围为1.52～2 019.31 μm/s，且钻孔内地下水实际流速值总是小于钻孔内地下水平均流速值。这是由于实测的钻孔内地下水粒子的流动方向不是单一的方向，地下水从裂隙介质进入钻孔内，流向不稳定，因此由简单的矢量分析得到的钻孔内地下水实际流速值并不可靠。由于地下水实际流速不能很好地刻画岩溶裂隙介质在垂向上的不均一性，所以本文选取地下水平均流速参数来进行分析与讨论，后文提到的地下水流速除特别说明外均为平均流速。

由图2还可见，钻孔内在35～140 m段的地下水流速较140～205 m段的地下水流速大，在66～72 m、112～124 m和127～131 m段的地下水流速出现峰值，其最大值达到1 798～2 733.48 μm/s，且在35～48 m和80～120 m段也出现几个小的地下水流速峰值；在140～205 m段地下水流速较小，其值基本维持在400 μm/s左右，仅在176 m处地下水流速出现较大的峰，其值达到916.79 μm/s。

2.2 钻孔内岩体岩溶和裂隙的垂向发育特征及其与地下水流速的对应关系

对钻孔全孔进行取心，根据钻孔成像和岩心编录的结果，将宽度小于1 mm的岩体裂隙划分为微细裂隙[15]，将宽度大于1 mm的岩体裂隙划分为大裂隙。结合钻孔内岩溶的发育情况，在垂向上对35～205 m段岩体的岩溶和裂隙发育情况进行了分类，共划分为23段，各段的地层岩性信息、岩溶和裂隙发育情况见表2。

由表2可知，覃家庙组地层岩溶和裂隙的发育程度较石龙洞组地层高，其中覃家庙组地层岩性分布有粉晶白云岩、泥质白云岩、炭质页岩等，裂隙从微细裂隙到溶蚀裂隙均有发育，在75.7 m处和88.7 m处分别发育有20 cm和30 cm高的小溶洞，且压水试验过程中没有起压，也说明覃家庙组地层很破碎。

线岩溶率是指钻孔所揭示的溶蚀洞穴、溶蚀裂隙在竖直方向上的比率[16],能反映碳酸盐岩分布区在一定地段内岩溶的发育程度[17]。钻孔揭露该岩溶地区石龙洞组地层没有溶蚀洞穴和溶蚀裂隙出露，仅发育小的溶孔，所以覃家庙组地层的线岩溶率明显高于石龙洞组地层的线岩溶率，其值分别为21.3%和0%。石龙洞组地层岩性均为厚层的细晶白云岩，发育了闭合的溶孔和一些微细裂隙，仅在177.2～181.2 m和185.5～187.8 m段发育了大裂隙。

由图2和表2可知，覃家庙组地层岩体裂隙发育程度较高，其对应的钻孔内地下水流速值也较大。这是因为：在岩溶地区，溶蚀强度随深度的增加而减小，而覃家庙组地层埋深较石龙洞组地层小，且覃家庙组地层在该地区的出露范围较石龙洞组地层范围广(见图1)，地下水补给条件较石龙洞组好，地下水作用强度大，在水的溶蚀和磨蚀作用下，覃家庙组的岩溶和裂隙发育，而石龙洞组地层仅自身发育了小的溶孔，没有水的溶蚀和磨蚀作用，造成其岩溶不发育。

表2 钻孔内岩体岩溶和裂隙的垂向发育情况一览表

对比图2和表2可以发现：钻孔内地下水流速在垂向上的66～72 m段、112～124 m段和127～131 m段分别对应钻孔成像结果中61.3～71.0 m段和108.0～116.0 m段的碎块状、蜂窝状溶蚀段以及129.7～133.1 m段的密集裂隙段，钻孔内地下水流速分布与钻孔成像结果很好地对应，说明这些地段的岩体渗透性好；钻孔内地下水流速在垂向上的37～48 m段、80～112 m段和124～127 m段达到400～1 000 μm/s，对应的地层岩性为粉晶白云岩，且裂隙规模较大，说明岩体渗透性较好；而钻孔内地下水流速分布曲线中的低值点分别对应裂隙介质中的微细裂隙段，钻孔内地下水流速小于400 μm/s，说明岩体渗透性差，其中钻孔成像结果中的55.5～57.0 m段和133.1～137.5 m段，对应的地层岩性为炭质页岩，且裂隙为微细裂隙，所以钻孔内地下水流速低至268.67 μm/s，说明岩体渗透性最差。

2. 3 钻孔内地下水流速与岩体渗透性的关系

钻孔内地下水流速与岩体裂隙率的相关性分析结果，见图3。在变化趋势上，一般岩体的裂隙率越大，钻孔的流速也越大。但图3中右下方存在两个异常点，分别对应钻孔深度76 m和84 m，这是由于此处岩体中有碳质泥剥落形成的类似于孔洞的裂隙，导致岩体裂隙率的统计值偏大，因此在进行回归分析时应剔除这两个异常点。利用Spss软件进行回归分析，得到钻孔内地下水流速和岩体裂隙率的回归方程为y=3 540.4x+329.35，且在95%的置信区间内(p<0.001)，表明线性回归方程显著。

图3 钻孔内地下水流速与岩体裂隙率的相关性分析Fig.3 Correlation of groundwater velocity and rock mass fracture rate within the borehole

研究区出露的地层为碳酸盐岩地层，影响超声波时差值的因素为泥质含量和岩体裂隙率，岩体完整性好则声波时差值较小。试验中每隔1 m对钻孔内地下水流速和声波时差取值，绘制钻孔内地下水平均流速-声波时差交会图，见图4。

图4 钻孔内地下水平均流速与声波时差的相关性分析Fig.4 Correlation of groundwater velocity and sonic time difference within the borehole

由图4可见，钻孔内地下水平均流速与声波时差散点主要集中分布在左下角，即声波时差越小，钻孔内地下水平均流速也越小，这是由于该钻孔岩性相对单一，声波时差较小，说明岩体相对完整，岩体裂隙率也应相对较低，故钻孔内地下水流速也较低。但钻孔内地下水流速与声波时差不是呈单纯的线性关系，在声波时差大的地方，钻孔内地下水流速也存在较小的值(见图5)，这是由于岩体裂隙被泥质填充或裂隙不贯通造成声波时差值变大。图4左上方出现的两个异常区分别对应115～122 m段和128～130 m段，这两段是在声波时差曲线的峰值附近，只是局部的声波时差值较小(见图5)。图5中声波时差曲线显示,覃家庙组地层较石龙洞组地层破碎，覃家庙组地层的破

图5 地下水平均流速和声波时差的垂向分布图Fig.5 Vertical distribution of groundwater velocity and sonic time difference

碎段，钻孔内地下水流速不是都很大，这与岩体裂隙的规模、填充性和地层的泥质含量有关，需要结合前述钻孔成像和岩心编录的结果进行综合分析。可见，岩体裂隙率较大的地段，钻孔内地下水的流速值较大；相应地，钻孔内地下水流速大的地段，对应的岩体渗透性好。

综上所述，钻孔内地下水流速和流向测量、岩心编录、钻孔成像、超声波测井均能体现在该钻孔附近覃家庙组地层的岩体渗透性较石龙洞组地层的岩体渗透性好。其中，岩心编录和钻孔成像手段对地层的观察能得到岩体的岩溶发育段、裂隙发育段和泥质含量较高的地段，但只能推测地下可能的出水位置；超声波测井的结果能直观地得到钻孔内的裂隙发育段；钻孔成像可以分析裂隙参数，并可以通过岩体裂隙参数得到岩体渗透性的大小，但都受岩体裂隙的贯通性和地层岩性的影响；钻孔流速和流向的测量结果能得到钻孔内地下水的流速参数，并能反映地层中地下水的渗透流速，可以直观得到钻孔附近地层岩体渗透性的相对大小。但钻孔内地下水流速受多种因素干扰，因此对地层岩体渗透性大小的分析要综合钻孔内地下水流速和流向测量、岩体裂隙和岩溶发育情况以及地层岩性进行判断。

2. 4 钻孔内地下水流向的分布特征

本文利用Aqua LITE软件得到钻孔内地下水实际流向的垂向分布，见图6。

图6 钻孔内地下水实际流向的垂向分布图Fig.6 Vertical flow distribution direction of the borehole

由图6可见，在35～205 m段，钻孔内地下水实际流向在0°～360°范围内均有分布，但其分布规律性不明显。

本次试验过程未做分层处理，相邻流区会相互影响，所以对于地下水流速较小位置形成的直线流不具有指示地下水流向的意义，因此要在地下水主要的出水位置上找直线流，该点的地下水渗流方向被认为是地下水的流向。从图2显示的钻孔内地下水平均流速和实际流速随深度变化的关系曲线可以看出，钻孔内地下水平均流速和实际流速都出现峰值，且钻孔内地下水实际流速几乎接近平均流速的位置为直线流区，则该点地下水的渗流方向具有参考意义。如图2中130 m处，钻孔内地下水实际流速和平均流速均出现峰值，通过Aqua LITE软件分析130 m处得到的钻孔内地下水平均流速和实际流速分别为2 476.95 μm/s、2 019.31 μm/s，两者较为接近,则该点地下水的渗流方向具有指示地下水流向的意义。

图7为130 m处由流速流向仪记录的钻孔内地下水粒子流速和流向随测试时间的分布图，其中地下水流向分布范围在30°～80°之间，且流向稳定，该点通过Aqua LITE软件计算得到的地下水流向为52.17°，该方向可代表130 m处地下水的渗流方向。

图7 130 m处钻孔内地下水粒子流速和流向随测试 时间的分布图Fig.7 Distribution of flow velocity and direction of the particles at 130 m within the borehole

Drost等研究表明，井内的流体流动方向与周围多孔介质的流动方向一致[18]，所以综合分析确定井内主要出水段直线流的地下水流向为该段地下水的真实流向。本试验钻孔的位置位于沟谷的一侧，由钻孔揭露的岩心可以看出，未揭露到大的构造，岩心的产状一致，所以除上部被封住的松散层地下水的流向与地表水的流向一致外，其余天然岩层中地下水的流动方向与该段一致，为52°左右。

2. 5 岩溶裂隙介质的各向异性特征

综上分析可知，钻孔内地下水的主要渗流方向为52°。根据钻孔成像结果绘制的钻孔内岩体裂隙玫瑰花图，见图8。

图8 钻孔内岩体裂隙的玫瑰花图Fig.8 Rose diagram of crack rosette within the borehole

由图8可见，钻孔内岩体裂隙的主要发育方向为北北东向的构造裂隙，北西西向的层面裂隙不发育，这与前面分析得到的钻孔内地下水渗流方向以20°～30°的小角度相吻合，结合统计得到的钻孔内地下水渗流方向和岩体裂隙的发育方向，说明层面裂隙方向不是钻孔的主要地下水渗透方向。

在钻孔实测剖面过程中，由于差异溶蚀作用，层面裂隙的隙宽和密度会变大，对分析地下水的主要渗透方向会产生影响，因此在作钻孔附近实测剖面中岩体裂隙的玫瑰花图时，仅选择垂向裂隙进行统计分析，见图9。

图9 钻孔实测剖面中岩体裂隙的玫瑰花图Fig.9 Rose diagram of crack of the measured section

由图9可见，钻孔实测剖面中岩体裂隙的主要发育方向也为北东东向，其与钻孔内地下水的主要渗流方向及剖面上的主要裂隙方向偏差不大。综合三者的结果，钻孔附近岩体地下水的主要渗透方向为南西-北东向。

3 结 论

(1) 流速流向仪测得的钻孔内地下水的流速分布可以直观地反映地层岩体渗透性的垂向分布特征，超声波测井结果可以直观地反映岩体的破碎程度，这两个手段能较好地分析岩溶裂隙介质垂向上的非均质性。但由于相邻含水层水流的干扰和地层岩性的控制，需要结合钻孔成像和岩心编录的结果对岩溶裂隙介质渗透性的垂向分布特征进行分析。

(2) 通过流速流向仪获取的钻孔内各段地下水流速和流向的特征中，地下水流速大且流向稳定的地段反映地层中地下水的主要渗流方向，该钻孔内地下水的主要渗流方向为52°左右。钻孔内地下水流速和流向的测量结果可以反映地下水在水平方向的主要渗透方向，但由于岩溶含水层的复杂性，应辅助钻孔成像中岩体裂隙的测量结果加以佐证。

(3) 该钻孔内岩体渗透性好的地段为66～71 m、112～116 m和129.7～131.0 m，也是钻孔内主要的出水段；覃家庙组地层中55.5～57.0 m段和133.1～137.5 m段以及石龙洞组地层岩体的渗透性差；其他裂隙较发育段，岩体渗透性一般。