西南某隧址区裂隙岩体渗透性分析

蓝宇骋 李窈靓 段明杰

（云南省交通规划设计研究院有限公司，云南 昆明 650200）

1 工程概况

西南某隧道位于构造剥蚀深切割高中山峡谷区，单幅全长约8458m，最大埋深约1350m。隧道穿越地层主要有三叠系上统侏倭组（T3zh）砂岩夹炭质千枚岩、灰岩、砾岩；中统杂谷脑组（T2z）千枚岩、砂岩、灰岩；下统菠茨沟组（T1b）变质石英砂岩、炭质千枚岩夹灰岩；二叠系（P）灰岩夹千枚岩；石炭系（C）灰岩夹炭质页岩；泥盆系危关群上组（Dwg2）炭质千枚岩、千枚岩、石英岩。

隧址区所处生态环境脆弱，正确认识隧址区内水文地质条件、隧道穿越区内岩体的渗透性能，深入研究隧道区域地下水动力场的循环演化，对隧道的安全施工，特别对隧道（涌）突水地质灾害防治都具有实际指导意义。

2 岩体渗透系数计算方法概述

岩体渗流参数是岩体渗透特性的量化，是定量化研究连续介质模型渗流的重要基础［1]。目前确定渗透系数的具体方法主要有：现场试验、裂隙统计求取岩体的渗透张量、数值模型反演法等。

现场试验，通常分为常规试验和专门试验两种。前者又包括现场工作的抽水试验和压水试验，是确定岩体渗透特性的最常用方法。各向同性的孔隙介质是现场试验计算K值的理论基础，尽管现场原位试验能够在一定程度上反映出试验点所处的地质环境条件。但所计算K值是一个无方向性的标量，对岩体渗透性能的实际情况难以完全揭示。而通过三段压水试验、交叉孔压水试验等专门试验，通过计算试验点的岩体渗透张量，能够反映出局部渗流力学特征，但对于整个渗流系统，通常耗资量大，进行大量试验较困难，往往限制了实际应用。

裂隙统计求取岩体的渗透张量，通常是基于工程现场地质情况，统计裂隙水力参数（产状、间距、隙宽）计算渗透张量。一般基于一定的抽样原则，测量大量裂隙的水力参数，获得空间不同位置的主渗透方向及主渗透系数，构成一个三维渗透系数张量场［1]。然而，在工程现场往往难以保证裂隙水力参数量测的精度，尤其当受到一定程度的卸荷作用，在测点附近的裂隙隙宽通常会有所张开，对地质原型状态下的原始地应力环境不能精准揭露；同时，考虑到岩体的渗透性与裂隙隙宽是三次方关系，因此在实际操作应用过程中是不能忽略这种影响［2]。

渗流模拟反分析是用已建立的渗流模型来反演求解岩体的渗透参数。其前提是基于工程现场所获取的地下水水位观测信息，因此可以综合反映出研究区岩体概况。地下水观测信息的可靠性、渗流模型概化的合理性和参数初值的精确度是影响模拟反分析的关键因素［2]。本次采用现场地质钻孔压水试验求取渗透系数。

3 利用钻孔压水试验计算渗透系数

利用隧址区已施工钻孔的水文地质试验（压水试验），如图1～6所示，计算各钻孔所在层位的水文地质参数K。

图1～6为有效深孔压水试验升压、降压曲线表，根据《水利水电工程钻孔压水试验规程SL31-2003》规定升压、降压过程中对应压力值流量绝对值不大于1L／min或者相对差不大于5%是，可认为基本重合，按照此规定以上各孔P-Q曲线基本重合，数据可靠，可利用数据进行K值计算。其中图1～4压水的P-Q曲线接近于过坐标原点的直线，为A（层流）型；图5～6两端压水曲线中部向上翘，为C（扩张）型，根据规定计算公式为：

当试验段底部与隔水层的厚度大于试验段长度时，按下式近似计算岩层的渗透系数：

当试验段底部与隔水层的厚度小于试验段长度时，按下式近似计算岩层的渗透系数：

根据各深孔试验段的实际情况，利用以上公式计算，结果如表1所示。

表1 各压水试验K计算表

4 隧址区岩体渗透规律

李远耀等对紫坪铺坝区砂岩渗透性空间变化规律的研究表明，在坝址区渗透系数在空间上存在4个垂向分带，即强风化卸荷带（0～50 m）、弱风化卸荷带（50～80 m）、浅埋带（100～140 m）和深埋带（大于140 m）；且认为在埋深小于140 m时，渗透系数随埋深加大呈明显的指数规律衰减，大于140 m时，平均渗透系数变化较小［3]。也就说明，岩体的渗透性能在空间一定深度范围内符合指数规律分布。图7为隧址区T2z地层渗透系数K与埋深h之间关系图，表明隧址区内T2z地层岩体的渗透性能在地表300m以上呈现明显的指数关系，300m以下变化不明显。其渗透系数K与埋深h之间关系为：

式中：K—不同深度的渗透系数（m／d）；h—不同深度（m）。

隧址区内其它地层与T2z所处构造环境一致，仅在岩性方面有差异，因此认为其它地层渗透系数的空间变化规律仍然服从指数模型，并用以下模型来评价：

式中：K—不同深度的渗透系数（m／d）；K0—不同地层的渗透系数的本底值（m／d）；h—不同深度（m）。

结合现场钻孔压水试验数据表1，利用以上计算模型，反算K0，即可以得到T1b、C+P地层的渗透系数在300m以内的空间变化规律。计算得：

T1b地层渗透性的空间变化规律计算模型为：

C+P地层渗透性的空间变化规律计算模型为：

式中：K—不同深度的渗透系数（m／d）；h—不同深度（m）。

5 结语

根据现场压水试验段的渗透系数，统计分析揭露隧址区内岩体渗透系数空间上的变化规律服从指数模型K ＝K0e-0.0125h。进一步计算出了隧道穿越各地层渗透系数的空间变化模型，T2z地层的渗透系数空间变化模型为K ＝0.5737e-0.0125h，T1b地层的渗透系数空间变化模型为K ＝0.08655e-0.0125h，C+P地层的渗透系数空间变化模型为K ＝2.185e-0.0125h。