北山场址区不同尺度结构面导水特性研究*

邓龙传 李晓昭 吴 云 王迎超 黄 震 刘江峰

(①南京大学，地球科学与工程学院，南京 210023，中国)(②中国矿业大学，深部岩土力学与地下工程重点实验室，徐州 221116，中国)(③江西理工大学，资源与环境工程学院，赣州 341000，中国)

0 引 言

随着我国核能的迅速发展，目前已经积累了大量的核废料，如何安全快速地处置核废料，已经成为我国乃至全世界各国的重大科技问题之一(潘自强等，2009)。放射性废物对人类健康有着巨大的威胁，因此，放射性核废物需要安全妥善地处理(段先哲等，2020;侯伟等，2020a,2020b)。正如世界经合组织放射性废物管理委员会提出的，高放废物是毒性最强的长寿命放射性废物，必须处置并与人类及其环境隔离数万年，这理应成为当代人解决核安全的道义基础，各国的施政目标。而关于高放废物的处置方法，经过多年的研究和实践，目前普遍接受的可行方案是深埋地质处置，即把高放废物埋在距离地表深约500～1000m的地质体中，使之永久与人类的生存环境隔离(王驹，2004；王驹等 2006，2007)。

深埋地质处置中普遍接受的关于核废料的封存方式主要是采用多重屏障，即天然屏障(围岩)，缓冲材料等(井兰如等，2006；侯伟等，2020a，2020b)。而我国从1985年开始在全国范围进行选址，以核工业北京地质研究院为首，全国多所科研院所团队共同努力，经过长年的场址评价，认为北山花岗岩具有强度高、渗透性极低、稳定性强等优点，最终确定甘肃北山为高放射性处置库首选预选区，花岗岩作为处置库的围岩(陈瑜，2020；金振蓉，2020)。

对于北山花岗岩场址，不同尺度地质结构面的发育特征与特性参数，是场地特性识别的关键(Xu et al.，2020)。与盐岩和黏土岩相比，花岗岩的强度更高，但其存在不同尺度的地质结构面，且地质结构面十分复杂，一方面，花岗岩体中的地质结构面，是控制地下水与核素迁移的通道；另一方面，对于这样的坚硬、较完整、地应力不是很高(预选出的花岗岩要求具有完整且构造应力不是很高)的花岗岩体，围岩变形和失稳模式更主要地受结构面发育特征的控制。其相关研究是公认具有挑战性的难题，也因而成为该类场址最令人担忧的原因所在(田开铭等，1989；井兰如等，2006)。

因此，控稳控水地质结构面的研究至关重要，受到国际同行高度关注，不同尺度结构面的发育特征及其参数提取是场地识别的重要环节。本文借助现场踏勘、室内样品分析、现场压水试验等一系列手段，对十月井断裂(一级结构面)、F4断裂(二级结构面)进行了重点解剖，确定了不同构造单元的导水特性，总结出不同构造单元的导水特性和内在结构之间的关系，以期为不同尺度结构面控水机制研究提供参考。

1 场址区不同尺度结构面现场踏勘

北山预选区在地质构造上位于塔里木地块北山加里东—海西褶皱带的二道井—红旗山腹背斜两翼的旧井岩体地段。研究区次级断裂构造以近东西向和北东向为主。岩体南、北有两条近东西向断裂带，与岩体内多条长短不一的北东向断裂，将花岗岩体分割成菱形块状。

贯穿旧井花岗岩条带的大的北东向断裂构造主要有旧井断裂、十月井断裂和半滩东—十月井西断裂，其长度大于10公里；芨芨槽、旧井、新场等块段内的断裂，以公里级为主；断裂围绕的岩体内存在大量的米级的节理，以及超过数十米的长大裂隙或裂隙带。其中：对一级结构面探槽揭示较好的十月井断裂、二级结构面露头岀露较好的芨芨槽块段边界F4断裂，进行了重点解剖。十月井断层和F4断层的相对位置见图1所示。

图1 十月井断层和F4断层相关位置图Fig.1 The location of Shiyuejing fault and F4 fault

2 不同构造单元现场压水试验

2.1 试验准备

为了对断裂带的渗透特性进行测试，采用自主设计研发的钻机和压水设备对断裂带的不同构造单元进行现场钻孔压水试验，原位钻孔压水试验是通过栓塞在钻孔内隔离出一段试验段，并对试验段进行压水，通过流量与时间的关系，计算钻孔周围岩体的渗透系数。对栓塞注水或对栓塞冲气使栓塞膨胀，从而对钻孔进行封堵。如图2所示使用栓塞封堵钻孔一端(图2a)或两端(图2b)，图2b所示的栓塞更适用于孔壁较为破碎的地层。栓塞至钻孔底端或栓塞之间成为试验段，以恒定压力对试验段进行压水。十月井3号孔接近断层核部，岩体破碎程度极高。1号孔与2号孔试验过程中均出现漏水现象，试验结果不太理想。十月井3号试验开始前对钻孔浇筑水泥并加护套管，试验结果较为理想。试验步骤：

图2 钻孔压水试验示意图Fig.2 Schematic diagram of borehole water pressure test

(1)首先根据地表岩石破碎程度以及与断层之间的距离选定具有代表性的地点进行钻孔，对破碎程度较高的岩体需加护套管。

(2)对钻孔进行洗孔，并清理孔内岩屑然后将栓塞放置于孔内或套管内指定位置，使用胶泥等抹在栓塞周围，对栓塞充气加压以确保不会从栓塞漏水。

小意：电视剧《请回答1988》里面的父亲说了一句话让我印象深刻：“我们也是第一次做父母呀！”所以，如果受到不公平的待遇，勇敢抗争的同时也要学会宽容和体谅。

(3)连接好整套设备，向钻孔内灌水至钻孔完全充水。

(4)试验开始，每隔一段时间记录下压实流量，待流量稳定一段时间之后获得稳定压力水头下流量、时间等相关参数，试验结束。

2.2 十月井断层破碎带压水试验结果

十月井3号孔试验开始前对钻孔浇筑水泥并加护套管，试验结果较为理想，其试验结果如图3所示，升降压曲线并未重合，曲线凸向Q轴。根据《水利水电工程钻孔压水试验规程》(2003)列举的5类P-Q曲线，基本判定该曲线符合紊流型特征。

图3 十月井断层破碎带钻孔压水试验P-Q曲线Fig.3 The P-Q curve of borehole water pressure test in the fracture zone of Shiyuejing

根据不同的计算公式所计算出来的渗透系数如表1所示。其中：公式1为根据规程所使用的公式(周圣骞等，2016)，公式2和公式3为美国复垦局推荐公式，公式4和公式5为球状模型渗流公式。

表1 十月井3号孔钻孔压水试验结果Table 1 Borehole water pressure test results of No.3 in Shiyuejing

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：K为岩体渗透系数；Q为压入流量；L为试验段长度；H为试验水头；r0为钻孔半径；αL为压力水头降为0时距钻孔轴心位置距离，也就是压水试验影响范围；ρ为折算半径。

经上述3种方法，岩体渗透系数平均值分别为1.7×10-5m·s-1、1.94×10-5m·s-1、1.32×10-5m·s-1，可以大致确定周围岩体渗透系数为(1.32～1.94)×10-5m·s-1。

2.3 芨芨槽F4断层断裂损伤破裂带压水试验结果

此外在芨芨槽F4断层断裂损伤破裂带进行了多组钻孔压水试验，钻孔位置示意图如图4所示，其中钻孔12所在位置为断层核部。

图4 钻孔位置示意图Fig.4 Diagram of borehole location

其中1～8号孔使用便携式钻机进行钻孔，孔深约2～2.5m，钻孔直径为7.8cm，9～13号孔使用空气压缩钻机钻孔，孔深为7m左右，钻孔直径为10cm。各钻孔的压水试验结果见表2，由于3号、8号、11号孔试验过程中栓塞未能良好阻水，导致试验失败。从各钻孔中所测得的平均渗透系数可知，由于断层核部附近破碎程度较高，测得的岩体渗透系数较大，一般大于2.4×10-6m·s-1。随着远离断层核部，岩体破碎程度相对较低，平均渗透系数出现明显降低。

表2 F4断裂各钻孔压水试验结果Table 2 Borehole water pressure test results of F4 fracture

3 不同构造单元室内渗透试验

3.1 室内渗透试验方法

在现场取样后，为防止样品在运输过程中受较大程度的扰动，现场套取时在岩样与样品收纳盒处充满液体石蜡，样品整体稳定性程度在蜡液凝固后得到加强。样品到室内后拆除外层盒体，进而熔化岩样周边蜡液，然后放入有机玻璃桶内对其周边分层灌注透明的环氧树脂固化剂。之后对测试仪器进行标定，侧壁渗透检验，然后按要求连接仪器就可以开始试验。其中侧壁堵漏是试验成败的关键，为有效封堵侧漏通道，环氧树脂的灌注宜分层、多次进行，每层厚度以2～3cm为宜，后一层的灌注应在前一层终凝后进行。图5为室内渗流的部分过程图。

图5 室内渗流过程图Fig.5 Indoor seepage process diagram

3.2 断层泥渗透试验结果

对十月井断层泥的4个不同样品进行了不同渗透压力的渗透试验。样品1的过水断面为20cm2，高度为40mm；样品2的过水断面为78.5cm2，高度为60mm;样品3和样品4的过水断面为30cm2，高度为40mm。表3为断层泥取样渗透试验数据，从中可以看出十月井断裂带浅地表发育的断层泥渗透系数约在(2～5)×10-11m·s-1，对应渗透率在(5～9.5)×10-18m2，并未发现断层泥垂向和横向之间的渗透特性各向异性。可以发现室内测得的渗透系数相比原位压水试验测得渗透系数偏小，分析认为这主要是尺度效应导致的，室内样品包含的结构面等导水性强的结构较少，使得室内测得样品的渗透系数小。

表3 十月井断层泥渗透试验结果Table 3 Permeability test results of Shiyuejing fault gouge

3.3 损伤带室内渗透试验结果

对十月井断裂损伤带的14个不同样品进行了渗透率测定，取样位置如图6所示。通过分析这14个样品的P-Q曲线图，对比《水利水电工程钻孔压水试验规程》(2003)中的五类P-Q曲线，十月井断裂损伤带主要表现出3种渗流类型：层流型、充填型、冲蚀性。其中典型的冲蚀、充填、层流特征如图7所示，冲蚀曲线表现为升压曲线凸向P轴，降升压曲线不重合；充填型曲线表现为升压曲线凸向Q轴，呈逆时针环状；层流型曲线表现为降升压曲线基本重合。不同样品渗流试验结果见表4，其中裂隙数量指样品内部包含的裂隙条数。由表4可知：十月井断裂损伤带室内样品渗透系数大体处于10-9～10-6m·s-1之间，在优势裂隙导水特征(P-Q曲线特征)近似的情况下，渗透系数却差异明显，如样品4、6、9、10、11均为层流型，渗透系数却差异明显，主要是因为样品所含裂隙数量不同(裂隙数量是沿样品截面切割成若干层统计得到的)，总体而言，样品渗透能力随其包含裂隙数量的增加而增大。

图6 断裂损伤带取样位置图Fig.6 Sampling location map of fracture damage zone

图7 十月井断裂损伤带样品P-Q曲线Fig.7 The P-Q curve of the sample in the Shiyuejing fracture damage zonea.样品1;b.样品2;c.样品4

表4 损伤带样品渗流试验结果Table 4 Seepage test results of damaged zone samples

4 场址区断裂的内在结构和导水模式

断裂带是否导水取决于内在的裂隙和断层泥发育特征，断裂一般可以分为两个水文地质单元：断层核和损伤破裂带(Caine et al.，1996；张锐等，2019)。断层核是变形最集中区，可能包含断层滑动面和断层角砾岩、碎裂岩和断层泥等多种组分，其中断层泥渗透性低，发育为阻水结构。断层核之外的其他组分则可能阻水，也可能导水，这取决于内在结构和组分。

4.1 十月井断裂内在结构

十月井断裂总体走向NE60°，倾向SE，倾角70°～80°。具左旋张扭性质，对旧井、板滩盆地起到控制作用。在十月井断裂的典型探槽，发育有20～30cm的断层泥。通过在断层核部进行取样，将其放在取样镜下进行观察，如图8所示，可以发现断层核部发育有断层泥、碎粉、碎粒，还可见明显的构造错动结构面。通过对取样颗粒进行分析，如图9所示，其中粒径小于0.01mm的细粒含量超过50%，(施斌等，2017)证明十月井断层核部发育有断层泥。

图8 十月井断层核部样品微观形貌Fig.8 Microstructure of the core sample of Shiyuejing fault

图9 十月井断层核部样品颗粒组成Fig.9 Grain composition of the core sample of Shiyuejing fault

利用压汞试验对断层泥的孔隙特征进行描述，选取了3个断层泥样品(编号2#、3#和4#)进行测试。其孔径-比表面积见图10，各样品的曲线特征大致类似。从各曲线中可以换算出最大孔径、最小孔径、平均孔径及中值孔径等孔径参数，其结果见表5。分析可知测试样品中平均孔径都在0.01～0.06μm，按照孔隙分类的方法(中国石油天然气总公司，1995)，十月井断层泥的孔隙结构以颗粒间孔隙为主，3个样品的孔径分布曲线离散性较大，反映了构造成因造成的强烈非均一性。

图10 孔径-比表面积图Fig.10 Aperture-specific surface area diagrama.2#孔径-比表面积曲线；b.3#孔径-比表面积曲线；c.4#孔径-比表面积曲线

表5 孔径参数测试结果Table 5 Aperture parameter test results

为了进一步验证断层泥的渗透特性，采用课题组研发的断层泥取样和试验测试技术(郭亮等，2018)，测得的十月井断层泥渗透系数见表3所示，渗透系数为10-11m·s-1。而在远离十月井断层的BS03孔，钻孔双塞压水试验结果如表6所示，远离十月井断层的裂隙岩体的渗透系数可达到10-7～10-9m·s-1(核工业北京地质研究院，2004)。由此可见，十月井断层核部的断层泥渗透性远低于断层的岩体，并已达到不透水地层的标准(中华人民共和国行业标准编写组，2008)。因此，十月井断层泥可视为阻水结构。

表6 远离十月井断层的BS03钻孔压水试验结果Table 6 Borehole pressure water test results of BS03 far from Shiyuejing fault

十月井断裂在其核部两侧发育有约20m的损伤破裂带，为了对损伤破裂带进行鉴别和导水特性确定，借助三维探槽对其结构和地质成因进行了精细识别与表征。如图11所示，通过分析三维探槽断面中较为典型的岩体断裂带破碎模式，可以知道断裂带形成的力学成因，具体情况如图11中的B、C、D中所标注的，总体十月井断裂上盘的作用力向下，下盘的作用力向上。在仔细分析断裂带的内在结构模式和提取参数后，进行系统的鉴别取样，采用室内渗透仪对多组十月井破碎岩样进行室内渗透试验，获得十月井断裂损伤带室内样品渗透系数大致处于10-9-10-6m·s-1，原位钻孔压水试验获得的十月井断裂损伤带岩体的渗透系数约为5×10-5m·s-1。总体而言，通过系统鉴别、参数提取、取样和原位测试，可以发现十月井断裂在横向上为导水-阻水复合模式。

图11 断裂带内在结构模式三维探槽精细识别Fig.11 Fine identification of the internal structure pattern of the fault zone by three-dimensional exploratory trench

4.2 F4断裂内在结构

F4断裂总体走向NE40°，断面倾向300°～320°，倾角50°～60°(图1)。通过探槽鉴别，该断层核部宽约3.61m，主要以碎粒、碎粉和破碎为主，夹毫米级断层泥，不具备阻水条件，为导水结构。

F4断裂带的渗透试验不同于常规的渗透试验，构造岩不同于一般的多孔介质，具有极高或极低的渗透性；样品不规则、多尺寸、极脆弱。采用课题组研发的渗透仪(郭亮，2015)测得F4断裂带的样品渗透数据为7×10-6m·s-1，渗透系数较大，结合内在结构特征，为一导水构造单元。

5 结 论

本文主要是对北山场址区内的一级结构面十月井断裂和二级结构面芨芨槽附近的F4断裂进行了内在结构鉴别和不同构造单元导水特性的研究和分析，主要得出以下结论：

(1)对十月井断层泥的显微构造、粒度特征及孔隙特征进行了分析研究，并通过三维探槽对断裂损伤带进行了精细刻画。室内试验和原位压水试验测得的十月井断层核部渗透系数分别处于(2～5)×10-11m·s-1和(1.32～1.94)×10-5m·s-1，断裂损伤带的室内样品渗透系数为10-9～10-6m·s-1之间，P-Q曲线大致表现为充填、层流、冲蚀等3种特征。最后得出十月井断层核部为阻水结构，总体上断裂带为导水-阻水复合结构。

(2)通过探槽鉴别，F4断层核部以碎粒、碎粉和破碎为主，不具备阻水条件；原位压水试验表明F4断层核部岩体渗透系数一般大于2.4×10-6m·s-1；室内渗透试验表明F4断裂带核部渗透系数为7×10-6m·s-1，渗透系数较大。最后得出F4断裂总体上为导水构造单元。