不同围压作用下川西高原地区岩石渗透率变化特性试验研究——以巴郎山隧道为例

王 彪，赵 瑞*，李云松，许 模，刘晓辉，胡安奎

(1.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都 610039；2.西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 610039；3.四川国投环保科技有限公司，四川 成都 610051;4.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059)

人类工程活动和工程实践的开展都与工程岩体密不可分，而岩体作为重要的工程材料和载体，其渗透性对工程的稳定性和安全性有着非常重要的影响。岩体中存在的各种裂隙、空隙为流体和气体的通过提供了渗透通道，尤其是在水利水电工程和隧道工程中，岩石的高渗透性可能导致溃坝、溃堤、涌水等重大渗透破坏。目前关于岩石渗透率研究的热点主要集中在高渗透性介质的流固耦合渗流方面。如Jiang等通过对页岩进行水压-应力耦合下的三轴循环加卸载力学试验，分析了页岩在孔隙水压与循环应力耦合作用下的变形特征;杨秀荣等选取吉林省甄峰岭隧道区石灰岩为研究对象，分析了不同围压作用下破裂石灰岩的渗透率随净围压和渗透压的变化规律；张俊文等开展了无水与排水条件下砂岩应力-渗流耦合试验，得到砂岩变形全过程中应力-应变和渗透率的演化曲线，获得了应力-渗流耦合下砂岩的变形、强度和渗透率的演化规律；张俊文等对深部砂岩进行了高地应力状态还原下的“三阶段”加卸载应力-渗流耦合试验，得到了深部砂岩变形全过程中应力-应变和渗透率的演化曲线，较好地表征了应力-渗流耦合下深部砂岩的力学响应行为及其破坏特征；张培森等开展了不同围压条件下红砂岩水-力耦合试验，研究了不同围压条件下不同损伤程度红砂岩的渗流特性，推导了岩石损伤指标与岩石渗透率的关系式，揭示了岩石渗透率随岩石损伤指标变化的演化规律。

综上研究可见，前人的研究主要是对石灰岩、页岩和砂岩等进行加卸载直至破坏的全过程中岩石渗透率随围压、应力-应变曲线以及不同损伤程度的变化规律，并且大多数是选取的工程中常见的低地应力、低海拔地区的岩样渗透率进行试验，针对工程实践中低气温、强风化、高地应力、冻害严重和环境条件恶劣的高海拔地区岩样渗透率的研究较少，也少有考虑所选区域地质构造作用的影响。鉴于此，本文使用STY-2型气体渗透率仪和专门用于地层围压条件下岩石孔隙度和渗透率测量的YKS-II型智能覆压岩心孔渗联测系统仪器，对平均海拔为4 000～4 500 m的川西高原地区巴郎山隧道中低渗透率的砂岩和板岩岩样进行了应力场-渗流场耦合试验，研究了不同围压作用下该地区典型的代表性岩样——砂岩和板岩渗透率的变化特性及其规律，从而为探讨岩石渗透性能受岩性、构造作用强度、构造部位、风化、围压等因素的影响程度提供一定的参考依据。此外，通过研究和评价岩体在不同围压作用下渗透率的变化规律，可进一步分析地下含水介质的类型，建立隧道涌水量计算评价体系，分析隧道施工过程中可能出现的集中涌水段与突水点，并在此基础上对隧道涌水的危险性进行分级研究，进一步评价隧道涌水对工程与环境的影响，从而提出有效的防治措施，指导隧道设计和施工，对于隧道(涌)突水地质灾害防治具有重要的意义。

1 川西高原地质概况

川西高原位于青藏高原东侧，海拔为3 500～5 000 m左右，北面与柴达木盆地相邻，南接云贵高原，西面与藏北高原相接，东邻西秦岭、崛山和四川盆地。川西高原经历了强烈的地壳运动，尤其是喜马拉雅运动，使大多数岩石产生了变质作用，形成了以浅变质的板岩、砂岩、千枚岩、大理岩和蚀变玄武岩等为主的岩石。由于印度板块对欧亚板块的挤压，其北部发生了强烈的褶皱断裂和抬升，逐步形成了川西高原山高谷深、地形切割强烈的特殊地貌。川西高原地壳比较破碎，主要是以鲜水河断裂带、理塘断裂带等为代表，有以北西、北东和近南北方向为主的大断裂带(见图1)。正是因为断裂带的影响，川西高原的褶皱强烈，岩石受构造的影响严重，岩石节理裂隙发育，岩层产状多变。

图1 川西高原及邻区大地构造分布图Fig.1 Tectonic map of Western Sichuan Plateau and its adjacent areas注：①武山-天水断裂；②临谭-岷县-凤县断裂；③玛沁-略阳断裂带；④岷江断裂带；⑤黑水断裂带；⑥鲜水河-安宁河断裂；⑦甘孜-理塘断裂；⑧金沙江断裂；⑨青川-茂汶断裂；⑩北川-映秀断裂

图2 巴郎山隧道隧址区地形地貌特征Fig.2 Topographic and geomorphic characteristics of Balang Mountain tunnel site

2 材料与方法

2.1 试验仪器

本次试验主要使用的仪器设备包括STY-2型气体渗透率仪和YKS-II智能型覆压岩心孔渗联测系统仪器。其中，STY-2型气体渗透率仪用于常规的岩石渗透率测试，其原理是基于修正后的达西方程进行设计，具有结构简单、操作方便、测定速度快、精度高、误差范围小等特点，是常规岩心分析必不可少的试验装置；YKS-II智能型覆压岩心孔渗联测系统仪器(见图3)用于围压渗透率的测试，尤其适用于地层压力条件下岩石孔隙度和岩石渗透率的测试，其技术原理包括：①岩石渗透率测试采用气体稳态渗流达西定律；②岩石孔隙度测试依据气体等温变换原理，即玻马定律。

图3 YKS-Ⅱ智能型覆压岩心孔渗联测系统仪器Fig.3 Equipment of YKS-Ⅱ intelligent overburden pressure core porosity and permeability joint measurement system

2.2 试验方法

2.2.1 室内常规岩石渗透率测试

本次试验共取18块钻孔完整岩石试样进行室内常规岩石渗透率测试，岩样岩性为砂岩和板岩，其中分别取自钻孔ZK02和ZK03的完整岩石各9块(取样原则为根据钻孔深度平均取样)，按照试验规格将其制成直径为5 cm、高度为5 cm的圆柱体岩样(见图4)，然后将岩样浸泡48 h，使用STY-2型气体渗透率仪进行室内常规岩石渗透率测试。

图4 岩石试样Fig.4 Rock sample

2.2.2 室内不同围压下岩石渗透率测试

本次试验共取3块钻孔完整岩石试样进行室内不同围压下岩石渗透率测试，岩样岩性为砂岩和板岩，其中钻孔ZK02中取砂岩和板岩的完整岩石试样各1块，钻孔ZK03中取砂岩的完整岩石试样1块。测试前先依据取样岩石所在的钻孔深度计算出相应的岩石自重应力(见表1)，然后合理设置几个围压荷载(围压依次为<岩石自重应力、>岩石自重应力、<岩石自重应力)，在保证岩石不被破坏的前提下，进行加压和减压试验。

表1 研究区取样岩石的自重应力值Table 1 Gravity stress values of sampled rock inthe study area

2.3 试验原理

STY-2型气体渗透率仪和YKS-II覆压岩心孔渗联测系统仪器的工作原理是基于达西定律和玻马定律进行修正和优化的。

根据达西方程：

(1)

式中：

Q

为流体的流量(mL/s)；

k

为岩石的渗透率(cm或D);

A

为岩石试样的横截面积(cm)；

μ

为流体的黏度(Pa·s)；Δ

P

为进口与出口段流体的压力差(MPa)；

L

为岩石试样的长度(cm)。

由上式可得到岩石的渗透率为

(2)

由玻马定律有：

(3)

(4)

3 结果与分析

3.1 岩石渗透率随钻孔深度的变化规律

研究区两个钻孔岩样常规岩石渗透率的测试结果，见表2。

根据表2两个钻孔岩样岩石渗透率的测试结果，绘制研究区两个钻孔ZK02和ZK03的岩石渗透系数随钻孔深度的变化曲线，见图5。

表2 研究区钻孔ZK02和ZK03岩样常规岩石渗透率的测试结果Table 2 Permeability test results of routine rock samples in borehole ZK02 and ZK03 in the studyarea

图5 研究区钻孔ZK02和ZK03的岩石渗透系数随 钻孔深度的变化曲线Fig.5 Variation curves of rock permeability coefficient in borehole ZK02 and ZK03 with the depth of boreholes

由图5可见，随着钻孔深度的增大，砂岩和板岩的渗透系数相差不大，变化幅度很小，说明岩性的不同对岩石渗透率的影响很小；但在50 m和125 m钻孔深度附近，钻孔ZK02和ZK03存在岩石渗透系数异常变化的突变点。

结合巴郎山隧道纵剖面示意图(见图6)、现场勘测和钻孔数据分析可知，由于两个钻孔均在巴郎山隧道的出、入口附近，该处坡面较陡，表层岩土风化剥蚀较为严重，所取钻孔穿越夹金山倒转向斜，其受到巴郎山隧道隧址区夹金山倒转向斜褶皱带的影响，向斜在隧址区轴线近东西向，槽部地层为三叠系上统侏倭组，两翼地层为三叠系中统杂谷脑组，两翼地层均陡倾北西，轴面多次扭折，地层遭受强烈挤压，褶皱带岩石的节理、裂隙较为发育，此区段的钻孔岩样的渗流通道增多，其渗透性增大，所以存在岩石渗透系数异常变化的突变点。因此，在川西高原地区巴郎山高地应力隧址区，砂岩和板岩岩性的变化和钻孔深度的递增对岩石渗透性的影响较小，而地质构造如褶皱和断层是引起深埋隧道岩石渗透系数突变的主导因素。这是巴郎山隧道深埋隧址区岩体渗透性变化的特点，也是构建该区域水文地质模型过程中需要考虑的重点。

图6 巴郎山隧道纵剖面示意图Fig.6 Longitudinal section diagram of Balang Mountain tunnel

3.2 岩石渗透率随围压的变化规律

研究区钻孔ZK02和ZK03岩样在不同围压下岩石渗透率的测试结果，见表3和表4。

表3 研究区钻孔ZK02砂岩和板岩在不同围压下岩石渗透率的测试结果Table 3 Test results of sandstone and slate permeabilityin borehole ZK02 in the study area underdifferent confining pressure

表4 研究区钻孔ZK03砂岩在不同围压下岩石渗透率的测试结果Table 4 Test results of sandstone permeability in boreholeZK03 under different confining pressure

根据表3和表4两个钻孔岩样在不同围压下岩石渗透率的测试结果，绘制研究区两个钻孔ZK02和ZK03的岩石渗透率随围压的变化曲线，见图7。

图7 研究区钻孔ZK02和ZK03岩石渗透率随围压的 变化曲线Fig.7 Curves of rock permeability variation with confining pressure in borehole ZK02 and ZK03 in the study area

由图7可见，当围压小于岩石自重应力加压时，岩石渗透率均急剧减小，当围压加载到与岩石自重应力相当的荷载时，岩石渗透率最小；当围压加载到超过岩石自重应力的荷载再减压时，岩石渗透率刚开始变化甚微，但是随着围压的不断减小，岩石渗透率开始缓慢增大，不过最终岩石渗透率仍达不到初始的水平，并且相差甚远。

分析围压加载过程中岩石渗透率的变化曲线可以得到：①当围压增大时，岩石渗透率逐步下降，且变化趋势剧烈，说明围压作用下岩石中的部分孔隙、喉道和裂隙等渗漏通道被挤压、堵塞，其渗透能力减弱，岩石渗透率降低；②岩石渗透率随着围压的增大而减小的过程中，当围压为6 MPa左右时，岩石渗透率随围压的增大存在一个拐点，当围压小于6MPa时，岩石渗透率随围压的增大而陡倾下降，而当围压大于6MPa时，岩石渗透率随围压的增大而平缓下降；③同一个钻孔ZK02的不同岩样(砂岩和板岩)岩石渗透率随围压的增大，其下降程度和变化率的差别较大：当围压从2 MPa增加到6 MPa时，钻孔ZK02砂岩渗透率下降了96.24%，而钻孔ZK02板岩渗透率下降了86.65%，并且随着围压的增大，不同钻孔ZK02和ZK03的同一种岩性岩样(砂岩)岩石渗透率的下降程度和变化率也不一样：当围压从2MPa增加到4MPa时，钻孔ZK02砂岩渗透率下降了86.09%，而钻孔ZK03砂岩渗透率下降了92.54%。

分析围压卸载过程中岩石渗透率变化曲线可以得到：①卸围压过程中，岩石渗透率缓慢增大，说明原来在围压作用下岩石中发生的孔隙、裂隙的挤压变形随着围压的减小，有一部分渗流通道得以恢复，岩石渗透率又逐渐增大；②当围压卸载到最初始的加压水平时，岩石渗透率远远恢复不到最初的大小，说明围压加、卸载过程使得岩石中部分孔隙和裂隙发生了破坏，岩石的各项参数也发生了变化；③根据钻孔岩石渗透率随围压的变化曲线的趋势和走向可知，同一个钻孔ZK02的不同岩样(砂岩和板岩)渗透率随围压的减小，其恢复程度和变化率的差别较大，而且不同钻孔ZK02和ZK03的同一种岩性岩样(砂岩)岩石渗透率随围压的减小，其恢复程度和变化率也不同。

综上分析可见，通过对围压加载、卸载过程中岩石渗透率的测试，可以模拟得到岩体渗透性随隧道深度增加以及随隧道施工开挖前后围压增大和围压减小后的变化规律，这对掌握隧道施工开挖前后岩石渗透率的变化而引起的隧道涌水量的变化具有一定的工程指导意义，也可为进一步评价该区域岩体渗透性、计算隧道涌水量等提供依据和参考。但是本文所选取的钻孔岩样有限，不同围压所对应的岩石渗透率的测点值只选取了几个比较典型的区段值，特别是围压卸载阶段岩石渗透率的变化很小，选取的测点值较少，得到的模拟结果只是岩石渗透率随不同围压变化的大致趋势和走向，而对细微的规律变化没有进行更细致的刻画和研究，不同围压不同损伤程度下岩石渗透特性和隧道涌水量的变化将是下一步研究的重点。

3.3 岩石渗透率随围压变化规律的曲线拟合

为了定性和定量地表征研究区岩石渗透率与围压之间的关系，结合前人的研究成果，根据流固耦合试验，拟合得到岩石渗透率与有效围压的关系主要有以下3种函数关系式：

幂律函数关系式：

y=ax

指数函数关系式：

y=a

e多项式函数关系式：

y=ax

+

bx

+

c

式中：

y

为岩石渗透率(×10μm)；

x

为围压(MPa)；

a

，

b

，

c

为待定系数。前人对于岩石渗透率与围压关系曲线的拟合和研究中大多数是满足指数函数关系式和多项式函数关系式。但通过对图7中岩石渗透率与围压关系曲线的形态分析以及应用以上3种函数关系式对本次应力-渗流耦合试验数据进行拟合，结果发现：使用幂律函数关系式拟合得到的拟合曲线的拟合优度

R

最高，也最能反映试验数据的实际曲线的变化规律，满足试验的要求。因此，本文采用幂律函数关系式(

y=ax

)对研究区钻孔ZK02和ZK03岩样在围压加卸、载过程中的试验数据进行了拟合，其拟合结果见表5。

表5 研究区钻孔ZK02和ZK03岩样在不同围压下岩石渗透率与围压之间幂律函数关系的拟合结果Table 5 Fitting results of power law relationshipbetween permeability of experimental rocksamples and confining pressure in boreholeZK02 and ZK03 in the study area underdifferent confining pressures

由表5可知，围压加载过程中研究区两个钻孔岩样的岩石渗透率随围岩变化的拟合曲线的拟合优度

R

均在0.99左右，而围压卸载过程中其拟合曲线的拟合优度

R

也在0.91左右，表明总体上拟合精度较高。

根据表5的拟合结果，将研究区两个钻孔ZK02和ZK03岩样的岩石渗透率与围压之间幂律函数关系的拟合曲线与试验数据趋向曲线进行了对比，其结果见图8。

图8 研究区两个钻孔岩样的岩石渗透率随围压变化的拟合曲线与试验数据趋向曲线的对比Fig.8 Comparison between fitting curves and trend curves of rock sample permeability variation with confining pressure in borehole ZK02 and ZK03 in the study area

由图8可见，研究区不同钻孔、不同岩样的岩石渗透率随围压变化的拟合曲线在围压加载阶段大致与试验数据的趋向曲线重合，虽然拐点的位置有一定区别，但是总体上拟合曲线的拟合效果较好，拟合精度较高；而在围压卸载阶段，岩石渗透率的变化极为细微，由于试验测点有限，其拟合曲线的拟合精度不高，但其拟合优度

R

也在0.9以上，说明研究区岩石渗透率随围压的变化规律可用幂律函数关系式大致反映，这将对该地区隧道开挖和支护后岩石渗透率的变化而引起的隧道涌水量的变化分析有一定的借鉴意义。

4 结 论

本文通过对川西高原地区巴郎山隧道中钻孔岩样进行室内常规岩石渗透率的测试和不同围压下岩石渗透率的测试，得出如下结论：

(1) 在不设置围压的情况下，随着钻孔深度的增加，砂岩和板岩的渗透系数相差不大，波动性较小，即说明在川西高原地区巴郎山隧道隧址区，砂岩和板岩岩性的不同以及钻孔深度的变化对于岩石渗透率的变化不是主要影响因素。而在浅地表处出现岩石渗透系数异常增大的突变点是由于钻孔穿越了巴郎山隧道隧址区的夹金山倒转向斜褶皱带，其轴面多次扭折，岩石节理、裂隙十分发育，导致研究区段的岩石比较破碎，岩石的孔隙和裂隙增多。因此，在隧道施工、维护和运营以及水文地质模型构建的过程中，应该重点考虑地质构造如褶皱、断层对于岩石渗透系数的影响。

(2) 随着围压的变化(围压依次为<岩石自重应力、>岩石自重应力、<岩石自重应力)，岩石渗透率的总体变化趋势是在围压加载过程中岩石渗透率急剧减小，此后在围压卸载过程中岩石渗透率又缓慢回升，但回升的路径远远低于原始路径，即岩石渗透率恢复不到初始水平，说明围压加、卸载过程中会对岩石中的孔隙、裂隙和喉道产生一定的破坏，围压加、卸载过程对岩石渗透率的影响是不可逆的。

(3) 通过对研究区两个钻孔岩样在围压加、卸载过程中的试验数据进行曲线拟合，结果发现岩石渗透率随着围压的增大而减小，且服从幂律函数分布，拟合得到的拟合曲线精度很高，与试验数据的实际曲线吻合度较高，说明拟合的参数合理，能体现和量化川西高原地区巴郎山隧道隧址区钻孔岩样渗透率随围压的变化规律，与工程实际情况相符合，这对掌握隧道开挖前、后岩石渗透率的变化而引起的隧道涌水量的变化具有一定的指导意义，也可为进一步评价该地区岩体渗透性、计算隧道涌水量和水文地质模型的构建提供依据。