齐大山铁矿西帮岩土体渗透系数参数确定

王 润，曹 洋，代俊杰，张 璐，陈肖肖

（1.鞍钢集团矿业有限公司 齐大山分公司，辽宁 鞍山 114000；2.鞍钢集团矿业有限公司，辽宁 鞍山 114000；3.辽宁工程技术大学 土木工程学院，辽宁 阜新 123000）

岩土体的物理力学参数影响着整个边坡的稳定性[1-6]，边坡的不稳定区域和边坡岩土体出现不同程度的涌水渗水现象[7]，极易引发滑坡等地质灾害。黄润秋[8]等使用新研发的高压渗透仪，采用“体变量法”进行渗透性测试，并用达西公式对试样渗透性指标计算分析，此方法很大程度上缩短了测试时间并且提高了测试精度；王铁行[9]等以有明显各向异性的黄土为对象，采用GDS 三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数，结果表明原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数，水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小，原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强；郭大立[10]等为确定储油气层岩石的渗透特性参数，根据实验室的岩芯分析装置和实验过程，通过数值求解描述流体在多孔介质中不稳定渗流的数学模型和自动拟合岩样上、下流压力随时间的变化，建立了识别岩芯渗透率和孔隙度的最优化模型并给出了模型的数值解法。基于此，以鞍山齐大山铁矿西帮为例，对西帮岩石和边坡土样采样，确定岩土体的密度和渗透系数[11-14]。为查明各含水层组的岩性和富水性、埋藏条件、地下水补给及径排条件等打下基础。

1 研究区概况

研究区位于齐大山铁矿坐落于辽宁省中东部，距离辽宁省鞍山市约11 km，隶属于鞍山市管辖，距沈阳桃仙机场75 km，交通便利。齐大山铁矿矿坑中心坐标为：东经123°06，北纬41°08′。齐大山铁矿位于辽河冲积平原的边缘地带，东部紧连着千山山脉。地形比较复杂，群山起伏，东高西底，相对高差为100～200 m，矿区西侧还算平坦，是一冲积平原，海拔标高一般在37～43 m。

2 岩土渗透系数试验

2.1 岩体密度和渗透系数测定

1）岩样基本物理参数。选择构成露天边坡的主要岩石，包括混合岩、含铁石英岩和绿泥片岩。从现场取样回来，采用岩石切割仪将岩样切成50 mm×50 mm×100 mm（其误差不超过2 mm），加工制备而成的部分岩样。对每组的岩样进行简单的密度测试，每种岩样选择3 个，配合直尺和电子秤测出岩样的体积和质量。最终测得混合岩的密度为2.44 g/cm3，含铁石英岩的密度为2.89 g/cm3，绿泥片岩的密度为2.64 g/cm3。不同岩样的密度测定结果见表1。

表1 不同岩样的密度测定结果

2）岩样试验原理及步骤。试验所采用的设备为ZYS－1 煤岩多功能三轴渗透仪。结合矿坑实际采深，取轴压为定值10 MPa，围压取定值为2.5 MPa，测定渗透压力在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 MPa 时下的渗透系数。3 种不同岩样的渗透系数计算如下：

式中：kT，T为水温为T ℃时岩样的渗透系数，按照相关规范公式可转换成20 ℃时的标准渗透系数kT，20，cm/s；△V 为在渗流稳定后，△t 时间段内通过试样的渗流量，cm2；H 为试样高度，cm；A 为试样横截面积，cm2；△h 为作用在试样两头的水头差，cm。

式中：σb为试验的渗透压力，kPa，ρw为水的密度，t/cm3。

3）岩样试验流程。用2 个对向压头固定岩样，岩样上下用防水胶带粘贴，保证岩样上下周围贴合紧密。用热缩管包裹已用黑色防水胶带处理好的岩样，随后使用加热风筒沿着岩样的一端从上到下加热，直至排出内部空气，使得热缩管完全贴合两端压头和岩样。将岩样渗透系数测定的核心设备，放置于恒温箱中。配套测试装置包括六通阀、储能器、数据采集仪、管线等等。试验所用的加压泵，试验测试中渗透压力的施加、轴压定值以及围压定值的实现，均靠加压泵配合储能器来实现。

4）岩样试验结果。不同渗透压力下的渗透系数如图1。混合岩的渗透系数的测定结果数值变化在2.91×10－4～4.32×10－4之间，整体看来其数值随着渗透压力的增大而增大。含铁石英岩的渗透系数随渗透压力的变化测定的结果数值从1.14×10－9逐渐增大到4.32×10－9。绿泥片岩的渗透系数的测定结果数值变化在4.24×10－3～5.26×10－3之间，渗透压力的增大同时也增大了岩样的渗透性。

图1 岩石不同渗透压力下的渗透系数

2.2 土体密度和渗透系数测定

1）现场取样。现场标定5 个不同位置的位置进行土体取样，对试验所取土样进行密度测试，所用电子秤精度值为0.1 g，采用排水法测量土样体积，试验进行3 次，取土体密度平均值为1.83 g/cm3，土样密度测试结果见表2。

表2 土样密度测试结果

2）土样试验原理及装置。实验室采用变水头法测定所取土体的渗透系数。试验时自来水的温度在11～17 ℃，结合GB/T 50123—2019 土工试验方法标准，试验装置包括：ST55－2：①改进型渗透仪，由环刀、透水板、套筒及上、下盖组成，环刀直径为61.8 mm，高度为4 mm；②水头装置：变水头管的内径1 cm，长度为1.10 m，分度值为1.0 mm；③其他装置：切土器、秒表、温度计、削土刀、凡士林。变水头渗透试验的渗透系数应按下列公式（3）计算：

式中：a 为变水头管截面积，cm2；L 为渗径，等于试样高度，cm；Hb1为开始时水头，cm；Hb2为终止时水头，cm；A 为试样横截面积，cm2；t 为渗流时间，s。

3）土样试验流程。试验流程为：①用环刀在平行土样层面切取扰动土制备试样，进行充分饱和；②将容器套筒内壁涂一薄层凡士林，将盛有试样的环刀推入套筒，压入止水垫圈；③把装好试样的渗透容器与水头装置连通；④在一定水头作用下静置一段时间，待出水管口有水溢出且稳定时，再开始进行试验测定；⑤将水头管充水至需要高度后，关止水夹，开时测记变水头管中起始水头高度和起始时间，按预定时间间隔测记水头和时间的变化，并测记出水口的水温。如此连续测记2～3 次后，再使水头管水位回升至需要高度，再连续测记数次，重复试验5 次。

4）土样渗透系数试验结果。先测出对应自来水温度下的渗透系数，再依据上式转换为20 ℃下的标准渗透系数，最终测得5 次的土样的渗透系数，土样渗透系数试验结果见表3。

表3 土样渗透系数试验结果

3 结语

1）齐大山西帮主要岩样（混合岩、含铁石英岩、绿泥片岩）在渗流作用影响下岩石整体性较好，作为基岩层可以有效的阻隔地下水渗流。

2）根据边坡土体的密度参数和渗透系数可知，土样中存在着一定的黏土，由于沙砾中的黏土导致渗透系数值比较小，同时可推测边坡渗水主要流经区域为土体的取样区域。

3）研究获得的各项参数指标将用于下一步地球物理勘探研究，为保护矿区生产安全与可持续发展提供一定依据。