地质指标分析下的裂隙岩体渗透系数估算模型构建

2022-07-25邹建

科学技术创新 2022年23期

邹建

（贵州正业工程技术投资有限公司，贵州贵阳 550001）

岩体容易受多种因素影响，导致渗透性能发生大幅度改变，如何全面分析影响因素，构建较为准确的估算模型成为了重点研究内容[1]。目前，应用比较多的渗透系数求解方法有4 种，分别是渗透系数估算方法、反分析法、裂隙样本分析法、水文地质试验分析法[2-3]。相比之下，渗透系数估算方法的准确度较高，计算难度偏低。由于当前将此方法应用至岩体渗透性能分析中的研究较少，未能形成完整的评估模型，并且地质指标不全面[4-5]。为了弥补以往研究的不足，本研究选择充填物FSD、岩石质量RQD、埋深Z 因素作为研究指标，设计一套Z-RQD-FSD 估算模型展开深入探究。

1 工程概况

某水电站属于3 级工程，以河床碾压混凝土重力挡水坝作为枢纽布置方案，蓄水标高为2558m，上游与下游水头差值在88m 左右；以坝后消力池作为坝身布置方案；电站装机总容量为1086MW，以地下厂房作为左岸布置方案。工程坝址为茨玛绒侵入体，容易受风化、卸荷、构造影响，导致透水性能发生改变，需要准确估算透水性能变化数值，从而为工程施工方案设计提供较为可靠的信息支撑。如图1 所示为Lu 值随埋深变化曲线图（Lu为压水吕荣值）。

图1 Lu 值随埋深变化

2 现有的裂隙岩体估算模型与分析

2.1 现有的岩体估算模型

经过多年研究，国内外在岩体渗透系数估算方面的研究取得了一些成果，这些研究皆是以埋深Z 作为影响因素，例如文献[8]、文献[9]、文献[10]搭建以下估算模型：

文献[8]岩体估算模型：

文献[9]岩体估算模型：

文献[10]岩体估算模型：

上述模型中，参数a、参数b 皆为常数。

2.2 模型存在的问题

虽然该工程已经设计了一套岩体估算模型，但是该模型存在一些问题，总结如下：

图2 局部钻孔

2.2.1 岩土渗透性能容易受多种因素干扰，除了埋深Z 以外，还涉及充填物FSD、岩石质量RQD 等因素，当前模型指标不全面。

2.2.2 模型计算量较大，耗费时间较长。

3 裂隙岩体渗透系数估算模型的构建

为了优化传统岩体渗透系数估算模型，本研究通过整理大量文献资料，选取3 个对岩体渗透性能影响较大的因素作为主要地质分析指标，构建新的估算模型。如

3.1 模型指标

3.1.1 埋深Z：该项指标用于描述岩体应力水平，裂缝发育与之间成负相关关系，裂隙开度与裂缝发育之间成正相关关系。当岩体裂缝发育发生改变时，其他相关指标也将发生变化，容易引发岩体渗透性能的变化，从掌握资料来看，渗透性能将沿着垂直方向发生改变。

3.1.2 岩石质量RQD：该项指标用于描述岩体风化程度，作为岩体稳定性主要评价指标。

3.1.3 充填物FSD：该项指标用于描述裂缝中的细粒物质，例如粉砂质填充物、泥质等[6]。

3.2 模型的构建

本研究借鉴文献[7]、文献[8]、文献[9]、文献[10]中的研究观点，采用幂函数描述埋深与渗透系数之间的关系，而FSD 指标与RQD 指标之间存在负指数关系。由此推断，FSD 指标与RQD 指标之间必定存在关联关系。本研究将充填物FSD、岩石质量RQD、埋深Z 因素作为研究指标，设计一套Z-RQD-FSD 估算模型。如下：

公式（4）和公式（5）中，α、β、γ 皆为经验常数。其中，参数γ＜0，当裂隙充填不是很明显，且裂隙发育速度较慢时，岩体渗透性能随着埋深的增加而逐渐减弱。β＞0 时，当埋深保持不变时，裂隙充填程度越大（FSD 指标增大），或者裂隙发育程度越低（RQD 指标增大），对岩体渗透性能造成的影响为消极影响。

整理收集到的资料数据，计算不同钻孔的K 值和PD 值，结果如表1 所示。

表1 钻孔结果

将实测K 值与估算K 值进行对比，y=x 直线两侧聚集了大量数据点。由此判断，实测K 值与估算K 值比较接近，可以作为模型估算数据资料。

3.3 模型参数

将表1 中的相关数据带入估算模型中进行拟合，涉及到的参数如表2 所示。

表2 Z-RQD-FSD 模型参数

拟合结果中，由此看来，本文构建的Z-RQD-FSD 估算模型比较合理，可以反映岩体渗透特性。

4 模型的验证

为了进一步检验估算模型可靠性，本研究以文献[8]、文献[9]、文献[10]中的估算精度作为对照，对本模型的台湾钻孔、地下水封洞库参数估算合理性进行验证。本次拟合试验为钻孔HM-102-05、HM-103-06、ZK18、ZK11 赋予不同条件，运用Z-RQD-FSD 模型估算，得到如表3、表4、表5 所示结果。