裂隙岩体渗透参数的工程应用

摘 要：裂隙岩体的渗透特性本质上受控于地质条件、结构面及卸荷裂隙发育程度等，因而确立渗透系数的表征方法及其应用是水电工程、能源环境等领域的重要课题之一。结合我国西南地区某大型水电站的工程地质及水文地质资料，基于岩体结构与风化卸荷作用，利用数理统计方法对裂隙岩体的渗流特征及分布规律做了一些分析和研究，建立了工程区岩体渗透性分区，并最终取几何平均值作为岩体工程地质单元的平均渗透系数，用于地下厂房防渗排水系统有效性及安全性的评估，为今后峡谷区工程岩体渗透参数的应用提供了依据。

关键词：钻孔压水试验；渗透系数；渗透性分区；渗控效应评估

中图分类号：TU443"" 文献标识码：A"" 文章编号：1673-1794（2024）05-0001-04

作者简介：彭佩，芜湖职业技术学院建筑工程学院讲师，硕士，研究方向：水电工程渗流分析与控制（安徽 芜湖 241000）。

1 引言

岩体的渗透系数是边坡及地下工程防渗排水系统设计的基础，也是工程区渗流场分析与渗控效应评价的关键。因而，在隧洞开挖、能源开采等各类大型工程前期勘测时，通常需要利用各种现场测试技术获得岩体的渗透参数，以便进行地下水模拟确保岩体的渗透稳定。

蒋小伟等^[1-2]通过西南某水电站部分压水试验段的数据作回归分析，表明了自重应力对渗透性的控制作用，分析了玄武岩中层间错动带C2的渗透特征；陈君等^[3]借助钻孔压水试验和钻孔电视图像资料估算了不同地区岩体的渗透性，并建立裂隙岩体渗透系数估算模型；彭佩等^[4-5]利用多个水电工程的地勘资料，揭示了西南峡谷区岸坡岩体透水性随岩性、地应力条件等的变化规律，总结了裂隙初始张开度对岩体的初始渗透系数和衰减系数的影响。张营丰等^[6]通过收集数万组室内和现场渗流试验数据，在统计各类岩体渗流参数的基础上对比了岩体渗透系数取值的分区法和分布法对渗流场的影响。由此可见，借助钻孔压水试验数据的数理统计可以用于定量评估岩体渗透特性及其裂隙发育程度、描述渗透结构分布特征，从而建立有效的渗流分析模型。

文章基于我国金沙江某大型水电站工程区左右岸10个典型剖面钻孔压水试验数据，利用统计学原理分析了岩体渗透特性与地层岩性、地质构造、风化卸荷等因素的关系，并阐述了如何利用压水数据的统计结果确定岩体渗透性分区和渗透系数的取值，最终应用于基于SVA法^[7，8]的岩体三维渗流场数值模拟分析，评价了该水电站地下厂房防渗排水系统的有效性及安全性，为后续进一步揭示开挖扰动效应对岩体渗透性演化的影响提供了依据。

2 岩体渗透性的确定方法

岩体渗透性的测试技术主要分两大类：第一类以岩体为对象，通过现场试验或室内模型实验获取所需的参数，如现场压水试验法、抽水试验法、示踪试验和渗水试验等；第二类方法首先分别获取岩块和裂隙的水力参数，再结合裂隙岩体的结构特征，通过等效处理的手段进行研究，如确定等效渗透张量的样本统计法和裂隙网络数值试验法。其中，现场试验法可以通过单孔试验确定岩体的渗透系数，或者交叉孔试验求解岩体的等效渗透张量^[9]，因此该方法为目前确定岩体渗透特性的主要方法。裂隙样本法基于统计学及立方定理^[10]，具有概念明确、实施简便的优点，但是岩体中裂隙的几何参数难以准确测量^[11]，因此该方法应用较少。裂隙网络数值试验法由Long^[12]于1982年提出，能够简单、高效地确定裂隙岩体表征单元体和等效渗透张量，但该法通常假定裂隙为无限延伸，这往往与实际情况不符。

目前，压水试验主要以单孔压水试验为主，还包括有三段压水试验、交叉孔压水试验等。单孔压水试验是通过压力和流量的关系来确定岩体渗透参数的一种原位渗透试验^[13-14]，利用单孔压水试验得到的渗透系数反映了一定范围内岩体的平均渗透特性。

根据钻孔压水试验得到的各试段流量随压力的变化关系可以确定岩体的透水率，该参数一般用于表征岩体的完整性和可灌性。但利用巴布什金经验公式，将压水试验得到的透水率Lu值转换成相应试段岩体的综合渗透系数k，则可用于反映岩体渗透性的大小。

k=0.00528Lulg1.32Lr（1）

式中：k为岩体渗透系数（m/d）；Lu为压水试验的透水率（L/m·min）；L为压水试验段总长（m）；r为钻孔半径（m）。

3 渗透性分布特征与参数取值

3.1 地质条件对渗透性分布的影响

某水电站位于金沙江干流上游河段，工程区内地形陡峭，两岸山体相对高差大于1000m，山顶高程大于4000m，岸坡高陡且卸荷强烈，呈深切“V”型峡谷地貌。由于工程区岩体岩性相对均一且结构较为完整，软弱岩脉及蚀变岩带不发育，因而岩体渗透特性主要是受结构面及岩体风化卸荷控制。

（1）地层岩性

坝区基岩以石英闪长岩（δο³4）为主，主要有尾水隧洞、俄德西石料场涉及。石英闪长岩与花岗闪长岩呈渐变特征，矿物成分相同，主要区别在于矿物含量不同，两种岩石表观颜色相似，均为粒状结构，块状构造，同属坚硬岩，试验成果也显示新鲜岩石的岩块强度、模量相当。

坝址区所属区域地壳整体抬升，河谷剧烈下切，河床冲积层厚度不大。钻孔揭示厚一般5～15m，最大揭示厚度30.4m，层次简单，主要由漂砂卵砾石组成。两岸局部坡脚和缓坡地带发育崩、坡积堆积，以崩积堆积（colQ4）为主，部分为崩坡混合堆积（col+dlQ4），厚度一般5～15m，最大揭示厚度39.6m，规模较大的有2#、3#崩塌堆积体，主要由孤块碎石土组成，较松散～较密实，成分混杂，岩性为石英闪长岩，此外左岸发育有5#堆积体，右岸发育6#、7#、8#堆积体。

（2）岩体结构

工程区主要发育的Ⅱ级结构面主要有F1、F2、F3、F4等4条断层，破碎带及上盘影响带宽度基本都大于1m，可见长度延伸数百米至千米，贯通性强，地下水呈股状流水，其具体构造特征如表1所示。

断层及挤压带如F1、F2等结构面，其破碎带及上盘影响带岩体延伸长、贯通性强，F1主要分布在Ⅶ线左岸及河床部位，地表被崩坡堆积覆盖，左岸2950m高程以下未见地表露头；F2分布于Ⅶ线两岸及河床部位，两岸地表呈负地形特征，均被崩坡堆积覆盖。根据F1的空间分布特征和空间关系，F1为F2的下盘分支断层，呈扁平透镜状分布于左岸河床偏左和低高程一带，位于F2的上游，具体产状如图1所示。

对F1、F2断层周围岩体的钻孔压水试验数据进行分段统计（统计结果见图2），主要划分为大于10Lu、3～10Lu、1～3Lu和小于1Lu四段，结果显示透水率在10Lu及其以上的钻孔段，占到总钻孔段数的35%以上，其中最大值高达25Lu，属强～中等透水；断层F4沿断层带的上盘及附近地下水发育，呈线状流水，据统计其透水率最大值仅为3.9Lu，平均值约为2.55Lu，整体透水性较小，表明挤压紧密的断层破碎带起到较好的阻水作用。

（3）风化卸荷作用

坝址区主要为石英闪长岩，岩石抗风化的能力一般，如图3所示。弱上风化岩石长石矿物风化蚀变模糊浑浊，干燥岩石表面多呈浅灰黄～灰白色，断面粗糙，起伏不平，表面呈疙瘩状凸起，光泽较暗。弱下风化岩石矿物局部蚀变，岩石表面多呈浅灰色～灰白色，断口较平直，光泽较亮。以裂隙式风化为主，裂面多中～轻锈。

部分钻孔风化卸荷深度如表2所示，其岸坡岩体风化卸荷主要呈现以下特征：①岩体强卸荷带深度与弱风化上限基本一致，弱卸荷带深度比弱风化下限略深；②两岸低高程强、弱卸荷带深度基本相当，中、高高程左岸岩体卸荷深度比右岸略浅。

剔除了部分仅在河床布置的钻孔，选取了10个地质勘探剖面（从上游往下游，依次为横Ⅸ、横Ⅰ、横Ⅱ、横Ⅲ、横Ⅲ′、横Ⅰ′、横Ⅳ、横Ⅶ、横Ⅹ和横Ⅺ）中共34个钻孔839段的压水试验数据进行了统计（表3），结果表明两岸岸坡岩体整体上以弱透水为主，部分微透水，少量中等透水，个别强透水。

此外，按风化卸荷特征进行透水率分段统计如图4所示，①强卸荷弱上风化岩体发育于浅表岩体，水平深度一般为15～35m，发育3～4组结构面，延伸长，贯通性强；在统计到的39段压水数据中有12段的透水率吕荣值大于10Lu，其中最大值高达140Lu，该类岩体具有较强的渗透性，属中等～强透水。②弱卸荷弱下风化岩体水平埋深35～60m，发育2～3组结构面，张性裂隙一般张开0.5～3mm，局部3～5mm，其渗透性具有不均匀性，地质较差；共统计到132段压水试验资料，渗透率在10～100Lu占41段，约占30.8%，局部区域透水率1～10Lu占66%，极少部分岩体的透水率小于1Lu，仅占3.2%；岩体主要表现为弱透水性，局部中等～强透水。③微新无卸荷岩体水平埋深45～85m，裂隙轻度～较发育，一般1～2组，裂隙张开0.5～3mm，延伸3～5m；据统计透水率小于10Lu共有521段，其中1～10Lu约占68%，小于1Lu占25%，因而岩体透水性以弱透水及微透水为主。④深卸荷岩体发育的垂直深度多在90～110m之间，高高程略深，约为130～160m；岩体发育1～2组裂隙，以弱～微透水为主，小于3Lu的压水段约占68%；还有少量中等透水岩体，主要集中在断层F2附近，透水率在10～25Lu。

从整体上看，由于受卸荷及构造等因素影响，某水电站两岸岩体透水性较弱、储水空间分布不均匀；从局部来看，部分断层挤压带及影响带、裂隙密集带岩体透水性较强，卸荷带内岩体透水性较微新无卸荷岩体渗透性强。

3.2 压水实验资料分析及渗透分区

依据统计得到的岩体渗透性随风化卸荷带以及结构面的分布规律，最终某水电站岩体渗透性分区主要依据风化卸荷程度进行划分：①强卸荷弱上风化岩体、弱卸荷弱下风化岩体、断层挤压破碎带及影响带岩体划为中等透水区，q≥10Lu；②裂隙密集发育的微新岩体分为弱透水区，qlt;10Lu，局部q≥10Lu，进一步细可分为弱透水偏强区（3Lu≤qlt;10Lu）和弱透水偏弱区（1Lu≤qlt;3Lu）；③微透水区主要为裂隙轻度发育无卸荷微新岩体，qlt;1Lu。某水电站坝轴线剖面渗透分区如图5所示。

结合具体风化卸荷带等分布特征，渗透性分区的范围分布为：①考虑到强卸荷下限以上区域范围较窄，并且其渗透特性分布与弱卸荷下限过渡区的岩体较为相似，故将二者合并，即弱卸荷下限以上区域为中等透水区；②弱卸荷下限至基岩面以下120m处左右范围为弱偏上透水区；③弱卸荷下限以下120～180m处范围为弱偏下透水区；④距弱卸荷下限180m处以下范围为微透水区。按照以上各渗透性分区进行压水试验段段数统计，结果如表4所示。结果表明，划分了岩体渗透性分区后的透水率分布情况与整体上的分段统计值（表3）都较为接近，说明按风化卸荷程度对某岸坡岩体划分渗透特性是合理且有效的。

在明确岸坡岩体渗透性分区的基础上，通过把钻孔压水试验吕荣值（Lu）转换为渗透系数，来研究岸坡岩体各分区内的渗透特分布特征，以便为后期工程区渗流场的数值模拟服务。

采用某水电站坝址区钻孔压水试验资料，利用上述10个典型剖面的压水试验资料进行统计研究，运用统计学原理来确定各渗透性分区内岩体的渗透参数，具体如下：

①按照式（1）将每一段压水试验段的透水率换算成渗透系数。

②对典型剖面上的各个渗透分区的钻孔试验段进行数值统计，将压水试验资料中经过断层的数据剔除（即剔除极大值），绘制各渗透性分区的渗透系数散点图如图6所示。

③计算各渗透性分区岩体渗透系数的几何特征值，如表5所示。其中，算术平均值为各渗透性分区中所有渗透系数的平均值，记为k=1n∑ni=1ki；中值为各渗透性分区内渗透系数累积频率达50%的数值；几何平均值为各渗透性分区中所有n个数值乘积的n次方根，记为kn=（∏ni=1ki）^1/n。

以上统计结果表明，在中等透水区和弱偏上透水区岩体渗透系数的中值和几何平均值均比较相近，略小于算术平均值，这是由于在这两个区域内有一定程度深部裂缝发育，导致有部分极大值影响到整体渗透性的平均水平；虽然微透水区各个统计值之间稍有差异，但考虑其量级较小，仅为10^-6，因而此种偏差基本上可以忽略。总体来说，各区岩体渗透系数的算术平均值、中值和几何平均值偏差均不大，各分区内岩体渗透性分布均匀，也再一次印证渗透性分区的合理性。

考虑到各渗透性分区内的透水率数值范围较大（已剔除极大值），为合理体现数据的平均水平，最终确定以几何平均值取整后作为各分区渗透系数，列入表6并作为地下厂房岩体渗透性数值模拟的计算参数。

3.3 岩体地下水三维渗流场分析

根据水电站厂区工程枢纽布置、地质地形条件、防渗及排水系统布置情况等，建立了如图7所示的厂区三维整体有限元模型，整个计算域共划分单元1737428个，结点519702个，以便用于厂区三维渗流场模拟和渗控效果评价。

模型有效地模拟了该水电站地下厂房、引水和尾水系统等结构，并且对厂区排水廊道及排水孔幕进行了精细化模拟，如图8所示在地下厂房顶拱上部设置了“人”字形排水幕，其中厂区平面布置及防渗帷幕等如图9所示。

厂区三维渗流场计算模型边界条件如下：游库水淹没区取上游定水头边界，水头值为2889m；下游河道及下游水位以下的表面结点取下游定水头边界，水头值为2720m。通过SVA方法对叶巴滩水电站厂区渗流场进行计算分析，在正常蓄水位时各典型剖面渗流场模拟结果如图10所示，包括主厂房横剖面、主厂房中心纵剖面和主变室中心剖面水头分布（包括自由面）和渗透坡降矢量图。

从图10中可以看出，防渗帷幕前的地下水位较高，经帷幕和排水孔幕后自由面下降，表明其防渗设计较好地阻止了地下水向厂房区域渗漏，自由面在主厂房底部上游侧边墙溢出。山体侧地下水位穿过厂房排水孔幕时也迅速降低，并经过主变室底部在主厂房底部下游侧边墙溢出。由于尾水调压室布置于防渗帷幕与排水孔幕外侧，因此尾水调压室完全淹没在自由面下方。水头等值线在厂区防渗帷幕上游侧比较密集，在帷幕后排水孔幕下游侧及地下洞室附近比较稀疏。

总体上来说，渗流自由面经防渗帷幕前后形成明显的降落漏斗，厂区围岩周围防渗排水效果较为显著，地下厂房渗漏总量为9.61L/s，主要位于厂房最底层排水廊道，整体渗漏量得到有效的控制。此外，主厂房横剖面、主厂房中心纵剖面和主变室中心纵剖面的渗透坡降最大值分别20、21和24，均位于防渗帷幕后的厂房排水孔底部，从渗透坡降图中可以看出厂房围岩渗透坡降较低。

4 结论

文章介绍了某水电站地下厂房工程的工程地质和水文地质条件，结合岩体渗透结构特征，对工程区岩体的渗透性进行分区，为今后峡谷区工程岩体渗透参数的取值提供了依据。对该水电站各分区岩体的渗透参数进行分析后表明，各分区渗透系数的算术平均值、中值和几何平均值偏差均不大，说明各分区内岩体渗透性分布较为均匀，进一步验证了岩体渗透性分区的合理性。最终确定以几何平均值作为地下厂房三维渗流场分析的计算参数。

在此基础上建立了其厂区整体三维有限元模型，精细模拟了某水电站地下厂房、引水和尾水系统等结构，并采用SVA方法完成渗流场计算，对比分析了渗流自由面和水头分布等渗流要素的变化情况，说明正常工况下厂区防渗帷幕、排水孔幕的防渗排水效果显著，自由面穿过帷幕及帷幕后排水孔幕时出现下降趋势，在厂区围岩周围形成明显的降落漏斗。厂区的总渗漏量为9.61L/s，表明防渗帷幕及帷幕后排水较好地阻止了地下水向厂房区域渗漏，厂区渗流场得到了有效控制。

［参 考 文 献］

［1］

蒋小伟，万力.玄武岩体及其层间错动带的渗透性特征[J].工程勘察，2008（10）：25-29+75.

[2] JIANG X W，WANG X S，WAN L，et al.Semi–empirical equations for the systematic decrease in permeability with depth in porous and fractured media[J].Hydrogeology Journal，2010，18：839-850.

[3] 陈君，刘明明，李星，等.一种基于地质指标的裂隙岩体渗透系数估算模型[J].岩土力学，2016，37（6）：1706-1714.

[4] 彭佩.峡谷区岸坡岩体渗透性分布规律浅析[J].陕西水利，2019（3）：138-142.

[5] 彭佩.浅谈钻孔压水试验在水电工程中的应用[J].安徽建筑大学学报，2021，29（4）：89-93.

[6] 张营丰，陈益峰，陈锴锟，等.岩体渗流参数统计模型及其应用[J].武汉大学学报（工学版），2023，56（12）：1513-1526.

[7] CHEN Y，YE Y，HU R，et al.Modeling unsaturated flow in fractured rocks with scaling relationships between hydraulic parameters[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2022，14（6）：1697-1709.

[8] CHEN Y，ZENG J，SHI H， et al.Variation in hydraulic conductivity of fractured rocks at a dam foundation during operation[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2021，13（2）：351-367.

[9] 王鑫永，王锡勇，章杨松，等.岩体裂隙连通路径及岩体等效渗透张量参数研究[J].防灾减灾工程学报，2020，40（5）：789-795.

[10] ODA M.Permeability tensor for discontinuous rock masses[J].Geotechnique，1985，35（4）：483-495.

[11] 刘明明，胡少华，陈益峰，等.基于高压压水试验的裂隙岩体非线性渗流参数解析模型[J].水利学报，2016，47（6）：752-762.

[12] LONG J C S，REMER J S，WILSON C R，et al.Porous media equivalents for networks of discontinuous fractures[J].Water Resour.Res.，1982，18（3）：645-658.

[13] 刘杰，王媛，刘宁.岩土工程渗流参数反问题[J].岩土力学，2002，23（2）：152-161.

[14] 苏红瑞，徐仙.工程地质现场手册[M].天津：天津大学出版社，2013：1278-1285.

Engineering Application of Permeability Coefficient for Fractured Rock Masses

Peng Pei

Abstract： Permeability of fractured rock masses is essentially controlled by geological settings， structural plane and evolution degree of release fracture， therefore， establishing characterization methods and its application of permeability coefficient is one of the important topics in the fields of hydropower engineering， energy and environment. Combined with the engineering geological and hydrogeological data of a large hydropower station in southwest China，this paper made some analysis and study about the seepage characteristics and distribution of fractured rock masses by statistic methods based on structure of rock mass and stress release effect. The above-mentioned helps to make permeability partitions in project areas， and finally the geometric mean is taken as the average permeability coefficient of the geological unit applying for assessment on effectiveness and safety of seepage control system in underground power station， providing a basis for application of seepage parameters of rock mass for engineering in deeply-cut valleys hereafter.

Key words：water pressure test in borehole; permeability coefficient; permeability partitions; assessment on seepage control system

责任编辑：陈星宇