付 貴

(河北省滄州水文水資源勘測(cè)局，河北 滄州 061000)

我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜，尤其是埋藏于地下的巖層結(jié)構(gòu)，人們不可能完全認(rèn)識(shí)其特性，因此在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中有著很大的困難，過(guò)去，在地下工程中遇到巖石工程問(wèn)題，多憑經(jīng)驗(yàn)解決。但是隨著工程條件的日益復(fù)雜性，單憑經(jīng)驗(yàn)越來(lái)越難以解決實(shí)際問(wèn)題(周維垣等)。地下工程技術(shù)的不斷發(fā)展，為人們廣泛地利用地下空間資源提供了技術(shù)上的可能性，同時(shí)也給生產(chǎn)中的安全問(wèn)題提出了更高的要求。一旦在大跨度的地下洞室等地下結(jié)構(gòu)發(fā)生冒頂、垮塌惡性事故，后果將極其嚴(yán)重，因此，地下工程圍巖滲透性研究已迫切成為巖石力學(xué)研究的重要課題(劉同有等)。

20世紀(jì)30年代，人們開始關(guān)注巖體的抗?jié)B性能，是始于大型水工工程的建設(shè)，諸如水壩、水渠、涵管及位于地下水位線以下的地下結(jié)構(gòu)如隧道等;一旦巖體的抗?jié)B性能不足或受到破壞，會(huì)降低這些結(jié)構(gòu)的使用效能，造成污染、滲漏等事故。尤其是水壩之類的大型水工結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中需要確知巖體抵抗高水壓下水穿透的能力。正是因?yàn)樯婕暗挠绊懸蛩靥?，試?yàn)耗功耗時(shí)，因此，目前人們?cè)谶@方面獲得的研究成果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能令人滿意，有必要在這方面進(jìn)一步深入進(jìn)行研究。巖體的滲透試驗(yàn)是一項(xiàng)艱難而耗時(shí)的工作，用什么方法能快速而且準(zhǔn)確地測(cè)量出反映巖體滲透性能的數(shù)據(jù)，首先成為有關(guān)研究人員的研究領(lǐng)域。

1 裂隙巖性滲透性理論

1.1 國(guó)內(nèi)外常用研究巖體滲透性試驗(yàn)方法

研究巖體抗?jié)B性能有多種試驗(yàn)方法;有傳統(tǒng)的水壓力試驗(yàn)法，水力劈裂試驗(yàn)還有下面幾種試驗(yàn)法等。目前各種試驗(yàn)測(cè)試方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，不存在某種方法絕對(duì)強(qiáng)于另一種方法的說(shuō)法。近年來(lái)，國(guó)外在一項(xiàng)研究中同時(shí)進(jìn)行水滲透性、氯化物滲透性、空氣滲透性測(cè)試、然后分別討論試驗(yàn)結(jié)果的情況增多，可以認(rèn)為這是一種趨勢(shì)。

巖體的結(jié)構(gòu)及其透水性直接關(guān)系到建筑物圍巖的穩(wěn)定及安全.通過(guò)水力劈裂試驗(yàn)，可以真實(shí)地反映高水壓作用下巖體的結(jié)構(gòu)和滲透性的變化規(guī)律.以某水電站工程壩址區(qū)巖體所作的水力劈裂試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，分析了在水力劈裂過(guò)程中，巖體的結(jié)構(gòu)和滲透性發(fā)生的變化及其規(guī)律以及在該過(guò)程中巖體裂隙形成的機(jī)理.

1.2 水庫(kù)裂隙巖體滲透系數(shù)張量的確定

通過(guò)裂隙在空間展布狀況的測(cè)量，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法初步確定裂隙巖體的滲透張量，獲得滲透主值及主方向，然后根據(jù)野外壓水試驗(yàn)得到的巖體透水率，利用巴布什金公式計(jì)算各試段巖體的滲透系數(shù)，求出修正系數(shù)，從而得到研究區(qū)裂隙巖體的修正滲透張量.并運(yùn)用上述方法對(duì)蒲石河抽水蓄能電站上水庫(kù)壩址區(qū)裂隙巖體的滲透張量進(jìn)行了計(jì)算.結(jié)果表明，該方法能較好地刻畫裂隙巖體滲透性的各向異性特征，可為巖體滲透性分區(qū)及防滲帷幕的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1.3 砂泥巖裂隙巖體滲透性分析

采用表征巖體滲透性的單位吸水量ω為參數(shù)，有效地分析了砂泥巖裂隙巖體中相對(duì)埋深和巖性對(duì)滲透性空間分布規(guī)律的影響.研究區(qū)內(nèi)，在不同深度單位吸水量的最大值和最小值相差3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，滲透性表現(xiàn)出顯著的隨機(jī)特征.通過(guò)將壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散化并在不同深度上取logω的平均值，凸現(xiàn)了滲透性的結(jié)構(gòu)特征.ω均值在一定范圍內(nèi)隨相對(duì)深度表現(xiàn)出負(fù)指數(shù)分布規(guī)律;剔除logω的線性趨勢(shì)項(xiàng)后，logω殘差表現(xiàn)出與地層內(nèi)部巖性相對(duì)應(yīng)的規(guī)律.此外，研究還發(fā)現(xiàn)，滲透性參數(shù)隨相對(duì)深度呈負(fù)指數(shù)分布規(guī)律是由含裂隙的砂巖介質(zhì)引起的.這些規(guī)律為裂隙巖體的滲流計(jì)算和模擬奠定了基礎(chǔ).文章所提出的對(duì)壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散化并在不同深度取均值以找出滲透性和深度關(guān)系，以及去除線性趨勢(shì)項(xiàng)研究滲透性和巖性之間關(guān)系等方法具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1.4 海底隧道工程巖體滲透性綜合研究

通過(guò)包括計(jì)算裂隙巖體等效滲透系數(shù)、原位抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)和室內(nèi)原狀大樣滲透實(shí)驗(yàn)等方法在內(nèi)的巖體滲透性綜合研究方法的運(yùn)用，獲得巖體滲透性指標(biāo).將各方法所獲得的巖體滲透系數(shù)進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)，取加權(quán)均值作為巖體的滲透系數(shù)，提交工程設(shè)計(jì)參考.實(shí)踐證明，所獲得的巖體滲透性指標(biāo)是科學(xué)和有效的。

1.5 剪切荷載對(duì)裂隙巖體滲透性影響研究現(xiàn)狀

剪切荷載對(duì)裂隙巖體滲流特性影響的研究現(xiàn)狀，認(rèn)為:目前這方面的研究主要采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬2種方法.室內(nèi)試驗(yàn)方法可以準(zhǔn)確地得到剪應(yīng)力和裂隙滲透系數(shù)的關(guān)系，但對(duì)試驗(yàn)儀器精度的要求比較高，試樣的制作比較復(fù)雜，試驗(yàn)的可重復(fù)性差;數(shù)值模擬方法能夠定性地模擬出剪應(yīng)力對(duì)裂隙滲透性的影響，但裂隙的寬度、走向、密度和長(zhǎng)度等參數(shù)較難確定.總結(jié)了剪切過(guò)程中裂隙巖體滲透系數(shù)的變化規(guī)律，即:剪脹發(fā)生前，裂隙滲透系數(shù)隨剪切位移的增加而減小;剪脹發(fā)生后，裂隙滲透系數(shù)隨剪切位移的增加急劇增大，達(dá)到峰值位移后裂隙滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定甚至?xí)p小.指出了需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題:剪切荷載作用下裂隙變形和破壞規(guī)律;不同法向荷載作用下剪切荷載對(duì)裂隙滲透性的影響;裂隙巖體本構(gòu)關(guān)系;等等。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 電站上水庫(kù)裂隙巖體滲透張量的確定

這種方法提出了一種既能反映裂隙巖體的滲透特性，又相對(duì)準(zhǔn)確的確定裂隙巖體滲透張量的方法.首先通過(guò)裂隙在空間展布狀況的測(cè)量，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法初步確定裂隙巖體的滲透張量，獲得滲透主值及主方向，然后根據(jù)野外壓水試驗(yàn)得到的巖體透水率，利用巴布什金公式計(jì)算各試段巖體的滲透系數(shù)，求出修正系數(shù)，從而得到研究區(qū)裂隙巖體的修正滲透張量.并運(yùn)用上述方法對(duì)蒲石河抽水蓄能電站上水庫(kù)壩址區(qū)裂隙巖體的滲透張量進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，該方法能較好地刻畫裂隙巖體滲透性的各向異性特征，可為巖體滲透性分區(qū)及防滲帷幕的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

裂隙巖體滲透特性往往由于裂隙發(fā)育的隨機(jī)性而難以準(zhǔn)確認(rèn)知，現(xiàn)場(chǎng)高壓壓水試驗(yàn)通過(guò)研究壓力P～流量Q關(guān)系曲線可以了解裂隙巖體宏觀滲透特性。某抽水蓄能電站高壓岔管部位巖體存在較大規(guī)模的斷層及影響帶，為配合工程處理設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)場(chǎng)高壓壓水試驗(yàn)對(duì)斷層(含影響帶)、斷層周圍巖體的透水性及滲透變形特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果表明裂隙的張開擴(kuò)展是裂隙巖體滲透變形的主要形式，也是P～Q曲線類型非線性的主要原因。為對(duì)試驗(yàn)過(guò)程和成果進(jìn)一步量化，采用等效連續(xù)介質(zhì)模型和三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行模擬。對(duì)比分析成果可見，P～Q曲線基本吻合，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法可以較好地對(duì)裂隙巖體的宏觀滲透性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2.2 基于裂隙量測(cè)法的新立礦區(qū)工程巖體滲透性分析

新立礦區(qū)主要可采礦體分布于海底巖體中，查明礦區(qū)工程巖體的滲透特征對(duì)保障海底采礦安全具有十分重要的意義.在綜合分析新立礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的巖體結(jié)構(gòu)面幾何數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了滲透系數(shù)張量計(jì)算程序，計(jì)算了巖體綜合滲透系數(shù)，根據(jù)前期的壓水試驗(yàn)結(jié)果修正了計(jì)算結(jié)果，修正后的結(jié)果表明礦區(qū)－105，－135水平工程巖體整體上呈弱透水性，局部呈微透水性，－165水平巖體整體上呈微－弱透水性;巖體滲透性隨深度的增加而降低。

2.3 巖體滲透結(jié)構(gòu)的條件模擬

在這種情況下針對(duì)裂隙巖體滲透性參數(shù)空間分布問(wèn)題，引入條件模擬的理論與方法。在簡(jiǎn)要介紹條件模擬原理的基礎(chǔ)上，給出了實(shí)例分析。拉西瓦水電站壩址區(qū)巖體滲透性具典型的殼狀結(jié)構(gòu)特征，從這一地質(zhì)現(xiàn)象出發(fā)對(duì)滲透性參數(shù)進(jìn)行100次條件模擬。分析結(jié)果表明，條件模擬從三維角度更全面直觀地證實(shí)了巖體殼狀滲透結(jié)構(gòu)的理論。

根據(jù)這些試驗(yàn)所得結(jié)果，參照巖體的滲透性分段(表1)，我們可以得到裂隙巖體的大致滲透性情況。

表1 巖體滲透性分段

3 結(jié)語(yǔ)

裂隙巖體滲透性研究理論和試驗(yàn)實(shí)踐表明，試驗(yàn)方法都具有方便可行的，具有快速、準(zhǔn)確、可視化和自動(dòng)化的特點(diǎn)。其結(jié)果可以為相關(guān)領(lǐng)域的巖體的滲透性評(píng)價(jià)工作提供參考，以便為設(shè)計(jì)施工提供理論依據(jù)。裂隙巖體的滲透性的研究對(duì)地質(zhì)災(zāi)害、水電工程、礦山工程等都具有積極的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。

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