唐傳生

（重慶南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶 401147）

前言

水文地質(zhì)系統(tǒng)通常包括水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和地下水流系統(tǒng)。水文地質(zhì)系統(tǒng)不是孤立存在的,它受人類工程活動(dòng)和自然因素的影響和制約并且不斷地運(yùn)動(dòng)和演化究的一個(gè)重要方法和發(fā)展趨勢(shì),對(duì)巖體滲流的研究主要包括巖體結(jié)構(gòu)和地下水兩方面內(nèi)容。巖體結(jié)構(gòu)控制著地下水的滲流特性,地下水的運(yùn)動(dòng)又影響著巖體的物理力學(xué)性質(zhì),同時(shí)這兩方面又受人類工程活動(dòng)的改造。

1 巖體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)介紹

巖體的結(jié)構(gòu)控制著巖體的物理力學(xué)和水力學(xué)性質(zhì),巖體結(jié)構(gòu)的研究是任何工程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。從水文地質(zhì)研究的角度看:水文地質(zhì)系統(tǒng)通常包括水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和地下水流系統(tǒng)兩大部分。其中,水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有不同結(jié)構(gòu)和水力學(xué)性質(zhì)的水文地質(zhì)綜合體的空間組合。它構(gòu)成了地下水的賦存空間,控制著地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移,是研究地下水流系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究主要包括巖體的透水特性的介質(zhì)類型及結(jié)構(gòu)面性狀。廣義地說,能含水的巖體都可稱為多孔介質(zhì),其中地下水以孔隙水形式存在的巖體稱為孔隙介質(zhì),地下水以裂隙水存在的巖體稱為裂隙介質(zhì),而地下水以裂隙-溶隙水存在的巖體稱為孔隙-裂隙介質(zhì)。相應(yīng)于三種介質(zhì)類型,我們可以把巖體水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)概化為孔隙結(jié)構(gòu)、裂隙結(jié)構(gòu)、裂隙-溶隙結(jié)構(gòu)三種基本模型。

2 巖體的透水性及巖體結(jié)構(gòu)控滲效應(yīng)

2.1 巖體透水性的影響因素

總的來說,新鮮完整的巖體是基本上不透水的,巖體的透水性主要是由內(nèi)部原生及構(gòu)造性結(jié)構(gòu)面和外部的風(fēng)化作用、卸荷作用,地形地貌等諸多因素控制的。自然界的一切巖體在成巖、風(fēng)化、卸荷及構(gòu)造作用下,內(nèi)部都產(chǎn)生了規(guī)模、類型、性質(zhì)各異的大量結(jié)構(gòu)面(例如斷層、裂隙、夾層等),巖體被這些結(jié)構(gòu)面切割分離成不規(guī)則的不連續(xù)體。這些結(jié)構(gòu)面是地下水運(yùn)動(dòng)和儲(chǔ)存的通道。

忽略巖塊的透水性以后,地下水在巖體中的滲透主要沿巖體中大量存在的裂隙進(jìn)行。結(jié)構(gòu)面的透水大小是由其空隙性決定的,其空隙性又是由結(jié)構(gòu)面的寬度,粗糙度、充填度及充填物質(zhì)的性質(zhì)(粒徑、級(jí)配、膠結(jié)程度)等決定的。同時(shí),結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和性質(zhì)還控制地下水的滲透各向異性。地質(zhì)體之間的作用和地質(zhì)體與自然力的作用是十分復(fù)雜的,處在各種作用力下的巖體其應(yīng)力和透水性都是隨時(shí)間變化的,其變化與內(nèi)外力的作用息息相關(guān)。裸露的基巖時(shí)時(shí)刻刻受著風(fēng)化剝蝕作用,風(fēng)化作用可以使孔隙介質(zhì)變的更加疏松,增大了其空隙性,從而增大了其透水性。風(fēng)化作用還可以沿裂隙介質(zhì)的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行,強(qiáng)風(fēng)化結(jié)構(gòu)面內(nèi)還可形成泥化夾層,降低了其應(yīng)力指標(biāo)。

2.2 巖體結(jié)構(gòu)控滲效應(yīng)

為了更好地描述巖體結(jié)構(gòu)與滲流的關(guān)系和前者對(duì)后者的影響、決定作用,本文引用了結(jié)構(gòu)控滲效應(yīng)理論,并在前人研究的基礎(chǔ)上,提出了如下結(jié)構(gòu)控滲效應(yīng)模型。

巖體結(jié)構(gòu)分流交叉控滲效應(yīng)模型。巖體結(jié)構(gòu)控滲的分流效應(yīng),是指同級(jí)或不同級(jí)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面上或不同結(jié)構(gòu)面之間滲流量的不均勻分配和優(yōu)勢(shì)溝槽流效應(yīng)。該效應(yīng)模型包括三個(gè)層次:①網(wǎng)絡(luò)分流,即巖體滲流首先選擇滲流優(yōu)勢(shì)面網(wǎng)絡(luò)作較大規(guī)模的流動(dòng)。②面上分流,即結(jié)構(gòu)面內(nèi)部的滲流繼續(xù)選擇不規(guī)則溝槽流動(dòng)。③槽間風(fēng)流,即結(jié)構(gòu)面的溝槽流進(jìn)一步選擇滲流優(yōu)勢(shì)溝槽作為滲流路徑。

分流主要受結(jié)構(gòu)面開度、間距、粗糙度和充填狀況的控制。結(jié)構(gòu)面開度越大,間YE越大,粗糙系數(shù)(JRCY)越大,或者充填物的級(jí)配越好,其分流效應(yīng)越明顯。地質(zhì)結(jié)構(gòu)控滲的交叉流效應(yīng),指同級(jí)或不同級(jí)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面交匯處地下水的偏向、偏流、局部水頭損失及不同方向上水流阻力不等效應(yīng),其核心內(nèi)容是偏流效應(yīng)。交叉流主要受結(jié)構(gòu)面的規(guī)模、開度、交叉特征和充填狀況的控制。分流與交叉流是密不可分的,兩者相互依賴相互制約,共同受地質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制。故可合稱為地質(zhì)結(jié)構(gòu)控滲的分流交叉效應(yīng)。

3 巖體滲流分析及巖體滲透參數(shù)確定方法研究

巖體滲透參數(shù)是研究巖體滲流問題的非常重要的參數(shù)。因此如何正確、有效地確定巖體和結(jié)構(gòu)面的滲透參數(shù)一直是工程

地質(zhì)和水文地質(zhì)研究關(guān)注的問題.

由于研究問題時(shí)所采取的方法不同,往往同一參數(shù)所反映的同一客觀巖體的質(zhì)與量有所差異。因此,根據(jù)研究方法,滲透參數(shù)可分成原形參數(shù)、試驗(yàn)參數(shù)、模型參數(shù)、統(tǒng)計(jì)參數(shù)等。

原形參數(shù)也稱固有參數(shù),是指用于描述客觀巖體的固有性能的參數(shù),如巖體介質(zhì)滲透性參數(shù)。

試驗(yàn)參數(shù)是指采用室內(nèi)或野外試驗(yàn)手段確定巖體的參數(shù)。統(tǒng)計(jì)參數(shù)是運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)手段來獲得客觀巖體的某些參數(shù)。模型參數(shù)包括數(shù)學(xué)模型參數(shù)和物理模型參數(shù)。

總的來說,裂隙巖體的滲透系數(shù)張量的確定是巖體水力學(xué)研究的難題,從60年代開始國外一些學(xué)者就開始了這方面的研究。我國學(xué)者從80年代初開始了裂隙巖體滲透系數(shù)張量確定方法的研究，提出了一些比較實(shí)用的方法。目前巖體水力學(xué)參數(shù)的確定方法主要有三種；一是野外幾何測(cè)量法；二是現(xiàn)場(chǎng)抽(壓)水試驗(yàn)法；三是數(shù)學(xué)模型反演求解法。

4 應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巖體滲透性的影響

地應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)是巖體重要的賦存環(huán)境,二者相互聯(lián)系,相互影響,研究巖體應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)之間的耦合作用具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

4.1 地應(yīng)力對(duì)裂隙巖體滲透特性的影響

隨著埋深的增加,在巖體自重力的影響下,裂隙面法向方向產(chǎn)生壓縮變形,裂隙逐漸閉合,理論上講滲透系數(shù)變小。地應(yīng)力對(duì)巖體滲透性的影響不僅表現(xiàn)在滲透系數(shù)大小的改變,而且還表現(xiàn)在對(duì)滲透各向異性性質(zhì)的影響。當(dāng)巖體的地質(zhì)特征和物理力學(xué)參數(shù)確定后,巖體的滲透特性與地應(yīng)力密切相關(guān)。地應(yīng)力對(duì)巖體滲透特性的影響主要是通過改變不連續(xù)面的開度和不連續(xù)面網(wǎng)絡(luò)的水力傳導(dǎo)路徑而產(chǎn)生的。

4.2 應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合機(jī)理

許多學(xué)者都對(duì)在應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合機(jī)理作過研究,其最基本的觀點(diǎn)是:裂隙在法向應(yīng)力和剪切力作用下,裂隙面發(fā)生變形,如壓應(yīng)力下凸起體的壓碎、裂隙尖端的塑性變形,剪切力作用下的剪脹、剪縮效應(yīng)及碎屑顆粒的碾磨、巖粉化,這些變形改變了裂隙的等效水力傳導(dǎo)開度及其他一些結(jié)構(gòu)面水力學(xué)性質(zhì),從而改變了巖體的滲透特性。

4.3 關(guān)于巖體滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合作用的一點(diǎn)討論

隨著藕合理論的發(fā)展,許多學(xué)者建議考慮溫度場(chǎng)對(duì)滲流場(chǎng)的影響。我們可以認(rèn)為裂隙巖體中滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合作用表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:①當(dāng)巖體中發(fā)生滲流時(shí),地下水的滲流運(yùn)動(dòng)促成了巖體內(nèi)熱能以對(duì)流的方式發(fā)生轉(zhuǎn)移,進(jìn)而使巖體內(nèi)溫度場(chǎng)得以重新分布。②巖體內(nèi)溫度場(chǎng)的變化,導(dǎo)致地下水賦存環(huán)境的相應(yīng)變化,改變了巖體的熱能物理性質(zhì),通過巖體結(jié)構(gòu)的變化而影響巖體的滲透性及地下水的滲流特征。

總結(jié)

本文在對(duì)巖體水文結(jié)構(gòu)介紹的基礎(chǔ)上,對(duì)巖體的透水性及巖體的結(jié)構(gòu)控滲效應(yīng)做了分析,得出了巖體滲透參數(shù)確定方法。最后研究了應(yīng)力場(chǎng)巖體滲透性的影響。本文對(duì)復(fù)雜巖體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)作了綜合的研究分析,得出了一定的結(jié)論,為以后的研究做了一定的基礎(chǔ)。

[1]高韜.復(fù)雜巖體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究.科技資訊，2008年16期.

[2]范雷.鄂西志留系裂隙砂巖巖體結(jié)構(gòu)特征及其力學(xué)參數(shù)研究.2009-中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)：巖土工程.