彭 佩

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

1 引言

我國目前在建的大型水利水電工程主要分布在西南高山峽谷地區(qū)，并且根據(jù)國家水電建設(shè)規(guī)劃還將在雅礱江、金沙江、大渡河等流域陸續(xù)建設(shè)多個水電工程項目，到2020 年總裝機容量將達(dá)到2.1 億kW 以上。位于這些峽谷區(qū)的水電站工程由于受構(gòu)造運動和特殊地質(zhì)環(huán)境的影響，其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件具有顯著的區(qū)域特征：（1）岸坡陡峻，呈深切“V”型峽谷，坡度可高達(dá)70°；（2）地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜，大范圍發(fā)育有深卸荷破碎裂隙帶；（3）區(qū)域天然地應(yīng)力較高，處于高～極高的地應(yīng)力環(huán)境。因此，峽谷區(qū)岸坡巖體滲透特性分布特征的研究，對于水電工程滲透穩(wěn)定分析和滲控效果評價具有十分重要的意義。

由于巖性和破碎巖塊塊度的差異，岸坡巖體滲流常常會表現(xiàn)出明顯的成層性和分帶性，總體上呈現(xiàn)出明顯的殼狀滲透結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)在滲透性會隨巖體埋深的增加以及風(fēng)化卸荷程度的減小而逐漸減弱。Lousi[1]在1974 年根據(jù)鉆孔壓水試驗數(shù)據(jù)證實了巖體的滲透系數(shù)確實隨深度的增加而減小。隨后Neuzil[2]等在1986 年研究了孔隙類巖體滲透特性隨深度的變化規(guī)律。此外，國內(nèi)不少的學(xué)者通過對裂隙巖體鉆孔壓水試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，研究了巖體埋深與其透水性之間的關(guān)系：周志芳等[3]分析了緊水灘水電站壩址花崗巖、石塘水電站壩址火山凝灰?guī)r的水文地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)巖體的滲透特性隨深度增加而明顯減弱的規(guī)律。張琦偉等[4,5]采用指示克里格方法，以指示變異函數(shù)為基本工具分析了向家壩水電站裂隙巖體滲透特性的分布規(guī)律。蔣小偉等[6]利用我國西南某水電站的壓水試驗資料分析了玄武巖體及其層間錯動帶的滲透性分布特征，并提出了裂隙巖體滲透性隨埋深分布的半經(jīng)驗公式[7]，但其只考慮了巖體受自重應(yīng)力作用的情況。周創(chuàng)兵等[8]開展了地應(yīng)力對裂隙巖體滲透特性影響的理論研究，提出了巖體滲透系數(shù)與埋深之間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。

盡管已有許多學(xué)者針對裂隙巖體滲透性分布開展了相應(yīng)的研究，但多局限于某一特定工程，關(guān)于不同因素對巖體滲透性的影響尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識。本文通過系統(tǒng)分析多個水電工程岸坡巖體的鉆孔壓水試驗資料，研究并總結(jié)峽谷區(qū)岸坡巖體滲透特性分布的一般規(guī)律。

2 巖體的透水性及其表征

巖體的透水性是指巖體允許透過流體的能力，若斷裂、裂隙等呈密集狀發(fā)育，且張開度較大，就會形成集中滲流帶；相反如果裂隙被泥質(zhì)緊密充填，或呈閉合狀態(tài)，張開度減小，則其透水性就小。

在水電工程地質(zhì)勘查中，常采用鉆孔壓水試驗來測定巖體的透水性：在鉆孔結(jié)束后，用栓塞或封隔器將鉆孔按某一指定長度隔開，用不同的壓力向各鉆孔段壓水，測定其相應(yīng)的流量值，同時在隔開的試驗段測定壓力，并由此得到表征巖體透水性的參數(shù)—透水率q 和滲透系數(shù)k，它們描述了巖體介質(zhì)的一種平均性質(zhì)?！禛B50287-2006 水力發(fā)電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》一般將巖體的透水性分為六級，見表1[9]。

表1 巖體透水性分級

根據(jù)壓水試驗得到的各試段流量隨壓力的變化關(guān)系可以確定巖體的透水率。透水率的單位為呂榮(Lu)，定義為在1 MPa壓力下，單位時間內(nèi)(總歷時10 min 左右)每米試段的平均壓入流量，以L/(m·min)計。透水率在實際計算中通常采用最大壓力階段的壓力值(Pmax)和流量值(Qmax)，因為該組數(shù)據(jù)最接近呂榮值的定義壓力，具體可由下式得到[10]：

式中：q 為試驗段的透水率，Lu；L 為試驗段長度，m；Qmax為最大壓力時段壓水流量，L/min；Pmax為最大試驗壓力，MPa。

滲透系數(shù)又稱水力傳導(dǎo)系數(shù)，定義為單位水力梯度下的流速。計算滲透系數(shù)通常采用巴布什金經(jīng)驗公式，將壓水試驗得到的透水率Lu 值轉(zhuǎn)換成壓水段巖體綜合滲透系數(shù)k[10]：

式中：k 為巖體滲透系數(shù)，m/d；Lu 為壓水試驗的呂榮值，L/（m·min）；L 為壓水試驗段長度，m；r 為鉆孔半徑，m。

此外，Louis 等[1～8]依據(jù)現(xiàn)場鉆孔壓水試驗建立了裂隙巖體的滲透系數(shù)與地應(yīng)力之間的經(jīng)驗公式：

式中：k0為裂隙巖體的初始滲透系數(shù)；σ 為裂隙巖體所受的法向應(yīng)力；α 為相應(yīng)的衰減系數(shù)。

3 峽谷區(qū)岸坡巖體滲透性分布特征

3.1 埋深對巖體滲透性分布的影響

為了研究峽谷區(qū)岸坡巖體滲透性隨地應(yīng)力和埋深變化的分布規(guī)律，將位于金沙江的1#水電站左岸岸坡內(nèi)埋深200 m內(nèi)的所有440 段壓水實驗數(shù)據(jù) (去掉極大值和不起壓段的數(shù)據(jù))，一方面按照鉆孔段的埋深繪制滲透系數(shù)分布散點圖，見圖1(a)；另一方面，按照埋深每10 m 進行分段處理并計算相應(yīng)的均值和中值，繪制滲透系數(shù)中值和均值隨埋深分布曲線，得到圖1(b)。

圖1 1#水電站左岸巖體滲透性隨埋深變化關(guān)系圖

從圖1（a）中可以看出，對于埋深小于80 m 的巖體，以弱透水性為主，占78.9%；微透水性和中等以上透水性（q≥10 Lu）巖體分別占11.4%和9.6%。對于埋深80 m～160 m 的巖體，則以弱偏下透水性（q=1～3 Lu）和微透水性(q＜1 Lu)為主，分別占50.1%和31.3%；弱偏上透水段(q=1～3 Lu)巖體占16.2%，中等以上透水性僅占2.53%。對于埋深大于160 m 的巖體，則全部為弱偏下透水和微透水巖體。

在圖 1（b）中，在埋深 60 m～80 m 和 120 m～160 m 兩段透水率均值皆大于中值，這是因為在左岸這兩段埋深中，局部存在強烈松弛～中等松弛型的深部裂縫，巖體裂隙較發(fā)育，再加上鉆孔的分布較為不均，導(dǎo)致最終得到的中值偏小，從側(cè)面也反映出巖體構(gòu)造對滲透性的影響。

從不同埋深的統(tǒng)計成果看，一方面隨著埋深的增加，地應(yīng)力不斷增大，裂隙的張開度隨埋深逐漸減小，巖體滲透水性變小的趨勢明顯；另一方面由于鉆孔在同一埋深不同的位置揭露的裂隙發(fā)育程度不同，導(dǎo)致其具有不同的滲透性，反映了裂隙巖體滲透的非均質(zhì)性。

為進一步定量分析巖體滲透性隨埋深和地應(yīng)力的變化，首先對各個工程典型剖面上每個鉆孔段所穿岸坡巖體的埋深信息按式（1）進行整理，再將透水率呂榮值通過式（2）進行換算；其次，統(tǒng)計各剖面上對應(yīng)的鉆孔段數(shù)據(jù)，以5 m 為單位將孔深離散化為整數(shù)深度，同時將對應(yīng)的滲透系數(shù)也進行離散化，并且對離散化后的滲透系數(shù)和相對應(yīng)的埋深值進行擬合；最后得到兩者之間的關(guān)系呈式（3）所示的負(fù)指數(shù)型，擬合結(jié)果列入表2 中。

表2 各工程典型剖面岸坡巖體滲透系數(shù)與埋深的擬合結(jié)果

利用統(tǒng)計學(xué)的方法對數(shù)據(jù)進行分析，擬合得到的曲線相關(guān)性均較大，基本滿足分析要求。如表2 所示，無論巖性是否相同，無論埋深范圍是大是小，均可得到巖體滲透性隨埋深呈負(fù)指數(shù)衰減；此外，若埋深范圍越小，擬合結(jié)果越能反映出受地應(yīng)力等因素的影響，擬合結(jié)果的相關(guān)性也越強。如1#水電站左右兩岸統(tǒng)計的埋深范圍較小，最終得到滲透系數(shù)隨埋深的擬合曲線相關(guān)性均在0.9 以上；1#水電站工程區(qū)具有典型的高山峽谷地貌，兩岸巖體擬合得到的初始滲透系數(shù)和衰減系數(shù)均較大，一定程度上反映出峽谷區(qū)岸坡巖體透水性深受區(qū)域地應(yīng)力影響。

3.2 地層巖性對巖體滲透性分布的影響

由表2 中的擬合結(jié)果得知，從整體上看，相同巖性的巖體擬合得到的的衰減系數(shù)基本相近，而不同巖性的巖體初始滲透系數(shù)和衰減系數(shù)差異較大，比如3#水電站擬合得到的巖體初始滲透系數(shù)和衰減系數(shù)，與同樣位于金沙江上的1#水電站相比均相差1 個數(shù)量級以上；但相同巖性巖體的初始滲透系數(shù)仍存在較大不同，比如2#水電站左右兩岸初始滲透系數(shù)分別為0.2085 m/d 和0.0141 m/d，相差將近15 倍，考慮到左右岸壓水試驗數(shù)據(jù)所涉及的埋深范圍不同，兩岸風(fēng)化卸荷程度也有所不同，因而可能導(dǎo)致巖體裂隙密集程度、開度范圍等存在較大差異，從而導(dǎo)致初始滲透系數(shù)的不同。

由于不同巖性巖體中滲透性分布規(guī)律存在一定的差異，針對具有典型巖性分層的3#水電站，以其砂板巖、大理巖和綠片巖為研究對象，分析地層巖性對其岸坡巖體滲透特性的影響。左岸共完成壓水試驗數(shù)據(jù)774 段，高程1580 m 以上為T2-3Z2(3～8)(大理巖)和 T2-3Z3(1～4)(砂板巖)；右岸共完成壓水試驗 853 段，高程1650 m 至 1880 m 為 T2-3Z2(3～6)(大理巖)，低高程處為 T2-3Z2(大理巖)和T2-3Z1(綠片巖)。相比較而言，巖體透水性總體上左岸較右岸偏大，q≥100 Lu 的壓水段次多出現(xiàn)在 T2-3Z2(5～8)(大理巖)及 T2-3Z3(4)(砂板巖)中，高程相對較高。將岸坡巖體按巖性分區(qū)間劃分見圖2，不同巖性的巖體透水性存在一定的差異，即使同一類型的巖體其透水性也會存在明顯不同?？傮w而言，T2-3Z1(綠片巖)可以視為隔水巖層(q＜3 Lu)，大理巖與砂板巖在岸坡為相對透水巖層，只是局部存在相對的阻水巖體，兩者透水性相當(dāng)。

圖2 綠片巖、大理巖與砂板巖不同透水性分段柱狀圖

3.3 風(fēng)化卸荷作用對巖體滲透性分布的影響

風(fēng)化卸荷程度不同會導(dǎo)致巖體滲透性分布產(chǎn)生差異，利用1#水電站岸坡巖體鉆孔壓水試驗資料，選取鉆孔分布較多、實驗數(shù)據(jù)較為豐富的橫Ⅲ、橫Ⅲ’、和橫Ⅳ剖面，將各剖面上每個鉆孔段所鉆穿巖體的風(fēng)化卸荷信息進行整理；在對所得數(shù)據(jù)進行擬合分析的基礎(chǔ)上，研究風(fēng)化卸荷程度不同的巖體滲透性分布特征。各剖面無卸荷微新巖體(弱卸荷下限以下巖體)和風(fēng)化卸荷巖體(弱卸荷下限以上巖體)統(tǒng)計結(jié)果見圖3 和圖4。

圖3 1#水電站無卸荷微新巖體滲透性分布規(guī)律

表3 1#水電站無卸荷微新巖體滲透系數(shù)與埋深的擬合結(jié)果

經(jīng)過計算，根據(jù)線性擬合分析所得到的無卸荷微新巖體中滲透系數(shù)k 與深度h 的關(guān)系如表3 所示。由統(tǒng)計結(jié)果可知，在無卸荷微新巖體中，各剖面巖體初始滲透系數(shù)k0分別為0.1706 m/d、0.3452 m/d、0.1169 m/d，衰減系數(shù) α 分別為 0.0122、0.0226、0.0132。由于微新巖體受風(fēng)化卸荷作用較小，其巖體較為完整，滲透性較小，因而擬合得到的初始滲透系數(shù)與衰減系數(shù)也均較小。其中橫Ⅲ剖面的滲透系數(shù)初始值和衰減系數(shù)均略大于其他剖面，從橫Ⅲ剖面中各鉆孔分布位置中可以看出，鉆孔附近斷層分布較為密集，且斷層F1、F2 透水性較強，屬強～中等透水，因而對該區(qū)域巖體滲透性影響較大，導(dǎo)致擬合得到的初始滲透系數(shù)與衰減系數(shù)偏大。

圖4 1#水電站風(fēng)化卸荷巖體滲透性分布規(guī)律

表4 1#水電站風(fēng)化卸荷巖體滲透系數(shù)與埋深的擬合結(jié)果

經(jīng)過計算，根據(jù)線性擬合分析所得到的風(fēng)化卸荷巖體中滲透系數(shù)k 與深度h 的關(guān)系見表4。在風(fēng)化卸荷巖體中，各剖面巖體初始滲透系數(shù) k0分別為 0.7899 m/d、0.5926 m/d、0.3362 m/d，衰減系數(shù) α 分別為 0.0366、0.0520、0.0826。

首先，對比以上兩種不同風(fēng)化卸荷程度巖體的統(tǒng)計結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化卸荷巖體的初始滲透系數(shù)k0和衰減指數(shù)α 均大于無卸荷微新巖體。其次，從橫Ⅲ、橫Ⅲ’到橫Ⅳ剖面，巖體初始滲透系數(shù)逐漸減小，這是由于各剖面中風(fēng)化卸荷巖體裂隙發(fā)育程度有較大差異。①受地形影響，在右岸高高程Ⅲ’～Ⅲ線之間的突出山脊，卸荷更加強烈，深度更大。②在Ⅲ線～Ⅷ線之間，深部裂縫集中分布在水平埋深80 m～140 m 處，巖體破碎、松弛，工程地質(zhì)性狀差：其中在橫Ⅲ’和橫Ⅲ右岸高高程2850 m～2900 m和中高程2800 m～2843 m 均存在較為強烈的卸荷松弛，深部變形破裂普遍發(fā)育，松弛帶厚度15 m～30 m，且根據(jù)斷面裂隙統(tǒng)計資料，斷面內(nèi)裂隙也較為發(fā)育，對巖體的滲透性影響也較大；而在橫Ⅳ兩岸僅在低高程2733 m～2756 m 存在輕微松弛的深部變形破裂，巖體較為完整，破裂面張開度多小于1 cm，因而相比于橫Ⅲ’和橫Ⅲ剖面，橫Ⅳ剖面的風(fēng)化卸荷巖體初始滲透系數(shù)較小。

4 結(jié)論

本文通過系統(tǒng)分析多個水電工程的水文地質(zhì)資料，揭示了殼狀滲透結(jié)構(gòu)對巖體滲透特性影響，并利用統(tǒng)計學(xué)的方法描述了岸坡巖體滲透特性隨地應(yīng)力、地層巖性和風(fēng)化卸荷作用的變化特征：

（1）地應(yīng)力和埋深因素：峽谷區(qū)岸坡巖體透水性深受區(qū)域地應(yīng)力影響，滲透系數(shù)隨著埋深的增加成負(fù)指數(shù)衰減，并且埋深范圍越小，擬合結(jié)果越能反映出受地應(yīng)力等因素的影響，擬合結(jié)果的相關(guān)性越強，越具有代表性。

（2）地層巖性因素：相同巖性的巖體擬合得到的的衰減系數(shù)基本相近，而不同巖性的巖體初始滲透系數(shù)和衰減系數(shù)差異較大，但相同巖性巖體的初始滲透系數(shù)也會存在較大不同（如2#水電站左右兩岸初始滲透系數(shù)分別為0.2085 m/d 和0.0141 m/d）。

（3）風(fēng)化卸荷因素：隨著岸坡巖體風(fēng)化卸荷程度的增加，滲透系數(shù)呈逐漸增大的趨勢。

分析結(jié)果表明巖體初始滲透系數(shù)主要受裂隙初始張開度等的影響，而衰減系數(shù)則主要是受巖性和地應(yīng)力條件的影響；風(fēng)化卸荷巖體的初始滲透系數(shù)k0和衰減指數(shù)α 均大于無卸荷微新巖體；風(fēng)化卸荷巖體的滲透性主要受風(fēng)化和卸荷作用控制，滲透系數(shù)較大，微新巖體由于風(fēng)化卸荷作用的減小，自重應(yīng)力成為滲透性的主要控制因素，且滲透性較為微弱。