裂隙巖體滲透性理論研究進展

付 貴

(河北省滄州水文水資源勘測局，河北 滄州 061000)

我國幅員遼闊，地質條件錯綜復雜，尤其是埋藏于地下的巖層結構，人們不可能完全認識其特性，因此在設計、施工過程中有著很大的困難，過去，在地下工程中遇到巖石工程問題，多憑經驗解決。但是隨著工程條件的日益復雜性，單憑經驗越來越難以解決實際問題(周維垣等)。地下工程技術的不斷發展，為人們廣泛地利用地下空間資源提供了技術上的可能性，同時也給生產中的安全問題提出了更高的要求。一旦在大跨度的地下洞室等地下結構發生冒頂、垮塌惡性事故，后果將極其嚴重，因此，地下工程圍巖滲透性研究已迫切成為巖石力學研究的重要課題(劉同有等)。

20世紀30年代，人們開始關注巖體的抗滲性能，是始于大型水工工程的建設，諸如水壩、水渠、涵管及位于地下水位線以下的地下結構如隧道等;一旦巖體的抗滲性能不足或受到破壞，會降低這些結構的使用效能，造成污染、滲漏等事故。尤其是水壩之類的大型水工結構，在設計中需要確知巖體抵抗高水壓下水穿透的能力。正是因為涉及的影響因素太多，試驗耗功耗時，因此，目前人們在這方面獲得的研究成果還遠遠不能令人滿意，有必要在這方面進一步深入進行研究。巖體的滲透試驗是一項艱難而耗時的工作，用什么方法能快速而且準確地測量出反映巖體滲透性能的數據，首先成為有關研究人員的研究領域。

1 裂隙巖性滲透性理論

1.1 國內外常用研究巖體滲透性試驗方法

研究巖體抗滲性能有多種試驗方法;有傳統的水壓力試驗法，水力劈裂試驗還有下面幾種試驗法等。目前各種試驗測試方法各有優缺點，不存在某種方法絕對強于另一種方法的說法。近年來，國外在一項研究中同時進行水滲透性、氯化物滲透性、空氣滲透性測試、然后分別討論試驗結果的情況增多，可以認為這是一種趨勢。

巖體的結構及其透水性直接關系到建筑物圍巖的穩定及安全.通過水力劈裂試驗，可以真實地反映高水壓作用下巖體的結構和滲透性的變化規律.以某水電站工程壩址區巖體所作的水力劈裂試驗資料為基礎，分析了在水力劈裂過程中，巖體的結構和滲透性發生的變化及其規律以及在該過程中巖體裂隙形成的機理.

1.2 水庫裂隙巖體滲透系數張量的確定

通過裂隙在空間展布狀況的測量，用統計學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，然后根據野外壓水試驗得到的巖體透水率，利用巴布什金公式計算各試段巖體的滲透系數，求出修正系數，從而得到研究區裂隙巖體的修正滲透張量.并運用上述方法對蒲石河抽水蓄能電站上水庫壩址區裂隙巖體的滲透張量進行了計算.結果表明，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及防滲帷幕的優化提供科學依據。

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，有效地分析了砂泥巖裂隙巖體中相對埋深和巖性對滲透性空間分布規律的影響.研究區內，在不同深度單位吸水量的最大值和最小值相差3～4個數量級，滲透性表現出顯著的隨機特征.通過將壓水試驗數據離散化并在不同深度上取logω的平均值，凸現了滲透性的結構特征.ω均值在一定范圍內隨相對深度表現出負指數分布規律;剔除logω的線性趨勢項后，logω殘差表現出與地層內部巖性相對應的規律.此外，研究還發現，滲透性參數隨相對深度呈負指數分布規律是由含裂隙的砂巖介質引起的.這些規律為裂隙巖體的滲流計算和模擬奠定了基礎.文章所提出的對壓水試驗數據離散化并在不同深度取均值以找出滲透性和深度關系，以及去除線性趨勢項研究滲透性和巖性之間關系等方法具有廣泛的應用價值。

1.4 海底隧道工程巖體滲透性綜合研究

通過包括計算裂隙巖體等效滲透系數、原位抽水試驗、壓水試驗和室內原狀大樣滲透實驗等方法在內的巖體滲透性綜合研究方法的運用，獲得巖體滲透性指標.將各方法所獲得的巖體滲透系數進行分級統計，取加權均值作為巖體的滲透系數，提交工程設計參考.實踐證明，所獲得的巖體滲透性指標是科學和有效的。

1.5 剪切荷載對裂隙巖體滲透性影響研究現狀

剪切荷載對裂隙巖體滲流特性影響的研究現狀，認為:目前這方面的研究主要采用室內試驗和數值模擬2種方法.室內試驗方法可以準確地得到剪應力和裂隙滲透系數的關系，但對試驗儀器精度的要求比較高，試樣的制作比較復雜，試驗的可重復性差;數值模擬方法能夠定性地模擬出剪應力對裂隙滲透性的影響，但裂隙的寬度、走向、密度和長度等參數較難確定.總結了剪切過程中裂隙巖體滲透系數的變化規律，即:剪脹發生前，裂隙滲透系數隨剪切位移的增加而減小;剪脹發生后，裂隙滲透系數隨剪切位移的增加急劇增大，達到峰值位移后裂隙滲透系數趨于穩定甚至會減小.指出了需要進一步研究的問題:剪切荷載作用下裂隙變形和破壞規律;不同法向荷載作用下剪切荷載對裂隙滲透性的影響;裂隙巖體本構關系;等等。

2 實例應用

2.1 電站上水庫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，又相對準確的確定裂隙巖體滲透張量的方法.首先通過裂隙在空間展布狀況的測量，用統計學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，然后根據野外壓水試驗得到的巖體透水率，利用巴布什金公式計算各試段巖體的滲透系數，求出修正系數，從而得到研究區裂隙巖體的修正滲透張量.并運用上述方法對蒲石河抽水蓄能電站上水庫壩址區裂隙巖體的滲透張量進行了計算。結果表明，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及防滲帷幕的優化提供科學依據。

裂隙巖體滲透特性往往由于裂隙發育的隨機性而難以準確認知，現場高壓壓水試驗通過研究壓力P～流量Q關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模的斷層及影響帶，為配合工程處理設計，采用現場高壓壓水試驗對斷層(含影響帶)、斷層周圍巖體的透水性及滲透變形特性進行評價，現場試驗的結果表明裂隙的張開擴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。為對試驗過程和成果進一步量化，采用等效連續介質模型和三維有限元數值模擬技術對試驗進行模擬。對比分析成果可見，P～Q曲線基本吻合，采用現場試驗與數值計算相結合的方法可以較好地對裂隙巖體的宏觀滲透性進行分析評價。

2.2 基于裂隙量測法的新立礦區工程巖體滲透性分析

新立礦區主要可采礦體分布于海底巖體中，查明礦區工程巖體的滲透特征對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水文地質工程地質特征的基礎上，以現場調查的巖體結構面幾何數據為基礎，開發了滲透系數張量計算程序，計算了巖體綜合滲透系數，根據前期的壓水試驗結果修正了計算結果，修正后的結果表明礦區－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 巖體滲透結構的條件模擬

在這種情況下針對裂隙巖體滲透性參數空間分布問題，引入條件模擬的理論與方法。在簡要介紹條件模擬原理的基礎上，給出了實例分析。拉西瓦水電站壩址區巖體滲透性具典型的殼狀結構特征，從這一地質現象出發對滲透性參數進行100次條件模擬。分析結果表明，條件模擬從三維角度更全面直觀地證實了巖體殼狀滲透結構的理論。

根據這些試驗所得結果，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 結語

裂隙巖體滲透性研究理論和試驗實踐表明，試驗方法都具有方便可行的，具有快速、準確、可視化和自動化的特點。其結果可以為相關領域的巖體的滲透性評價工作提供參考，以便為設計施工提供理論依據。裂隙巖體的滲透性的研究對地質災害、水電工程、礦山工程等都具有積極的現實意義和戰略意義。

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