西南某隧址區裂隙巖體滲透性分析

藍宇騁 李窈靚 段明杰

（云南省交通規劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650200）

1 工程概況

西南某隧道位于構造剝蝕深切割高中山峽谷區，單幅全長約8458m，最大埋深約1350m。隧道穿越地層主要有三疊系上統侏倭組（T3zh）砂巖夾炭質千枚巖、灰巖、礫巖；中統雜谷腦組（T2z）千枚巖、砂巖、灰巖；下統菠茨溝組（T1b）變質石英砂巖、炭質千枚巖夾灰巖；二疊系（P）灰巖夾千枚巖；石炭系（C）灰巖夾炭質頁巖；泥盆系危關群上組（Dwg2）炭質千枚巖、千枚巖、石英巖。

隧址區所處生態環境脆弱，正確認識隧址區內水文地質條件、隧道穿越區內巖體的滲透性能，深入研究隧道區域地下水動力場的循環演化，對隧道的安全施工，特別對隧道（涌）突水地質災害防治都具有實際指導意義。

2 巖體滲透系數計算方法概述

巖體滲流參數是巖體滲透特性的量化，是定量化研究連續介質模型滲流的重要基礎［1]。目前確定滲透系數的具體方法主要有：現場試驗、裂隙統計求取巖體的滲透張量、數值模型反演法等。

現場試驗，通常分為常規試驗和專門試驗兩種。前者又包括現場工作的抽水試驗和壓水試驗，是確定巖體滲透特性的最常用方法。各向同性的孔隙介質是現場試驗計算K值的理論基礎，盡管現場原位試驗能夠在一定程度上反映出試驗點所處的地質環境條件。但所計算K值是一個無方向性的標量，對巖體滲透性能的實際情況難以完全揭示。而通過三段壓水試驗、交叉孔壓水試驗等專門試驗，通過計算試驗點的巖體滲透張量，能夠反映出局部滲流力學特征，但對于整個滲流系統，通常耗資量大，進行大量試驗較困難，往往限制了實際應用。

裂隙統計求取巖體的滲透張量，通常是基于工程現場地質情況，統計裂隙水力參數（產狀、間距、隙寬）計算滲透張量。一般基于一定的抽樣原則，測量大量裂隙的水力參數，獲得空間不同位置的主滲透方向及主滲透系數，構成一個三維滲透系數張量場［1]。然而，在工程現場往往難以保證裂隙水力參數量測的精度，尤其當受到一定程度的卸荷作用，在測點附近的裂隙隙寬通常會有所張開，對地質原型狀態下的原始地應力環境不能精準揭露；同時，考慮到巖體的滲透性與裂隙隙寬是三次方關系，因此在實際操作應用過程中是不能忽略這種影響［2]。

滲流模擬反分析是用已建立的滲流模型來反演求解巖體的滲透參數。其前提是基于工程現場所獲取的地下水水位觀測信息，因此可以綜合反映出研究區巖體概況。地下水觀測信息的可靠性、滲流模型概化的合理性和參數初值的精確度是影響模擬反分析的關鍵因素［2]。本次采用現場地質鉆孔壓水試驗求取滲透系數。

3 利用鉆孔壓水試驗計算滲透系數

利用隧址區已施工鉆孔的水文地質試驗（壓水試驗），如圖1～6所示，計算各鉆孔所在層位的水文地質參數K。

圖1～6為有效深孔壓水試驗升壓、降壓曲線表，根據《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程SL31-2003》規定升壓、降壓過程中對應壓力值流量絕對值不大于1L／min或者相對差不大于5%是，可認為基本重合，按照此規定以上各孔P-Q曲線基本重合，數據可靠，可利用數據進行K值計算。其中圖1～4壓水的P-Q曲線接近于過坐標原點的直線，為A（層流）型；圖5～6兩端壓水曲線中部向上翹，為C（擴張）型，根據規定計算公式為：

當試驗段底部與隔水層的厚度大于試驗段長度時，按下式近似計算巖層的滲透系數：

當試驗段底部與隔水層的厚度小于試驗段長度時，按下式近似計算巖層的滲透系數：

根據各深孔試驗段的實際情況，利用以上公式計算，結果如表1所示。

表1 各壓水試驗K計算表

4 隧址區巖體滲透規律

李遠耀等對紫坪鋪壩區砂巖滲透性空間變化規律的研究表明，在壩址區滲透系數在空間上存在4個垂向分帶，即強風化卸荷帶（0～50 m）、弱風化卸荷帶（50～80 m）、淺埋帶（100～140 m）和深埋帶（大于140 m）；且認為在埋深小于140 m時，滲透系數隨埋深加大呈明顯的指數規律衰減，大于140 m時，平均滲透系數變化較小［3]。也就說明，巖體的滲透性能在空間一定深度范圍內符合指數規律分布。圖7為隧址區T2z地層滲透系數K與埋深h之間關系圖，表明隧址區內T2z地層巖體的滲透性能在地表300m以上呈現明顯的指數關系，300m以下變化不明顯。其滲透系數K與埋深h之間關系為：

式中：K—不同深度的滲透系數（m／d）；h—不同深度（m）。

隧址區內其它地層與T2z所處構造環境一致，僅在巖性方面有差異，因此認為其它地層滲透系數的空間變化規律仍然服從指數模型，并用以下模型來評價：

式中：K—不同深度的滲透系數（m／d）；K0—不同地層的滲透系數的本底值（m／d）；h—不同深度（m）。

結合現場鉆孔壓水試驗數據表1，利用以上計算模型，反算K0，即可以得到T1b、C+P地層的滲透系數在300m以內的空間變化規律。計算得：

T1b地層滲透性的空間變化規律計算模型為：

C+P地層滲透性的空間變化規律計算模型為：

式中：K—不同深度的滲透系數（m／d）；h—不同深度（m）。

5 結語

根據現場壓水試驗段的滲透系數，統計分析揭露隧址區內巖體滲透系數空間上的變化規律服從指數模型K ＝K0e-0.0125h。進一步計算出了隧道穿越各地層滲透系數的空間變化模型，T2z地層的滲透系數空間變化模型為K ＝0.5737e-0.0125h，T1b地層的滲透系數空間變化模型為K ＝0.08655e-0.0125h，C+P地層的滲透系數空間變化模型為K ＝2.185e-0.0125h。