地質指標分析下的裂隙巖體滲透系數估算模型構建

鄒建

（貴州正業工程技術投資有限公司，貴州貴陽 550001）

巖體容易受多種因素影響，導致滲透性能發生大幅度改變，如何全面分析影響因素，構建較為準確的估算模型成為了重點研究內容[1]。目前，應用比較多的滲透系數求解方法有4 種，分別是滲透系數估算方法、反分析法、裂隙樣本分析法、水文地質試驗分析法[2-3]。相比之下，滲透系數估算方法的準確度較高，計算難度偏低。由于當前將此方法應用至巖體滲透性能分析中的研究較少，未能形成完整的評估模型，并且地質指標不全面[4-5]。為了彌補以往研究的不足，本研究選擇充填物FSD、巖石質量RQD、埋深Z 因素作為研究指標，設計一套Z-RQD-FSD 估算模型展開深入探究。

1 工程概況

某水電站屬于3 級工程，以河床碾壓混凝土重力擋水壩作為樞紐布置方案，蓄水標高為2558m，上游與下游水頭差值在88m 左右；以壩后消力池作為壩身布置方案；電站裝機總容量為1086MW，以地下廠房作為左岸布置方案。工程壩址為茨瑪絨侵入體，容易受風化、卸荷、構造影響，導致透水性能發生改變，需要準確估算透水性能變化數值，從而為工程施工方案設計提供較為可靠的信息支撐。如圖1 所示為Lu 值隨埋深變化曲線圖（Lu為壓水呂榮值）。

圖1 Lu 值隨埋深變化

2 現有的裂隙巖體估算模型與分析

2.1 現有的巖體估算模型

經過多年研究，國內外在巖體滲透系數估算方面的研究取得了一些成果，這些研究皆是以埋深Z 作為影響因素，例如文獻[8]、文獻[9]、文獻[10]搭建以下估算模型：

文獻[8]巖體估算模型：

文獻[9]巖體估算模型：

文獻[10]巖體估算模型：

上述模型中，參數a、參數b 皆為常數。

2.2 模型存在的問題

雖然該工程已經設計了一套巖體估算模型，但是該模型存在一些問題，總結如下：

圖2 局部鉆孔

2.2.1 巖土滲透性能容易受多種因素干擾，除了埋深Z 以外，還涉及充填物FSD、巖石質量RQD 等因素，當前模型指標不全面。

2.2.2 模型計算量較大，耗費時間較長。

3 裂隙巖體滲透系數估算模型的構建

為了優化傳統巖體滲透系數估算模型，本研究通過整理大量文獻資料，選取3 個對巖體滲透性能影響較大的因素作為主要地質分析指標，構建新的估算模型。如

3.1 模型指標

3.1.1 埋深Z：該項指標用于描述巖體應力水平，裂縫發育與之間成負相關關系，裂隙開度與裂縫發育之間成正相關關系。當巖體裂縫發育發生改變時，其他相關指標也將發生變化，容易引發巖體滲透性能的變化，從掌握資料來看，滲透性能將沿著垂直方向發生改變。

3.1.2 巖石質量RQD：該項指標用于描述巖體風化程度，作為巖體穩定性主要評價指標。

3.1.3 充填物FSD：該項指標用于描述裂縫中的細粒物質，例如粉砂質填充物、泥質等[6]。

3.2 模型的構建

本研究借鑒文獻[7]、文獻[8]、文獻[9]、文獻[10]中的研究觀點，采用冪函數描述埋深與滲透系數之間的關系，而FSD 指標與RQD 指標之間存在負指數關系。由此推斷，FSD 指標與RQD 指標之間必定存在關聯關系。本研究將充填物FSD、巖石質量RQD、埋深Z 因素作為研究指標，設計一套Z-RQD-FSD 估算模型。如下：

公式（4）和公式（5）中，α、β、γ 皆為經驗常數。其中，參數γ＜0，當裂隙充填不是很明顯，且裂隙發育速度較慢時，巖體滲透性能隨著埋深的增加而逐漸減弱。β＞0 時，當埋深保持不變時，裂隙充填程度越大（FSD 指標增大），或者裂隙發育程度越低（RQD 指標增大），對巖體滲透性能造成的影響為消極影響。

整理收集到的資料數據，計算不同鉆孔的K 值和PD 值，結果如表1 所示。

表1 鉆孔結果

將實測K 值與估算K 值進行對比，y=x 直線兩側聚集了大量數據點。由此判斷，實測K 值與估算K 值比較接近，可以作為模型估算數據資料。

3.3 模型參數

將表1 中的相關數據帶入估算模型中進行擬合，涉及到的參數如表2 所示。

表2 Z-RQD-FSD 模型參數

擬合結果中，由此看來，本文構建的Z-RQD-FSD 估算模型比較合理，可以反映巖體滲透特性。

4 模型的驗證

為了進一步檢驗估算模型可靠性，本研究以文獻[8]、文獻[9]、文獻[10]中的估算精度作為對照，對本模型的臺灣鉆孔、地下水封洞庫參數估算合理性進行驗證。本次擬合試驗為鉆孔HM-102-05、HM-103-06、ZK18、ZK11 賦予不同條件，運用Z-RQD-FSD 模型估算，得到如表3、表4、表5 所示結果。

表3 臺灣鉆孔驗證結果

表4 地下水封洞庫驗證結果

表5 模型擬合結果

觀察表5 和圖3 可知，擬合結果與實際情況更為接近，K 實測結果與K 估算結果幾乎保持一致，各項參數的擬合結果也貼近實際情況，而其他幾個文獻的模型擬合精度偏低。

圖3 鉆孔的K 實測與K 估算的關系

5 結論

本文圍繞巖體滲透系數估算方法展開探究，以地質指標充填物FSD、巖石質量RQD、埋深Z 作為滲透系數影響因素，構建估算模型。估算結果顯示，本估算模型得到的K 估算結果與K 實測結果幾乎保持一致，各項參數的擬合結果也貼近實際情況，較以往設計的模型估算精度有所改善。