東津水庫壩肩巖體壓水試驗滲透系數分析

胡代釗

（江西省建洪工程監理咨詢有限公司，南昌 330095）

0 引 言

滲透系數的確定是滲流分析及控制的基礎，對于水利水電工程而言，滲透系數的取值直接影響滲流計算精度，如果取值不當，必將影響分析結果的準確性和滲流控制方案的可靠性?！稁r土工程勘察規范GB50021-2009》及《土工試驗方法標準GB/T 50123-2019》中均明確了室內試驗和現場試驗在巖土體滲透系數確定中的重要地位，并給出室內滲透試驗、注水試驗、抽水試驗、壓水試驗等可行的試驗方法。其中，鉆孔壓水試驗在水利水電工程大壩巖體透水性測定、巖體滲透性能評價、工程防滲控制措施制定等方面應用較為廣泛。根據相關規范，鉆孔壓水試驗過程應根據鉆孔深度由上至下借助單栓塞方式隔離并分段進行，而對于孔壁穩定性及巖石完整性良好的孔段，可通過雙栓塞分段后進行；試驗段長度根據實際情況確定。鉆孔壓水試驗是確定巖體滲透系數的重要方式，但當前壓水試驗相關的分析方法并不完善；且對于巖溶洞穴、裂隙密集、斷層破碎等特殊地段，因巖體滲透性較大，所需注水量也較多，按照現行規范所要求的不變的沖水壓力展開試驗，也無法取得較好的試驗效果。為此，文章依托地質條件復雜的東津水庫工程，針對鉆孔壓水試驗過程及壩肩巖體滲透系數取值展開非穩定滲流擬合分析。

1 工程概況

東津水庫為大型水庫，位于修水縣馬坳鎮境內，所在水系屬修河干流東津水，水庫壩址座落在東津水上游河段上的馬坳鎮的黃溪村，距修水縣城36km。東津水庫壩址以上控制流域面積1084km2，年平均徑流量9.52×108m3，年平均流量30.2m3/s，水庫總庫容79500×104m3，水庫調節庫容38600×104m3，庫容系數40.5%，屬多年調節水庫。壩址處多年平均流量為30.8m3/s，多年平均徑流深898.7mm。

水庫庫區地層按照沉積韻律可劃分成7 層，其中第4~6 層出露，以中厚砂巖、石英砂巖互層為主，且表面風化破碎嚴重。水庫大壩為明顯的西北向構造，在后期旋卷構造的作用下單斜構造特征明顯，左右岸分別為反向坡和順向坡，傾角平緩，并在走向及傾向上均表現出緩和的起伏，褶皺、斷裂及裂隙均發育，且斷裂構造主要呈壓性。壩址區河谷呈U 形，且以河漫灘為主，兩岸岸坡陡峭，河谷分布厚度較大、透水性強的中密~密實性砂礫卵石層，巖體裂隙較為發育且互層之間頻繁錯動。根據壩基開挖結果，巖體中存在一處60m 寬的陡峭傾角破碎巖帶，其間巖體因擠壓而破碎，斷層及褶皺發育，具有極強的透水性。這一斷裂帶同時也成為東津水庫壩體壩基中最嚴重的滲漏通道，也是造成帷幕灌漿加固體失效的主要原因。

水庫左壩肩山體以灰白色含礫石英砂和紫紅色粉砂巖互層為主，基巖裸露，且坡面散落0.5~2.8m厚的強風化坡積碎石，邊坡巖體破碎，表現出強烈的卸荷傾向。壩肩和下游表層巖體以結構松散、局部架空的傾倒體為主，左壩肩透水帶厚度至少在30m 以上。在自然狀態下，基巖裂隙水位與竹坪河持平，且徑流暢通，繞滲問題較為突出。右壩肩巖性基本與左壩肩一致，為水平層狀邊坡結構，在壩軸線以下250m 處存在深切且與坡面交角29°的河溝，造成右壩肩山體削弱單薄，在正常蓄水位下滲徑最小僅為165m；此外，右壩肩巖體同樣表現出強烈的風化卸荷，因岸頂存在大厚度強風化卸荷帶，故基巖裂隙水位基本與所在流域水位持平。此外，水庫右壩肩因梁體單薄，巖體破碎，故繞滲嚴重。

東津水庫庫區屬于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季低溫少雨，年降水量均值為1108mm，地表水系以修河及竹坪河為主，河流流量在0.2~0.4m3/s 之間，暴雨后流量激增至10~20m3/s。水系分布情況主要受構造控制，且地表水和地下水之間存在密切聯系。上游河段河槽基巖裸露，兩岸基巖裂隙水補給河水；夏季隨著氣溫的持續上升，地表徑流減少，河流表現出間斷分布態勢，下游河段河流則持續向地下潛流轉化，地表徑流進一步減少。遭遇降雨后，基本干涸的斷流便會得到充足的補給。

流域地下水包括河谷第四系空隙潛水和基巖裂隙水兩種，前者賦存于河谷沖積沙礫卵石內，并以兩岸基巖裂隙水和河谷水為主要補給來源；后者則賦存于河床基巖裂隙及河谷兩岸，以大氣降水為補給來源。因巖體裂隙發育，徑流通暢，透水良好，水力坡度平緩，所以壩址區兩岸基巖裂隙水位基本與河流水位持平。

2 壓水試驗

2.1 試驗準備

結合東津水庫地質條件，左右壩肩地質構造及巖性基本一致，為得到壩肩巖體滲透系數取值，必須進行壓水試驗?？紤]到右岸溢洪道邊坡存在潛在的滑坡風險，故在左壩肩展開壓水試驗，具體而言，采用XY-1 型油壓鉆機和金剛石鉆具在水庫左岸壩軸線處打設孔徑91mm 的壓水試驗孔，采用氣壓式止水栓塞以及出水均勻、壓力穩定的水泵，將容積至少為5L 的空氣室安裝在水泵出口，從而在1.0MPa的設計壓力下將流量控制在100L/min 左右。此外，還應配備反應靈敏的壓力表、壓力傳感器及流量計，壓力傳感器壓力范圍應高出試驗壓力，流量計應能在1.5MPa 壓力及與水泵出力相匹配的范圍內正常工作。

2.2 試驗過程及結果

由于巖體較為破碎，故鉆孔后出現卡鉆和掉鉆，調整和變更鉆孔孔位后成功鉆孔16m 深并取芯樣。鉆孔結束后通過壓水法沖孔，將鉆具下放至孔底，并將水泵出水量調節至最大，在沖孔過程中觀察孔口回水，直到回水清澈且無巖粉流出為止。

沖孔及清孔完成后展開分段壓水試驗。結合芯樣觀察結果，分別在孔深8m、12m 和16m 處進行測試。測試前隔離試驗段，并在壓水試驗設備中安裝栓塞，檢查工作管；此后開啟調節閥，向試驗段送水，待達到設計壓力后按要求持壓，持壓期間按照1~2min 的時間間隔進行水流量觀測，當流量無明顯增大且5 次讀數中最大最小壓力值之差比最終值的10%小，則由壓力傳感器自動記錄該時刻流量和試驗段壓力值，并自動計算對應的巖體透水率[1]。

因該水庫左岸壩肩巖體較為破碎，滲透系數大，且試驗結果缺乏穩定性，即使將試驗段長度縮短至1.5m，或使水泵達到100L/min 的最大供水能力，均無法維持試驗段穩定，故壓水試驗孔中壓力值始終取零，實際巖體透水率遠遠超出試驗設備可檢測范圍。鉆孔深度分別為8m、12m、16m時孔內水位變化情況詳見圖1。由圖中試驗結果可知，當鉆孔深度為8m 時，時間從0s 增大至16s，水位從1833.15m 降至1832.2m；當鉆孔深度為12m時，時間從0s 增大至90s，水位從1838.0m 降至1831.0m；當鉆孔深度為16m 時，時間從0s 增大至19s，水位從1824.02m 降至1823.84m。

圖1 試驗孔內水位變化趨勢

3 滲透系數的計算及分析

在單孔壓水試驗中，通過栓塞將鉆孔隔離為一定長度的孔段，向孔段內壓水后根據流量-壓力關系確定孔段巖體滲透特性，并通過下式計算滲透系數[2]：

式中：K為滲透系數，m/s；Q為壓水流量，m3/s；H為試驗水頭，m；L為壓水段實際長度，m；r為壓水試驗鉆孔半徑，m。

應用式（1）計算出各試驗段滲透系數的基礎上，根據下式進行鉆孔周圍巖體等效滲透系數的確定：

式中：Kw為鉆孔周圍巖體等效滲透系數，m/s；Ki為各試驗段滲透系數，i=1,2,…,n。

在東津水庫壩肩巖體壓水試驗中只得出試驗孔內水位隨時間的變化趨勢，并未得出符合試驗規程的試驗壓力與流量曲線，故無法采用上述常規方法準確測算試壓壓力-流量曲線類型及透水率[3]。為此，必須通過反演擬合分析，進行巖體滲透系數值的確定。

3.1 模型構建

模型范圍及邊界根據一般滲流分析原則確定，考慮到東津水庫壩肩巖體壓水試驗計算域為軸對稱，故針對8m、12m、16m 等孔深，均選擇總結構的1/4 構建有限元模型，模型長10m，寬10m，高依次取20m、24m、28m。在模型一角設置孔徑91mm 的圓孔，并按照有限元法剖分后構建起三維網絡。其中，孔深8m 的壩肩壓水試驗有限元網格單元和結點分別為6544 個和7845 個。

非穩定滲流邊界類型包括不透水邊界、出滲邊界和已知水頭邊界等。其中，不透水邊界主要指x、y均取零的截取邊界和模型底面；出滲邊界則指上下游水位線以上的模型表面；已知水頭邊界則指地下水位及鉆孔孔壁截取邊界。考慮到此次壓水試驗主要針對非穩定滲流情況，鉆孔水位隨時間推移而呈變化趨勢[4]。

3.2 擬合結果

采用可變容差法將該水庫壩肩巖體滲透系數初始范圍擬定為1.0×10-7~1.0×10-3m/s，在擬合分析的過程中，必須將各時段鉆孔孔壁四周巖體滲透流量反演值和實測值之間的誤差控制在10%以內[5]。根據非穩定滲流三維有限元分析結果，不同鉆孔深度下壩肩巖體滲透系數擬合結果見表1。根據表中結果，東津水庫壩址區左岸山體壩軸線內側地面以下0~8m、8~12m 和12~16m 段巖體實際滲透系數取值較為接近，這也與地勘資料所揭露的左壩肩山體破碎，巖體透水性強的結論基本一致。

在分析12m 鉆孔深度下壩肩巖體滲透系數時，0~8m段巖體滲透系數按照已得到的滲透系數取值，故僅進行8~12m 鉆孔深度下巖體滲透系數擬合，此后采用類似的處理，最終得到的不同鉆孔深度下滲流流量擬合值和實測值的對比見圖2。

圖2 滲流流量擬合值和實測值的對比

由圖中分析結果可以看出，不同鉆孔深度下流量變化擬合結果和實測值吻合度較高，說明非穩定滲流場擬合結果能較好體現壓水試驗滲流場變化，所得出的滲透系數值也能較好反應東津水庫壩肩巖體實際透水程度。

4 結 論

綜上所述，東津水庫壩址區水文地質條件較復雜，巖體裂隙發育，且透水性較強，無法通過常規現場壓水試驗確定壩肩巖體滲透系數，也無法采用規范所給出的常規方法準確測算試壓壓力-流量曲線類型及透水率。文章所采取的巖體滲透系數值的反演擬合分析有效解決了以上難題，構建起不同孔深下鉆孔壓水試驗有限元模型，對不同鉆孔深度非穩定滲流場展開反演分析，所得出的不同孔段巖體滲透系數以及滲流量隨時間變動的過程趨勢完全符合工程實際。文章所采取的研究方法和分析過程對于水文地質條件復雜、巖體滲透性強，鉆孔壓水試驗過程中孔內壓力無法穩定維持的水利工程壩體壩肩巖體滲透系數反演分析較為適用。