羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程圍巖滲透性研究

胡坤生 王勝波

摘要：準確測試和評估隧洞圍巖的滲透性，對于評估隧洞施工時支護措施的有效性、制定抽排水措施方案、控制隧洞開挖對包括地面構筑物在內的周邊環境的影響具有重要意義。利用輸水隧洞工程前期研究開展的現場地質測繪、原位試驗和室內試驗成果，分析了不同巖性的隧洞圍巖微觀地質結構、宏觀裂隙和斷層的發育規律；結合不同試驗方法獲得的滲透性結果，分析了不同巖性滲透性存在差異的原因。研究表明，不同巖性滲透性存在微弱差異，完整微新巖體一般呈微透水—極微透水，裂隙與斷層是控制隧洞圍巖滲透性的關鍵通道。

關鍵詞：滲透性特征; 水文地質試驗； 裂隙特征； 深埋隧洞; 羅田水庫； 鐵崗水庫

中圖法分類號： P642

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.016

0引 言

羅田水庫—鐵崗水庫輸水深埋隧洞長21.6 km，一般埋深大于50 m，洞徑6.4 m，隧洞沿線主要分布侏羅系粉砂巖、泥巖、石英砂巖等沉積巖，震旦系黃婆山組石英片巖、片麻巖等變質巖，以及白堊紀燕山四期和奧陶紀加里東期的粗粒黑云母花崗巖、黑云母二長花崗巖。隧洞開挖過程中圍巖滲透性是進行隧洞涌水量計算的基本指標，也是評估對隧洞開挖周邊環境影響的重要依據。該隧洞作為深埋隧洞，是珠江三角洲水資源配置工程深圳境內配套項目之一，局部位于深圳市繁華市區，下穿地表水體、高速公路、鐵路、地鐵等敏感區域。隧洞開挖過程中可能因地下水流失而引起地面沉降，進而對交叉建筑物的正常運行構成嚴重的安全威脅。

倪紹虎等［1］通過現場高壓滲透試驗揭示水-巖相互作用關系，研究了高水頭壓力作用下裂隙巖體的水力劈裂、滲透變形、抗沖蝕性能、滲透穩定耐久性等特性。孫云志等［2］通過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獲得巖體滲透性指標。劉武等［3］針對長河壩水電站基坑施工期涌水問題，根據施工期各滲壓計、基坑滲漏量實測時間序列資料和上游河水變化過程曲線，反演了壩基巖土體的滲透系數。開展深埋隧洞圍巖不同試驗方法、不同巖性滲透性的特征差異對比研究，對于滲漏控制設計和施工、減少隧洞開挖對包括地面構筑物在內的周邊環境的影響具有重要意義。

1隧洞圍巖微觀地質結構及裂隙發育狀態

1.1隧洞圍巖巖性及微觀結構

隧洞前期勘察研究過程中，通過地質測繪、鉆探等方式采取了大量樣品進行巖礦鑒定和物理性質室內試驗，其成果見表1。

微觀地質結構及物理性質表明，不同巖性的巖石微觀地質結構存在較大差異，但其顆粒密度一般均可達到2.68～2.74 g/cm3，且普遍以長石、石英為主要成分，膠結良好。因此，巖石本身不是良好的導水體而是相對隔水體。隧洞圍巖主要滲漏通道是裂隙、斷層等構造裂縫。

1.2隧洞沿線不同巖性裂隙發育特征

鉆孔錄像可以直觀反映圍巖裂隙發育狀態。隧洞工程前期研究期間，通過錄像獲取約42 037條裂隙，對其進行分類統計，綜合分析不同巖性優勢裂隙分布、裂隙間距以及裂隙面的主要特征，見表2。

統計表明，隧洞沿線以砂巖為代表的沉積巖主要發育中傾角裂隙，裂隙面裂隙面一般平直粗糙，充填巖屑、泥質，附鐵錳質薄膜；以片麻巖為代表的變質巖以中傾角閉合裂隙為主，裂隙面一般平直光滑，充填巖屑、鈣質；以花崗巖為代表的巖漿巖以陡傾角閉合裂隙為主，裂隙面一般起伏粗糙，充填巖屑，一般被鐵錳質侵染。

1.3隧洞沿線斷裂及斷層破碎帶主要特征

除裂隙外，隧洞圍巖中發育的斷層是另一主要滲漏通道。根據區域地質資料，結合現場地質測繪、物探解譯、鉆孔驗證等手段，查明隧洞沿線發育的主要斷裂及其特征，見表3。

2基于不同試驗方法的隧洞圍巖滲透性試驗

2.1滲透性試驗方法選擇

常規隧洞圍巖滲透性試驗主要包括抽水試驗、壓水試驗、微水試驗等。其中抽水試驗適用于初步測定各含水層的滲透性系數，而壓水試驗在一定程度上可較準確測定某一固定長度試段巖體的滲透性系數，微水振蕩試驗作為一種新型方法，主要反映全孔段巖體的滲透性系數。

2.2滲透性試驗成果

隧洞前期研究期間，對隧洞圍巖采用不同試驗方法，進行了總計多達1 148次滲透性試驗，統計結果見表4。

2.3滲透性試驗比較分析

2.3.1不同試驗方法滲透性試驗結果比較分析

較完整的隧洞圍巖滲透性試驗成果表明，不同試驗方法滲透性成果存在一定差異。其中抽水試驗結果總體上比壓水試驗略大，潛在原因是抽水試驗反映的是整個鉆孔段的滲透性，所包含的裂隙、斷層等“滲漏通道”要比壓水試驗段多，相反的，壓水試驗在特別破

碎圍巖段容易失效，即壓水試驗部分大值未納入統計。

微水試驗結果總體上比傳統壓水試驗和抽水試驗結果要低一個數量級，這一方面是試驗基本原理顯著不同造成的，微水試驗是通過井孔內微小水量的瞬間增加（或減少），而引起井孔水位隨時間的振蕩變化規律，檢測設備精細，而傳統的壓水試驗和抽水試驗設定的邊界條件相對粗糙。另一方面的原因主要是壓水試驗和抽水試驗成果以Lu為計量單位，而微水試驗成果以cm/s為計量單位，二者之間的換算經大量試驗研究還未有統一的標準。但是對于斷層破碎帶內的碎裂巖微水試驗的透水性指標反而偏大，這與微水試驗設備的量程存在一定局限性有關。

2.3.2不同隧洞圍巖滲透性試驗結果比較分析

在以砂巖為代表的沉積巖、以片麻巖為代表的變質巖和以花崗巖為代表的巖漿巖中，總體趨勢是砂巖的滲透性最大，片麻巖的滲透性居中，而花崗巖的滲透性最小。

從巖石礦物組成的微觀角度分析，砂巖石英含量高，而片麻巖、花崗巖的長石含量高。總體上，石英的高硬度易導致巖石內部形成“架空”，孔隙率較大，從而形成一定程度的微通道。這種微通道的發育程度，可能對砂巖的滲透性偏大構成一定影響，但不是主要因素，因為對隧洞圍巖的滲透性決定性作用的是裂隙、斷層等結構面。

從裂隙發育程度的宏觀角度分析，砂巖的裂隙間距最小，裂隙最發育，裂隙面平直粗糙，且沉積巖存在顯著的層理面，因此其滲透性相對較大。而花崗巖裂隙間距最大，裂隙最不發育，裂隙面起伏粗糙，且不存在顯著的層理面，因此其滲透性相對較小。

斷層破碎帶碎裂巖的滲透性相對較大，比普通圍巖要大1～2個數量級，表明斷層破碎帶是隧洞施工期發生滲涌水的主要風險點，需引起高度重視。

3結 論

經多種試驗方法測試的隧洞圍巖水文地質參數對比分析，抽水試驗結果總體上比壓水試驗略大，而微水試驗結果總體上比傳統水文地質試驗結果要低1個數量級。總體而言砂巖的滲透性最大，片麻巖的滲透性居中，而花崗巖的滲透性最小，這主要與巖體宏觀裂隙及斷層的發育程度相關，而受巖石微觀地質結構影響較小。斷層破碎帶碎裂巖的滲透性比一般圍巖大1～2個數量級。

參考文獻：

［1］倪紹虎，何世海，汪小剛，等.裂隙巖體高壓滲透特性研究［J］.巖石力學與工程學報，2013，32（2）：3028-3035.

［2］孫云志，汪小平，夏支埃，等.廈門東通道海底隧道工程巖體滲透性綜合研究［J］.人民長江，2005，36（3）：24-25.

［3］劉武，陳益峰，胡冉，等.基于非穩定滲流過程的巖體滲透特性反演分析［J］.巖石力學與工程學報，2015，34（2）：363-373.

（編輯：黃文晉）