西南某隧址區(qū)裂隙巖體滲透性分析

藍宇騁 李窈靚 段明杰

（云南省交通規(guī)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(qū)，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(tǒng)侏倭組（T3zh）砂巖夾炭質千枚巖、灰?guī)r、礫巖；中統(tǒng)雜谷腦組（T2z）千枚巖、砂巖、灰?guī)r；下統(tǒng)菠茨溝組（T1b）變質石英砂巖、炭質千枚巖夾灰?guī)r；二疊系（P）灰?guī)r夾千枚巖；石炭系（C）灰?guī)r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(qū)所處生態(tài)環(huán)境脆弱，正確認識隧址區(qū)內水文地質條件、隧道穿越區(qū)內巖體的滲透性能，深入研究隧道區(qū)域地下水動力場的循環(huán)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(shù)計算方法概述

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

現(xiàn)場試驗，通常分為常規(guī)試驗和專門試驗兩種。前者又包括現(xiàn)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(xiàn)場試驗計算K值的理論基礎，盡管現(xiàn)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(huán)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(tǒng)，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(tǒng)計求取巖體的滲透張量，通常是基于工程現(xiàn)場地質情況，統(tǒng)計裂隙水力參數(shù)（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(shù)，獲得空間不同位置的主滲透方向及主滲透系數(shù)，構成一個三維滲透系數(shù)張量場［1]。然而，在工程現(xiàn)場往往難以保證裂隙水力參數(shù)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(tài)下的原始地應力環(huán)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(shù)。其前提是基于工程現(xiàn)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(qū)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(shù)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(xiàn)場地質鉆孔壓水試驗求取滲透系數(shù)。

3 利用鉆孔壓水試驗計算滲透系數(shù)

利用隧址區(qū)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(shù)K。

圖1～6為有效深孔壓水試驗升壓、降壓曲線表，根據(jù)《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程SL31-2003》規(guī)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(guī)定以上各孔P-Q曲線基本重合，數(shù)據(jù)可靠，可利用數(shù)據(jù)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(jù)規(guī)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(shù)：

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(shù)：

根據(jù)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(qū)巖體滲透規(guī)律

李遠耀等對紫坪鋪壩區(qū)砂巖滲透性空間變化規(guī)律的研究表明，在壩址區(qū)滲透系數(shù)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(shù)隨埋深加大呈明顯的指數(shù)規(guī)律衰減，大于140 m時，平均滲透系數(shù)變化較?。?]。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(shù)規(guī)律分布。圖7為隧址區(qū)T2z地層滲透系數(shù)K與埋深h之間關系圖，表明隧址區(qū)內T2z地層巖體的滲透性能在地表300m以上呈現(xiàn)明顯的指數(shù)關系，300m以下變化不明顯。其滲透系數(shù)K與埋深h之間關系為：

式中：K—不同深度的滲透系數(shù)（m／d）；h—不同深度（m）。

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

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

結合現(xiàn)場鉆孔壓水試驗數(shù)據(jù)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(shù)在300m以內的空間變化規(guī)律。計算得：

T1b地層滲透性的空間變化規(guī)律計算模型為：

C+P地層滲透性的空間變化規(guī)律計算模型為：

式中：K—不同深度的滲透系數(shù)（m／d）；h—不同深度（m）。

5 結語

根據(jù)現(xiàn)場壓水試驗段的滲透系數(shù)，統(tǒng)計分析揭露隧址區(qū)內巖體滲透系數(shù)空間上的變化規(guī)律服從指數(shù)模型K ＝K0e-0.0125h。進一步計算出了隧道穿越各地層滲透系數(shù)的空間變化模型，T2z地層的滲透系數(shù)空間變化模型為K ＝0.5737e-0.0125h，T1b地層的滲透系數(shù)空間變化模型為K ＝0.08655e-0.0125h，C+P地層的滲透系數(shù)空間變化模型為K ＝2.185e-0.0125h。