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(zhǔn)確測試和評估隧洞圍巖的滲透性，對于評估隧洞施工時(shí)支護(hù)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(gòu)筑物在內(nèi)的周邊環(huán)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(xiàn)場地質(zhì)測繪、原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)成果，分析了不同巖性的隧洞圍巖微觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)、宏觀裂隙和斷層的發(fā)育規(guī)律；結(jié)合不同試驗(yàn)方法獲得的滲透性結(jié)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(guān)鍵通道。

關(guān)鍵詞：滲透性特征; 水文地質(zhì)試驗(yàn)； 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(xiàn)標(biāo)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(zhì)巖，以及白堊紀(jì)燕山四期和奧陶紀(jì)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(jìn)行隧洞涌水量計(jì)算的基本指標(biāo)，也是評估對隧洞開挖周邊環(huán)境影響的重要依據(jù)。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(nèi)配套項(xiàng)目之一，局部位于深圳市繁華市區(qū)，下穿地表水體、高速公路、鐵路、地鐵等敏感區(qū)域。隧洞開挖過程中可能因地下水流失而引起地面沉降，進(jìn)而對交叉建筑物的正常運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的安全威脅。

倪紹虎等［1］通過現(xiàn)場高壓滲透試驗(yàn)揭示水-巖相互作用關(guān)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(wěn)定耐久性等特性。孫云志等［2］通過計(jì)算裂隙巖體等效滲透系數(shù)、原位抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)和室內(nèi)原狀大樣滲透實(shí)驗(yàn)等方法獲得巖體滲透性指標(biāo)。劉武等［3］針對長河壩水電站基坑施工期涌水問題，根據(jù)施工期各滲壓計(jì)、基坑滲漏量實(shí)測時(shí)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(shù)。開展深埋隧洞圍巖不同試驗(yàn)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(shè)計(jì)和施工、減少隧洞開挖對包括地面構(gòu)筑物在內(nèi)的周邊環(huán)境的影響具有重要意義。

1隧洞圍巖微觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育狀態(tài)

1.1隧洞圍巖巖性及微觀結(jié)構(gòu)

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

微觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)表明，不同巖性的巖石微觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在較大差異，但其顆粒密度一般均可達(dá)到2.68～2.74 g/cm3，且普遍以長石、石英為主要成分，膠結(jié)良好。因此，巖石本身不是良好的導(dǎo)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(gòu)造裂縫。

1.2隧洞沿線不同巖性裂隙發(fā)育特征

鉆孔錄像可以直觀反映圍巖裂隙發(fā)育狀態(tài)。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(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，綜合分析不同巖性優(yōu)勢裂隙分布、裂隙間距以及裂隙面的主要特征，見表2。

統(tǒng)計(jì)表明，隧洞沿線以砂巖為代表的沉積巖主要發(fā)育中傾角裂隙，裂隙面裂隙面一般平直粗糙，充填巖屑、泥質(zhì)，附鐵錳質(zhì)薄膜；以片麻巖為代表的變質(zhì)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(zhì)；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(zhì)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(fā)育的斷層是另一主要滲漏通道。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)測繪、物探解譯、鉆孔驗(yàn)證等手段，查明隧洞沿線發(fā)育的主要斷裂及其特征，見表3。

2基于不同試驗(yàn)方法的隧洞圍巖滲透性試驗(yàn)

2.1滲透性試驗(yàn)方法選擇

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

2.2滲透性試驗(yàn)成果

隧洞前期研究期間，對隧洞圍巖采用不同試驗(yàn)方法，進(jìn)行了總計(jì)多達(dá)1 148次滲透性試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

2.3滲透性試驗(yàn)比較分析

2.3.1不同試驗(yàn)方法滲透性試驗(yàn)結(jié)果比較分析

較完整的隧洞圍巖滲透性試驗(yàn)成果表明，不同試驗(yàn)方法滲透性成果存在一定差異。其中抽水試驗(yàn)結(jié)果總體上比壓水試驗(yàn)略大，潛在原因是抽水試驗(yàn)反映的是整個(gè)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(yàn)段多，相反的，壓水試驗(yàn)在特別破

碎圍巖段容易失效，即壓水試驗(yàn)部分大值未納入統(tǒng)計(jì)。

微水試驗(yàn)結(jié)果總體上比傳統(tǒng)壓水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)結(jié)果要低一個(gè)數(shù)量級，這一方面是試驗(yàn)基本原理顯著不同造成的，微水試驗(yàn)是通過井孔內(nèi)微小水量的瞬間增加（或減少），而引起井孔水位隨時(shí)間的振蕩變化規(guī)律，檢測設(shè)備精細(xì)，而傳統(tǒng)的壓水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)設(shè)定的邊界條件相對粗糙。另一方面的原因主要是壓水試驗(yàn)和抽水試驗(yàn)成果以Lu為計(jì)量單位，而微水試驗(yàn)成果以cm/s為計(jì)量單位，二者之間的換算經(jīng)大量試驗(yàn)研究還未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但是對于斷層破碎帶內(nèi)的碎裂巖微水試驗(yàn)的透水性指標(biāo)反而偏大，這與微水試驗(yàn)設(shè)備的量程存在一定局限性有關(guān)。

2.3.2不同隧洞圍巖滲透性試驗(yàn)結(jié)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(zhì)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?？傮w上，石英的高硬度易導(dǎo)致巖石內(nèi)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(fā)育程度，可能對砂巖的滲透性偏大構(gòu)成一定影響，但不是主要因素，因?yàn)閷λ矶磭鷰r的滲透性決定性作用的是裂隙、斷層等結(jié)構(gòu)面。

從裂隙發(fā)育程度的宏觀角度分析，砂巖的裂隙間距最小，裂隙最發(fā)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(fā)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(gè)數(shù)量級，表明斷層破碎帶是隧洞施工期發(fā)生滲涌水的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，需引起高度重視。

3結(jié) 論

經(jīng)多種試驗(yàn)方法測試的隧洞圍巖水文地質(zhì)參數(shù)對比分析，抽水試驗(yàn)結(jié)果總體上比壓水試驗(yàn)略大，而微水試驗(yàn)結(jié)果總體上比傳統(tǒng)水文地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果要低1個(gè)數(shù)量級?？傮w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(fā)育程度相關(guān)，而受巖石微觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(gè)數(shù)量級。

參考文獻(xiàn)：

［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(xué)與工程學(xué)報(bào)，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(wěn)定滲流過程的巖體滲透特性反演分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（2）：363-373.

（編輯：黃文晉）