巖體結構及其滲透性在水文地質中的重要性

唐傳生

（重慶南江水文地質工程地質隊，重慶 401147）

前言

水文地質系統通常包括水文地質結構系統和地下水流系統。水文地質系統不是孤立存在的,它受人類工程活動和自然因素的影響和制約并且不斷地運動和演化究的一個重要方法和發展趨勢,對巖體滲流的研究主要包括巖體結構和地下水兩方面內容。巖體結構控制著地下水的滲流特性,地下水的運動又影響著巖體的物理力學性質,同時這兩方面又受人類工程活動的改造。

1 巖體的水文地質結構介紹

巖體的結構控制著巖體的物理力學和水力學性質,巖體結構的研究是任何工程中非常重要的一個環節。從水文地質研究的角度看:水文地質系統通常包括水文地質結構系統和地下水流系統兩大部分。其中,水文地質結構系統具有不同結構和水力學性質的水文地質綜合體的空間組合。它構成了地下水的賦存空間,控制著地下水的儲存和運移,是研究地下水流系統的基礎。

水文地質結構的研究主要包括巖體的透水特性的介質類型及結構面性狀。廣義地說,能含水的巖體都可稱為多孔介質,其中地下水以孔隙水形式存在的巖體稱為孔隙介質,地下水以裂隙水存在的巖體稱為裂隙介質,而地下水以裂隙-溶隙水存在的巖體稱為孔隙-裂隙介質。相應于三種介質類型,我們可以把巖體水文地質結構概化為孔隙結構、裂隙結構、裂隙-溶隙結構三種基本模型。

2 巖體的透水性及巖體結構控滲效應

2.1 巖體透水性的影響因素

總的來說,新鮮完整的巖體是基本上不透水的,巖體的透水性主要是由內部原生及構造性結構面和外部的風化作用、卸荷作用,地形地貌等諸多因素控制的。自然界的一切巖體在成巖、風化、卸荷及構造作用下,內部都產生了規模、類型、性質各異的大量結構面(例如斷層、裂隙、夾層等),巖體被這些結構面切割分離成不規則的不連續體。這些結構面是地下水運動和儲存的通道。

忽略巖塊的透水性以后,地下水在巖體中的滲透主要沿巖體中大量存在的裂隙進行。結構面的透水大小是由其空隙性決定的,其空隙性又是由結構面的寬度,粗糙度、充填度及充填物質的性質(粒徑、級配、膠結程度)等決定的。同時,結構面的產狀和性質還控制地下水的滲透各向異性。地質體之間的作用和地質體與自然力的作用是十分復雜的,處在各種作用力下的巖體其應力和透水性都是隨時間變化的,其變化與內外力的作用息息相關。裸露的基巖時時刻刻受著風化剝蝕作用,風化作用可以使孔隙介質變的更加疏松,增大了其空隙性,從而增大了其透水性。風化作用還可以沿裂隙介質的結構面進行,強風化結構面內還可形成泥化夾層,降低了其應力指標。

2.2 巖體結構控滲效應

為了更好地描述巖體結構與滲流的關系和前者對后者的影響、決定作用,本文引用了結構控滲效應理論,并在前人研究的基礎上,提出了如下結構控滲效應模型。

巖體結構分流交叉控滲效應模型。巖體結構控滲的分流效應,是指同級或不同級的地質結構面上或不同結構面之間滲流量的不均勻分配和優勢溝槽流效應。該效應模型包括三個層次:①網絡分流,即巖體滲流首先選擇滲流優勢面網絡作較大規模的流動。②面上分流,即結構面內部的滲流繼續選擇不規則溝槽流動。③槽間風流,即結構面的溝槽流進一步選擇滲流優勢溝槽作為滲流路徑。

分流主要受結構面開度、間距、粗糙度和充填狀況的控制。結構面開度越大,間YE越大,粗糙系數(JRCY)越大,或者充填物的級配越好,其分流效應越明顯。地質結構控滲的交叉流效應,指同級或不同級地質結構面交匯處地下水的偏向、偏流、局部水頭損失及不同方向上水流阻力不等效應,其核心內容是偏流效應。交叉流主要受結構面的規模、開度、交叉特征和充填狀況的控制。分流與交叉流是密不可分的,兩者相互依賴相互制約,共同受地質結構的控制。故可合稱為地質結構控滲的分流交叉效應。

3 巖體滲流分析及巖體滲透參數確定方法研究

巖體滲透參數是研究巖體滲流問題的非常重要的參數。因此如何正確、有效地確定巖體和結構面的滲透參數一直是工程

地質和水文地質研究關注的問題.

由于研究問題時所采取的方法不同,往往同一參數所反映的同一客觀巖體的質與量有所差異。因此,根據研究方法,滲透參數可分成原形參數、試驗參數、模型參數、統計參數等。

原形參數也稱固有參數,是指用于描述客觀巖體的固有性能的參數,如巖體介質滲透性參數。

試驗參數是指采用室內或野外試驗手段確定巖體的參數。統計參數是運用統計學手段來獲得客觀巖體的某些參數。模型參數包括數學模型參數和物理模型參數。

總的來說,裂隙巖體的滲透系數張量的確定是巖體水力學研究的難題,從60年代開始國外一些學者就開始了這方面的研究。我國學者從80年代初開始了裂隙巖體滲透系數張量確定方法的研究，提出了一些比較實用的方法。目前巖體水力學參數的確定方法主要有三種；一是野外幾何測量法；二是現場抽(壓)水試驗法；三是數學模型反演求解法。

4 應力場對巖體滲透性的影響

地應力場與滲流場是巖體重要的賦存環境,二者相互聯系,相互影響,研究巖體應力場和滲流場之間的耦合作用具有重要的理論意義和實踐價值。

4.1 地應力對裂隙巖體滲透特性的影響

隨著埋深的增加,在巖體自重力的影響下,裂隙面法向方向產生壓縮變形,裂隙逐漸閉合,理論上講滲透系數變小。地應力對巖體滲透性的影響不僅表現在滲透系數大小的改變,而且還表現在對滲透各向異性性質的影響。當巖體的地質特征和物理力學參數確定后,巖體的滲透特性與地應力密切相關。地應力對巖體滲透特性的影響主要是通過改變不連續面的開度和不連續面網絡的水力傳導路徑而產生的。

4.2 應力場與滲流場耦合機理

許多學者都對在應力場與滲流場的耦合機理作過研究,其最基本的觀點是:裂隙在法向應力和剪切力作用下,裂隙面發生變形,如壓應力下凸起體的壓碎、裂隙尖端的塑性變形,剪切力作用下的剪脹、剪縮效應及碎屑顆粒的碾磨、巖粉化,這些變形改變了裂隙的等效水力傳導開度及其他一些結構面水力學性質,從而改變了巖體的滲透特性。

4.3 關于巖體滲流場與溫度場耦合作用的一點討論

隨著藕合理論的發展,許多學者建議考慮溫度場對滲流場的影響。我們可以認為裂隙巖體中滲流場與溫度場的耦合作用表現在以下兩個方面:①當巖體中發生滲流時,地下水的滲流運動促成了巖體內熱能以對流的方式發生轉移,進而使巖體內溫度場得以重新分布。②巖體內溫度場的變化,導致地下水賦存環境的相應變化,改變了巖體的熱能物理性質,通過巖體結構的變化而影響巖體的滲透性及地下水的滲流特征。

總結

本文在對巖體水文結構介紹的基礎上,對巖體的透水性及巖體的結構控滲效應做了分析,得出了巖體滲透參數確定方法。最后研究了應力場巖體滲透性的影響。本文對復雜巖體的水文地質結構作了綜合的研究分析,得出了一定的結論,為以后的研究做了一定的基礎。

[1]高韜.復雜巖體的水文地質結構研究.科技資訊，2008年16期.

[2]范雷.鄂西志留系裂隙砂巖巖體結構特征及其力學參數研究.2009-中國地質大學(武漢)：巖土工程.