隧洞弱透水層滲透性試驗及其滲透系數確定

張克翠

（甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 730000）

隧洞弱透水層滲透性試驗及其滲透系數確定

張克翠

（甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 730000）

隧洞圍巖含水率及滲透情況對隧洞開挖工藝、降排水及支護的設計具有重大影響。通過對引洮供水二期工程地質鉆孔地層情況及孔內賦水情況分析，選定典型隧洞圍巖段，通過在雜色黃土狀土圍巖段進行鉆孔常水頭注水試驗和在新近系砂質泥巖強風化段進行提水試驗，確定其圍巖含水量大小及滲透系數，經過試驗和計算確定：雜色黃土狀土、新近系砂質泥巖強風化層的滲透系數在1.0×10-5～1.0×10-6cm/s數量級，兩類地層滲透系數很小，富水性貧乏，巖體透水性屬較差和很差級別?？蔀橐┧诘叵峦杆运矶磭鷰r的開挖工藝、降排水及支護設計提供可靠的水文地質資料。

弱透水層；滲透性試驗；滲透系數

在水利工程施工中常會遇到地下水，部分隧洞圍巖特別是軟巖、較軟巖具弱透水性，圍巖內常有少量的地下水呈滴狀或線狀流出，雖然水量小，持續時間短，補給來源有限，但不及時排除，會使圍巖軟化、泥化，加劇隧洞的塑性變形，對工程施工、圍巖支護有很大的影響。在引洮二期工程中，該類問題較突出。

一般的富水性地層常采用鉆孔抽水、壓水試驗進行推算其滲透系數。貧水性地層難以用上述方法進行滲透性實驗。本文通過工程實例，在引洮供水二期工程隧洞圍巖雜色黃土狀土（plQ31）、新近系砂質泥巖等貧水性地層中，進行弱透水性水文地質試驗，確定其含水量大小及滲透情況。選定典型隧洞圍巖試驗段為第28標段12#隧洞33+682處，試驗孔深32.2 m。

1 試驗孔內地層情概況

鉆孔內地層由第四系覆蓋層和新近系砂質泥巖構成，其描述如下：第①層風積馬蘭黃土,厚約4.0 m，較濕，呈淺黃、黃褐色，質地均勻，結構疏松，具大孔隙，垂直節理發育，表層多見植物根系，偶含蝸牛殼。巖芯呈散體狀；第②層雜色黃土狀土（plQ31），較濕，上部巖性為淺黃色、褐黃色粉質粘土，結構稍密，具濕陷性，下部巖性為青灰、灰綠、褐黃色粘土夾粉質粘土，具明顯的水平層理，土質不均，含有少量鈣質結核，厚25.6 m；第③層新近系砂質泥巖，呈以泥質膠結為主，部分泥鈣質膠結，成巖程度低，巖石單軸天然抗壓強度小，屬軟巖，遇水易軟化崩解。巖體呈中厚層狀結構，層間結合差，裂隙不發育，巖體較完整。巖層產狀平緩，層面為主要結構面，面粗糙不平，層間結合差；巖體中無地下水活動或活動輕微，隧洞圍巖穩定性差。圍巖類別為不穩定的Ⅳ類，自穩時間很短，該類圍巖變形顯著，時間效應明顯。巖體遇水易軟化、崩解，水理性質差，弱透水等特性。在洞身段巖芯較完整，多呈10～30cm的短柱狀巖芯。RDQ值在50%～70%之間。

2 試驗孔內賦水情況分析

在鉆進工程中，②雜色黃土狀土和③新近系砂質泥巖地層中分別發現2層地下水，水位高程分別為2070.5 m和2065.9 m。第一層屬潛水，水量較小，據提水試驗，其水量約15 L/d；第二層屬基巖裂隙水，水量較小，據提水試驗，其水量約30 L/d。

（1）第②層雜色黃土狀土（plQ31）中的潛水。屬黃土丘陵潛水，分布于梁峁地區黃土地層中，其潛水的分布狀況，浸潤曲線的形狀，往往受其基底隔水底板、古地形、巖性及地面坡度控制，沒有固定的潛水面，亦無固定的排泄邊界，局部有上層滯水存在，大部分從黃土與下伏隔水底板接觸面附近溢出。在溝腦、溝坎、坡腳地帶以泉形式向外排泄。黃土丘陵潛水的唯一補給來源為大氣降水，沿著黃土節理、裂隙及盲溝、陷穴等通道下滲補給潛水。因此泉水流量大小，往往與降水量，黃土的分布面積、厚度，地形等有關，一般來說，泉水流量很小，一般小于0.01 L/s，水質較差，礦化度1～3 g/L，多為硫酸鹽型水或氯化物型水。

（2）第③層新近系砂質泥巖強風化層內的基巖裂隙水。中低山區的新近系砂質泥巖中斷裂裂隙不發育，基本為不透水-弱透水巖體，基本無地下水，僅在基巖表面強風化層、個別裂隙密集帶和粗碎屑巖巖體中有微量地下水，水量分布極不均一，因循環速度慢，溶濾的鹽分較多，多為碳酸—硫酸鹽類水，對普通混凝土一般有弱結晶型硫酸鹽腐蝕性?；鶐r裂隙水主要接受大氣降水補給，沿裂隙或斷層帶以泉的形式向溝谷排泄，形成徑流，或向坡麓排泄，以潛流的方式補給黃土區溝谷潛水。

3 試驗孔內含水層滲透系數的試驗、計算分析

3.1 第②層雜色黃土狀土（plQ31）段

本工程雜色黃土狀土屬細粒土，一般情況下滲透系數很小，所以野外滲透性原位試驗選擇常水頭試驗[1]。試驗段選取長度為5 m，注水水頭高度為20 m，為防止孔壁軟化造成塌孔，試驗前下入護壁花管，孔壁和孔底同時進水，采用栓塞隔離。試驗時連續向鉆孔內注水，使孔內水頭保持一定，量測穩定時的注水流量。開始每隔5 min觀測一次流量，5次后每隔20 min觀測一次，試驗持續時間為3小時，準確記錄時間及注入水量。

依據《水文地質手冊》[2]，當 l/r＞4 時，滲透系數：k=0.366Q l·s。式中，l為試驗段花管的長度，m，l=5 m；Q為注水流量，L/min；s為孔內注水水頭高度，s=20 m；鉆孔直徑d=127 mm；鉆孔半徑r=63.5 mm。根據流量及時間按照上式計算各時間點滲透系數K值，并畫出時間與滲透系數曲線圖，見表1、圖1。

表1 注水試驗成果表

圖1 常水頭注水試驗與滲透系數曲線圖（K-t）

根據上圖繪制的K=f（t）曲線，確定近于常數的滲透系數值K=1.75×10-6cm3/s,為該類圍巖的滲透系數。

從上述粘性土常水頭注水試驗求得的滲透系數，可見鉆孔所在的區域內雜色黃土狀土層富水性貧乏，巖體透水性很差。

3.2 第③層新近系砂質泥巖強風化層段

確定在新近系砂質泥巖段進行提水試驗，鉆孔孔徑127 mm，提水前測的初始水位29.5 m，提水前進行了清水洗孔，至孔內返出水沒有明顯雜質后才開始提水實驗。本次以0.018 L/s的提水量進行連續提水，提水時定時觀測和記錄孔內水位降深的變化。孔內水位降深呈直線下降。當提水實驗進行到30 min時，水位降深至32 m，30 min內水位降深2.5 m，此時提水孔已經提不上水，結束本次提水階段，轉入孔內水位恢復觀測。水位觀測180 min時孔內水位已恢復至29.75 m，水位觀測300 min時孔內水位已恢復至29.6 m，水位恢復觀測24 h時孔內水位恢復至29.5 m。

經過全程提水試驗，繪制提水試驗Q-f(t)、S-f(t)曲線圖，見圖2，從圖中可以得出提水量Q、孔內水位降深及恢復S與時間的變化。

圖2 提水試驗Q-f(t)、S-f(t)曲線圖

假設含水層等厚、各向同性和無限延伸的均質體。根據提水試驗孔水文地質條件，采用水位恢復速度計算該孔的滲透參數，《水文地質手冊》中公式：

式中：K為滲透系數，m/d；rω為鉆孔半徑，m；H為自然情況下潛水含水層的厚度，m；S1為提水穩定時的水位降深，m；S2為地下水恢復時間t后水位距離靜止水位的深度，m；t為水位從S1恢復到S2的時間，d；r為為影響半徑，m。

根據試驗數據，H=2.5 m，rw=0.0635 m，r=50 m，S2=ΔS，S1=2.5 m，t=ΔT，求得一系列與鉆孔恢復時間有關的滲透參數K值見表2。

表2 水位恢復時間變化與滲透系數表

根據一系列提水試驗水位恢復階段的滲透系數K值，繪制提水實驗水位恢復時間與滲透系數曲線圖，見圖3。

圖3 提水實驗水位恢復時間與滲透系數曲線圖（K-t）

根據圖3繪制的K=f(t)曲線，根據此曲線，在恢復階段的前30 min內，水位恢復的幅度較大，這階段滲徑較短，水位上升較快，計算的滲透系數差異性較大。在30～150 min內，隨著時間的推移，補給滲徑增長，水位的恢復速度趨近于穩定，滲透系數趨近于常值，直至于水位恢復初始值。因此根據30～150 min內的提水試驗水位恢復時間與滲透系數曲線圖（K-t），確定近于常數的滲透系數值K=1.55×10-5cm/s作為該地層隧洞圍巖的滲透系數。

從上述水文地質提水試驗求得的滲透系數，可見鉆孔所在的區域內基巖裂隙水富水性貧乏，巖體透水性較差。

4 結論

根據鉆孔內主要地層第②層雜色黃土狀土（plQ31）層內的常水頭注水試驗和第③層新近系砂質泥巖強風化層內的提水試驗結果分析，計算出第②層雜色黃土狀土（plQ31）層滲透系數K=1.75×10-6cm/s，第③層新近系砂質泥巖強風化層滲透系數K=1.55×10-5cm/s。根據試驗、計算分析，兩類地層滲透系數很小，富水性貧乏，巖體透水性屬較差和很差級別。

[1]SL345-2007，水利水電工程注水試驗規程[S].

[2]中國地質調查局.水文地質手冊第二版[Z].地質出版社，2012-09.

U452.1

B

1673-9000（2017）05-0104-02

2017-05-11

張克翠（1978－），女，甘肅靖遠人，工程師，主要從事工程監理、工程施工、工程試驗工作。