隧洞弱透水層滲透性試驗及其滲透系數(shù)確定

張克翠

（甘肅省水利水電勘測設(shè)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(shù)確定

張克翠

（甘肅省水利水電勘測設(shè)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(shè)計具有重大影響。通過對引洮供水二期工程地質(zhì)鉆孔地層情況及孔內(nèi)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(zhì)泥巖強風(fēng)化段進行提水試驗，確定其圍巖含水量大小及滲透系數(shù)，經(jīng)過試驗和計算確定：雜色黃土狀土、新近系砂質(zhì)泥巖強風(fēng)化層的滲透系數(shù)在1.0×10-5～1.0×10-6cm/s數(shù)量級，兩類地層滲透系數(shù)很小，富水性貧乏，巖體透水性屬較差和很差級別。可為引洮供水二期地下透水性隧洞圍巖的開挖工藝、降排水及支護設(shè)計提供可靠的水文地質(zhì)資料。

弱透水層；滲透性試驗；滲透系數(shù)

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(nèi)常有少量的地下水呈滴狀或線狀流出，雖然水量小，持續(xù)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(shù)。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(zhì)泥巖等貧水性地層中，進行弱透水性水文地質(zhì)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(biāo)段12#隧洞33+682處，試驗孔深32.2 m。

1 試驗孔內(nèi)地層情概況

鉆孔內(nèi)地層由第四系覆蓋層和新近系砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，其描述如下：第①層風(fēng)積馬蘭黃土,厚約4.0 m，較濕，呈淺黃、黃褐色，質(zhì)地均勻，結(jié)構(gòu)疏松，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)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(zhì)粘土，結(jié)構(gòu)稍密，具濕陷性，下部巖性為青灰、灰綠、褐黃色粘土夾粉質(zhì)粘土，具明顯的水平層理，土質(zhì)不均，含有少量鈣質(zhì)結(jié)核，厚25.6 m；第③層新近系砂質(zhì)泥巖，呈以泥質(zhì)膠結(jié)為主，部分泥鈣質(zhì)膠結(jié)，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(jié)構(gòu)，層間結(jié)合差，裂隙不發(fā)育，巖體較完整。巖層產(chǎn)狀平緩，層面為主要結(jié)構(gòu)面，面粗糙不平，層間結(jié)合差；巖體中無地下水活動或活動輕微，隧洞圍巖穩(wěn)定性差。圍巖類別為不穩(wěn)定的Ⅳ類，自穩(wěn)時間很短，該類圍巖變形顯著，時間效應(yīng)明顯。巖體遇水易軟化、崩解，水理性質(zhì)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(nèi)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(zhì)泥巖地層中分別發(fā)現(xiàn)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(jù)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(jù)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(qū)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(jié)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(guān)，一般來說，泉水流量很小，一般小于0.01 L/s，水質(zhì)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(zhì)泥巖強風(fēng)化層內(nèi)的基巖裂隙水。中低山區(qū)的新近系砂質(zhì)泥巖中斷裂裂隙不發(fā)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(fēng)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(huán)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(jié)晶型硫酸鹽腐蝕性。基巖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(qū)溝谷潛水。

3 試驗孔內(nèi)含水層滲透系數(shù)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(shù)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(xù)向鉆孔內(nèi)注水，使孔內(nèi)水頭保持一定，量測穩(wěn)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(xù)時間為3小時，準(zhǔn)確記錄時間及注入水量。

依據(jù)《水文地質(zhì)手冊》[2]，當(dāng) l/r＞4 時，滲透系數(shù)：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(nèi)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(jù)流量及時間按照上式計算各時間點滲透系數(shù)K值，并畫出時間與滲透系數(shù)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(shù)曲線圖（K-t）

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

從上述粘性土常水頭注水試驗求得的滲透系數(shù)，可見鉆孔所在的區(qū)域內(nèi)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(zhì)泥巖強風(fēng)化層段

確定在新近系砂質(zhì)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(nèi)返出水沒有明顯雜質(zhì)后才開始提水實驗。本次以0.018 L/s的提水量進行連續(xù)提水，提水時定時觀測和記錄孔內(nèi)水位降深的變化。孔內(nèi)水位降深呈直線下降。當(dāng)提水實驗進行到30 min時，水位降深至32 m，30 min內(nèi)水位降深2.5 m，此時提水孔已經(jīng)提不上水，結(jié)束本次提水階段，轉(zhuǎn)入孔內(nèi)水位恢復(fù)觀測。水位觀測180 min時孔內(nèi)水位已恢復(fù)至29.75 m，水位觀測300 min時孔內(nèi)水位已恢復(fù)至29.6 m，水位恢復(fù)觀測24 h時孔內(nèi)水位恢復(fù)至29.5 m。

經(jīng)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(nèi)水位降深及恢復(fù)S與時間的變化。

圖2 提水試驗Q-f(t)、S-f(t)曲線圖

假設(shè)含水層等厚、各向同性和無限延伸的均質(zhì)體。根據(jù)提水試驗孔水文地質(zhì)條件，采用水位恢復(fù)速度計算該孔的滲透參數(shù)，《水文地質(zhì)手冊》中公式：

式中：K為滲透系數(shù)，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(wěn)定時的水位降深，m；S2為地下水恢復(fù)時間t后水位距離靜止水位的深度，m；t為水位從S1恢復(fù)到S2的時間，d；r為為影響半徑，m。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，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(fù)時間有關(guān)的滲透參數(shù)K值見表2。

表2 水位恢復(fù)時間變化與滲透系數(shù)表

根據(jù)一系列提水試驗水位恢復(fù)階段的滲透系數(shù)K值，繪制提水實驗水位恢復(fù)時間與滲透系數(shù)曲線圖，見圖3。

圖3 提水實驗水位恢復(fù)時間與滲透系數(shù)曲線圖（K-t）

根據(jù)圖3繪制的K=f(t)曲線，根據(jù)此曲線，在恢復(fù)階段的前30 min內(nèi)，水位恢復(fù)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(shù)差異性較大。在30～150 min內(nèi)，隨著時間的推移，補給滲徑增長，水位的恢復(fù)速度趨近于穩(wěn)定，滲透系數(shù)趨近于常值，直至于水位恢復(fù)初始值。因此根據(jù)30～150 min內(nèi)的提水試驗水位恢復(fù)時間與滲透系數(shù)曲線圖（K-t），確定近于常數(shù)的滲透系數(shù)值K=1.55×10-5cm/s作為該地層隧洞圍巖的滲透系數(shù)。

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

4 結(jié)論

根據(jù)鉆孔內(nèi)主要地層第②層雜色黃土狀土（plQ31）層內(nèi)的常水頭注水試驗和第③層新近系砂質(zhì)泥巖強風(fēng)化層內(nèi)的提水試驗結(jié)果分析，計算出第②層雜色黃土狀土（plQ31）層滲透系數(shù)K=1.75×10-6cm/s，第③層新近系砂質(zhì)泥巖強風(fēng)化層滲透系數(shù)K=1.55×10-5cm/s。根據(jù)試驗、計算分析，兩類地層滲透系數(shù)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(guī)程[S].

[2]中國地質(zhì)調(diào)查局.水文地質(zhì)手冊第二版[Z].地質(zhì)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(jiān)理、工程施工、工程試驗工作。