斷裂破碎帶滲透特性原位測試設備研制及初步應用

張培興，曹聰慧，吳 云

(1.河北經貿大學管理科學與工程學院，河北 石家莊 050061； 2.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210046)

0 引 言

巖體結構面作為高放廢物處置庫區核素遷移至人類生活環境的潛在通道，一直備受相關專家的關注[1-2]。斷裂作為大尺度結構面，其內部破碎帶的滲透特性參數是后續處置庫布局設計優化以及長時間尺度的核素運移模擬等的重要參考依據。因此，其數據信息的獲取分析具有極其重要的研究價值。

目前，在原位水文測試方面，相關科研單位已基于引進的精密雙栓塞野外水文試驗設備，對高放廢物處置庫甘肅北山預選區內深部巖體開展了系列試驗工作，進行了包括微水試驗及定壓力非穩定流壓水試驗等在內的多種測試[3]，積累了一批鉆孔滲透系數試驗數據，其中包括獲取了深部破碎帶等明顯導水段落的原位數據。郭永海等[4]在分析具有巖芯編錄資料的鉆孔水文數據時，曾指出場區巖體的導水性可由構造(如斷裂)主導；李國敏等[5]也指出場址區內部斷裂的滲透系數隨深度變化并不明顯，該區主導巖體滲透性能可能為構造因素。但由于現場有限的鉆孔對處置庫工程布局設計需求來說，所獲的數據仍然十分局限，且試驗過程中一般是以固定間距的封段展開試驗，其數據僅能代表該試驗段的局部滲透結果，有時因為封孔失效而導致結果并不可靠，特別是深部巖體滲透參數的獲取，由于相關精密測試儀器一直以來受到國外技術壟斷，國內相關研究推進只能更多依賴國際機構的有限設備援助實現。近些年，付安學[6]、章楊松[7]、周圣騫[8]、鄭健[9]在初步考慮地表露頭裂隙信息與深部裂隙資料差異性的基礎上，提取了露頭面上的大量裂隙跡線信息，借助地表良好露頭點開展了相關的水文試驗，并針對地形等因素開展了設備研制工作，研制出了相對簡便的鉆孔內栓塞壓水設備，可基于標準壓水試驗實現鉆孔內單條裂隙的滲透參數測定。但由于栓塞的封段仍然設計成固定的形式，在破碎帶試驗過程中無法避免出現封孔失效的情況，造成數據獲取失敗率增加，數值誤差過大，甚至不可用。

本文以引入的便攜型示蹤儀為基礎，以高放廢物預選區斷裂破碎帶滲透特性探究為核心，開展針對性儀器研制測試、結果分析及討論，以期為后續更加精細化的斷裂滲透試驗研究提供技術更多參考。

1 設備研制及基本計算原理

本文借鑒了SKB在TURE系列項目中展開的鉆孔間滲透特性研究及核素遷移試驗開源資料，并以服務即將開挖的處置庫精細化多尺度結構面滲透性研究為目的，開展了可視化的原位滲透示蹤試驗的測試工作，研制了巖體結構面精細定位與滲透試驗段封閉試驗裝置(專利號：ZL201721406799.X)。其在接收端精確定位后，將載有示蹤接收探頭模塊的栓塞放置在固定位置，進行穩定抽水，亦能根據研究需要不配置栓塞僅單獨放置FL-24示蹤探頭，即可實現孔間特定段位結構面的精細化滲透特性測試。當滲透測試段為低滲時，可加裝一種原位鉆孔巖體結構面可視化示蹤試驗裝置(專利號：ZL201721406800.9)配套使用。其長達70 m的測試距離，可以滿足預選區大部分場址邊界斷裂不同區段的測試需求。該裝置最大特點為根據鉆孔內裂隙分布情況，封段測試范圍可實現靈活調節。試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置

根據郭亮[10]現場取樣開展的室內試驗可知，樣品滲流試驗中存在紊流流態。但Louis等經過大量的試驗和計算指出，實際上可不考慮這種紊流狀態仍按層流問題處理，這樣便使得計算顯著簡化而帶來的僅是一個可以忽略的誤差[11]。此外，參照裂隙面滲流模擬過程可知，詳細描述流體從1條裂隙到另1條裂隙內的運動是不切實際的，在運移模擬中也常常采用平均速度流場來描述，因此小尺度內的流場的具體變化則可忽略。基于以上原因，假設研究對象內部的流體均按層流處理，便可采用達西定律求解，可得到從注水試驗段(投放孔)到不同接收孔處主導裂隙的滲透系數[12]，計算公式為

(1)

式中，K為主導裂隙滲透系數；v為示蹤儀監測到的示蹤液實際流速；n為裂隙率，按參考文獻[13]中提出的計算模型估測裂隙數量。

將水力梯度J、鉆孔之間的間距L、注水開始到出水時間t(示蹤儀器監測到的濃度曲線起跳點)、試驗水頭H(本研究中主要采用0.1～0.3 MPa的壓力提供恒定水頭)代入式(1)整理為

(2)

2 斷裂破碎帶滲透特性研究

2.1 精細化示蹤試驗基本過程及數據分析

以預選區內某坑探工程中所穿越的斷裂破碎帶為研究對象，開展了可視化的原位滲透示蹤試驗的測試工作。試驗巷道及試驗點相對位置見圖2[14]。該巷道內已先于本試驗開展了相關的斷裂破碎帶現場注漿加固、防滲性等測試性工作。

圖2 地下試驗巷道及試驗點相對位置(單位：m)

破碎帶鉆孔內現場實際示蹤過程見圖3。首先，將利用示蹤裝置鉆孔電視定位前端放入待測鉆孔內，緩慢向鉆孔內部移動，識別并標記測段(見圖3a)；隨后將連接好示蹤液的栓塞放入指定位置(見圖3b)；微調栓塞間距離，控制測段范圍，調整完畢后加入壓力使栓塞膨脹緊貼鉆孔壁面，隨后加入檢測示蹤液(見圖3c)。通過鉆孔外端肉眼觀察及前端鉆孔電視，監測鉆孔內測段外有無滲漏情況，如有滲漏，則繼續調整測段距離或根據要求加入封堵劑；如無滲漏，壓入端便布置妥當。

圖3 破碎帶鉆孔內實際示蹤過程

通過前端可視定位裝置，將接收探頭布置于指定的位置處后，連接好儀器后，檢測儀器能否正常接收信號，并記錄本底值數值；隨后在注入端壓入示蹤液，并做好觀察記錄。被識別出的破碎段及對應的示蹤探頭信號見圖4，該測段有暢通的裂隙通道存在，沿斷裂走向滲透性較強。

圖4 被識別出的破碎段及對應的示蹤探頭信號

通過該設備，依次開展了自鉆孔內部至鉆孔外部多處典型段落的示蹤測試。其中，多處注漿良好段落未檢測到示蹤信號；2處大裂隙示蹤信號明顯，根據式(2)，將已知參數代入，初步獲得滲透系數為1.2×10-5～1.6×10-5m/s；1處破碎滲透表現良好，但接收孔內示蹤探頭并未檢測出信號，結合前人采集的局部大樣品室內滲流試驗可知[10]，非平行斷裂走向的其他方向可能存在優勢滲流路徑，巷道洞壁斷裂帶示蹤試驗初步研究結果顯示，部分斷裂破碎帶內部各單元在注漿防滲作用下整體滲透性較低，甚至形成阻水區，但局部孔隙較大區域滲透性較高。針對局部縫隙較大的破碎段，可后續考慮多次注入漿液等方式對巖體進行加強處理。

2.2 斷裂核部跨孔宏觀優勢滲流方向

為能探查原位斷裂宏觀方向上液體流動情況，選取了高放廢物某預選區塊內東南邊界斷裂核部～下盤破碎帶為研究對象，示蹤試驗及分析見圖5。本次試驗采用恒定水頭(0.1～0.3 MPa)的供水方式在Sk03孔內持續注水，當流量穩定后加入示蹤劑。

圖5 預選區內某斷裂示蹤試驗及分析

首先于Sk02孔中放入示蹤探頭，經過數小時后，鉆孔中并未接收到信號(見圖5a)；隨后將示蹤探頭放入Sk01孔，重復上述步驟，同樣條件下，在很短的時間內Sk01孔內示蹤探頭就接收到了明顯示蹤信號(見圖5b)，推測該斷裂的走向方向上存在優勢路徑；配合前端旋轉的可視化模塊，對鉆孔內示蹤液進行觀測檢查(見圖5c、d)，這為斷裂走向為優勢流徑方向提供了可視化證據。進一步結合現有資料[13,15]綜合推測，宏觀上沿斷裂走向為其優勢滲流方向，斷裂破碎區內走向方向上滲透系數一般是垂直于斷裂方向上的幾倍甚至數十倍不等；而垂向能夠連通則與斷層泥的發育程度有關，斷層泥厚度極大時，斷裂的橫向將有可能形成連續阻水帶，而斷層泥發育不完全區域能否形成導水通道，其導水性能如何，有待設計更加嚴密的試驗加以細化區分[16](見圖5e)。

3 討 論

從國內外專家針對斷裂開展的大量原位試驗發現，由于巖體內部情況復雜，想要較為準確地獲取斷裂的滲透特性參數十分困難。Hjerne等[17]特別強調了水文試驗前巖體結構識別的重要性；Lu等[18]指出看不見的多尺度裂隙巖體的復雜性增加了流體運移判識的難度；蘇銳等[19]指出任何單一的鉆孔測量技術都不能準確、完整地表述導水構造的特征，尤其是對空間變異性較強的斷裂而言，更加難以詳盡捕捉其導水構造特征；張培興等[20]通過現場試驗指出，相關的測試技術有必要進行多種方法的聯合搭配，特別是在被測體內在結構特征能夠被識別的前提下，才能較為準確地獲得結構體的滲透參數，也才有可能較好地解決一些重大場址區參數的測定問題，單獨的某一種滲透特性試驗很難準確獲得斷裂的滲透參數，也無法滿足未來場址更高精度的試驗需要。因此，多種方法(壓水試驗、抽水試驗、三維聲吶法及微水振蕩法等)的綜合測試是今后精細化測試發展的主要方向，并且這種方向是建立在逐漸完善的理論基礎與更多創新性試驗實踐相結合的基礎之上的。

值得注意的是，本文關于斷裂破碎帶滲透參數計算過程所依據達西定律中的裂隙率n取值具有很大的不確定性，如有些裂隙表面看似張開，實則內部填充完好，而有些裂隙表面看似充填，實則內部張開，均會對滲透系數的確定存在一定影響。筆者認為，如能借助管理學思維，在大量數據資料基礎上分門別類，系統統計各類樣本的差異性與規律性，構建經驗判別式，可能會為類似問題解答帶來一定啟發。因此，如何將裂隙率折算到更為合理的范圍從而得到有效裂隙率，仍有很多工作要做。

最后需要說明的是，斷裂各單元滲透特性研究中，關于斷裂導阻性能的量化研究一直較為薄弱，值得引起注意。張培興[21]整理了相關的壓水試驗數據及部分示蹤數據，通過宏觀地質跡象勘測及部分數據的初步匯總整合發現，斷裂的滲透性的優勢滲流方向為斷裂走向，且滲透特性與斷裂斷距規模具有一定相關性，嘗試參照國外經驗將所研究的幾條斷裂歸納到了關系趨勢線中，但這種相關性是否可靠，則還要依賴于更為有效的試驗手段來檢驗。很明顯，如果能夠巧妙利用具有代表性的有限鉆孔，開展不同尺度結構面的導水性能及其優勢路徑的精細化判識，能為場址斷裂導水特性及后續更為準確的模擬研究提供更加豐富的數據源，則有望能將場址區斷裂控水特征模式表述得更加清晰。

4 結 語

本文通過引進的巖溶區高精度儀器，并針對高放廢物處置工程這類特殊工程場景進行了必要的改進。相比傳統的壓水試驗，能一定程度上避免單獨的試驗所產生的封孔失效等不足，實現了多樣滲透參數的獲取，即除滲透系數外，還能進一步判識斷裂的優勢滲透方向，為更加豐富的數據獲取與分析提供了更多可能性。

斷裂破碎帶示蹤試驗綜合研究結果初步顯示，斷裂內部各單元在注漿加固作用下整體防滲效果良好，局部大裂隙封堵失效，仍存在明顯滲流，其滲透系數為1.2×10-5～1.6×10-5m/s；斷裂核部附近破碎帶區段沿斷裂走向方向為其優勢滲流方向。

總體而言，斷裂破碎帶滲透特性測試裝備仍然匱乏，鮮見針對性、便攜性的成套設備，高度自主設備的研發、更新換代相對緩慢，尤其面對即將開挖的處置庫仍有很多工作要做。這需要研究人員積極思考，進一步借鑒國內外先進思路，積極在相關儀器開發與測試方面積累經驗。