福建某地花崗巖滲透性原位測試與評價

■葉 勇

（福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，福州 350002）

地下工程實踐中，對于巖體滲透系數及滲透性的測試，主要依托現場抽水試驗和壓水試驗[1-4]。 這種方法對于普通公路隧道、鐵路隧道等地下工程尚可滿足其要求，但對于特殊的地下水封洞場、地下核廢料處置場、水下隧道等對巖體滲透性要求較高的工程， 常規的水文試驗方法就明顯呈現出不足，主要的問題表現為：（1）巖體相對完整，鉆孔中常常無水，抽水試驗無法進行；（2）普通壓水試驗由于壓力較低無法得到測試結果[5-6]。 因此，類似地下水封洞場、地下核廢料處置場、水下隧道等對巖體滲透性要求較高的地下工程，為了得到其準確的滲透系數和滲透性，在勘察設計階段須引入其他有效的探測方法來實現低滲透性巖體滲透系數的測定[7-8]。

本研究以某地花崗巖滲透性原位試驗為例，結合其詳細的地質調查、物探、鉆探、水文地質試驗，給出低滲透性巖體的脈沖試驗原理、方法及測試結果，其思路和方法可為今后類似地質條件下的滲透性測試及研究提供參考和借鑒。

1 地質條件

場址區在武夷山隆起帶中段北側，位于我國東部幾個重大構造系統的交接地帶， 西部是向南呈“V” 字形突出的武夷地塊， 西北側是左行平移的蒲—漳斷裂帶。 現有的區域地質資料表明，場址區所在區域新構造運動不發育，地震影響較弱。

1.1 工程地質

1.1.1 地層巖性

根據地質年代、成因、巖性及工程性質的不同，場址區內的地層巖性可分為2 大類：（1）第四系沉積物；（2）燕山期早白堊世花崗巖。 各類地層特征及分布情況分述如下：（1）第四系沖洪積層、殘坡積層（Q4al+pl、Q4el+dl）：呈灰褐色，灰黃色，主要成分為砂土、砂質黏土等，厚度約1.0～3.0 m，碎屑物巖性成分為主，但總體上坡頂部位顆粒較粗，從坡上往下逐漸變細，厚度在斜坡較陡處較薄，坡腳地段較厚。由下伏花崗巖風化殘積后，風化碎屑物由雨水沿斜坡搬運堆積形成。 （2）燕山期早白堊世中細粒二長花崗巖（ηγ53）和燕山期早白堊世細粒閃長巖（δ53）：場址區內燕山期早白堊世花崗巖根據粒度大小、成分含量差異可細分為中細粒二長花崗巖和中細粒正長花崗巖，局部可見少量細粒正長花崗巖、細粒花崗閃長巖分布，以中細粒二長花崗巖為主，除此之外，還有因熱液侵入和動力變質作用產生的蝕變現象。

1.1.2 地質構造

場 址 區 范 圍 內 發 育 有4 條 斷 層（F1、F3、F4、F5）、5 條節理密集帶（J1、J2、J3、J4、J5）。 其中F1 斷層、F5 斷層和J2 節理密集帶均貫穿擬建場址區。F1斷層位于場址區中部溝谷位置， 整體走向為SE-NW 向，傾向SW 或NE，傾角近似直立，發育牽引構造。 在場址區南側附近推測被F5 斷層錯斷，受F5 斷 層 影 響， 斷 層 走 向 由 約NW342°～346°轉向NW312°～315°。 斷層發育走向近似正南北向，傾向西，傾角60°～70°。 節理密集帶J3 位于場址區中部偏東，距離場址區東部邊界約600 m。 同時，伴隨斷層發育一系列節理，形成規模相對較大的節理密集帶，沿斷層、節理密集帶等構造蝕變現象發育。 場區構造分布見圖1。

圖1 場區地質構造圖

整個場地內節理走向以北西向為主，北東向次之，與場地內主要斷層、破碎帶走向基本一致，與主洞室軸線方向大角度相交。 本場地主要發育壓剪節理（圖3），主要發育3 組優勢節理：優勢節理（1）：傾向140°～150°，走向50°～60°，傾角60°～70°；優勢節理（2）：傾向240°～250°，走向330°～340°，傾角70°～80°；優勢節理（3）：傾向60°～70°，走向330°～340°，傾角80°～90°。

圖2 節理走向玫瑰花圖及極點等密度圖

1.2 水文地質

場址區內的含水介質主要是燕山期細粒二長花崗巖、中細粒正長花崗巖和第四紀覆蓋層，地下水主要以松散巖類孔隙水、 淺層風化網狀裂隙水、深層脈狀裂隙水等形態存在。

松散巖類孔隙水賦存于第四紀松散覆蓋層中，其厚度1.0～3.0 m，富水性好，地下水水位相對穩定，埋深較淺0～3.0 m，水位隨降雨變化，與河水水位變化相一致。 該部分裂隙水主要受季節性降水補給影響，含水層水量不大，就地補給，就地排泄，枯水期水量變小。 場址區內觀測到多處基巖風化裂隙滲水現象，是由于勘察期間雨水相對豐富，經風化帶內強烈發育的網狀裂隙通道形成散流滲出。 在場區東北部和中間的溝谷中均發育有多處下降泉（圖3）。泉水水量受降雨影響大，勘察期間降雨前后，水流量有明顯差異。

圖3 泉水出露點

深層脈狀裂隙水主要賦存于中風化帶深部及以下的巖體裂隙中，含水層弱富水性，地下水埋藏深度不一，主要受花崗巖深部由于構造應力作用形成的構造裂隙控制， 與地表水的水力聯系相對較小。 深層地下水水位相對穩定，基本不隨季節降水變化。

2 滲透性原位測試與評價

2.1 物探及鉆探

物探方法采用高密度電法探測（圖4），高密度電法極距的設定包括供電電極距AB 和測量電極距MN 的確定。 本次勘察采用溫納測量方式，測量斷面為倒梯形，測量時AM=MN=NB 為一個電極間距，A、B、M、N 逐點同時向右移動，得到第一條剖面線； 接著AM、MN、NB 增大一個電極間距，A、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。 探測結果見圖5。

圖4 高密度電法溫納測量方式示意圖

圖5 高密度電法探測成果圖

2.1.1 成果分析

WT15DF 測線方位角度北偏東70°。 測線長度800 m，有效最大測深130 m，測線沿7 號主洞室軸線布置。 由測試成果可見以場地中央沖溝為界，兩側電性差異明顯，西側整體視電阻率較高，東側視電阻率整體較低。 在沖溝處形成明顯的地質界線。依據整體電性差異判定地層變化情況可見，該剖面沖溝兩側巖性整體較完整，僅在局部地區變化較為劇烈，特別是西側巖性較完整，呈現整體高阻特性，沖溝底部視電阻率呈規律性變化。

2.1.2 成果解釋

場地中央沖溝，視電阻率變化明顯，且形成兩側明顯的地質界線， 初步推測為F1 斷層影響形成的構造裂隙發育帶。 根據電性變化特征并結合地質測繪，推測斷層位于溝底，斷層視傾角大于70°，視傾向整體呈平直狀向西側傾斜。 該斷層及斷層的影響區進入洞場建設范圍。 由引起低電阻因素分析，斷層區形成裂隙發育，沖溝地表地勢較低，在地表形成匯水區通過斷層裂隙帶滲入，形成低阻。 沖溝東側山脊深部視電阻率整體相對較低，依據工程地質測繪， 沖溝東側山脊部發育F5 斷層及節理裂隙密集帶，地表分布范圍較寬，推測東側山體受F5 斷層影響局部巖體裂隙相對較發育，裂隙間形成滲水通道，成為區域相對低阻區；底部電阻率相對較高，較完整。

2.1.3 綜合評價

WT15DF 測線成果整體反應了地層與構造發育情況，推斷的斷層與初步勘察、地質調查整體吻合，本次勘探對斷層區及斷層影響區進行了詳細圈定。 F1 斷層在深部影響變弱，且向西傾斜，影響寬度15～25 m。 建議在沖溝東側山坡部位進行鉆孔驗證， 以揭露山坡下部低阻區地層裂隙發育情況，待鉆探完成后對成果進行驗證修正。

通過東側山坡段鉆孔揭露，0～110 m 深度范圍內巖芯較破碎，部分巖芯照見圖6。

圖6 鉆孔巖芯圖

2.2 滲透性原位試驗分析

2.2.1 試驗方法及流程

根據花崗巖體滲透性研究需要， 結合壓水試驗、脈沖試驗的滲透性適用范圍（表1），參考NB/T 35113-2018《水電工程鉆孔壓水試驗規程》選取試驗段幾個壓力階段的壓力值。 孔內水文試驗以階梯壓水試驗為主，當遇到滲透性偏低的試驗段，第一階段的壓水流量Q1、第二階段的壓水流量Q2 低于0.05 L/min 時，轉入下一階段的壓水試驗；當最大試驗壓力P3 保持在1.5 MPa 且壓水流量Q3 低于0.05 L/min 時 （9 m 長度試驗段對應的透水率q 低于3.54×10-3Lu），則終止壓水試驗，改做更適用于極微透水巖體的脈沖試驗（圖7）。

表1 鉆孔水文地質試驗方法匯總

圖7 孔內水文試驗流程

2.2.2 試驗原理

壓水試驗的原理參見NB/T 35113-2018 《水電工程鉆孔壓水試驗規程》。 在脈沖試驗中，需要獲得施加壓力脈沖后，試驗段水頭隨時間變化與巖層滲透性之間的關系。 為此提出如下3 個假設：（1）水在巖石中滲透滿足達西定律；（2）所加瞬態脈沖壓力對試驗段巖層的微觀結構產生的擾動忽略不計，即瞬態壓力對巖層固有的滲透性不產生影響；（3）在試驗段內，水的滲流為一維徑向流動，且滲透率為各向同性。 在上述假設下，試驗段附近滲流場的連續性方程、初始條件及邊界條件可用以下表達式來描述：

式中：h 為試驗段巖層的水頭；r 為距測井中心的徑向距離；S 為試驗段儲水系數；T 為試驗段導水系數；rs為試驗段測井半徑；Vw為試驗系統中水的體積；Cw為水的壓縮系數；ρw為水的密度；g重力加速度。

對式（1）～（6）進行拉普拉斯變換處理，可得

式中：J0（u），J1（u），Y0（u），Y1（u）分別為第一類和第二類0 階與1 階貝塞爾函數， 對于給定的值α，可求得H/H0～β 的曲線，而對于不同的α 值，則可得到一組H/H0～β 的曲線，稱之為標準曲線，當α 分別等于1、0.8、0.6、0.4、0.2、0.1、0.08、0.04、0.01、0.008、0.004、10-3、10-4、10-5時， 把求解的曲線畫在單對數坐標紙上，作為圖解法求解滲透率的標準曲線。

2.2.3 試驗結果

根據場區場地地形， 開展孔內試驗的35 個試驗鉆孔分為東部的19 個鉆孔（XK26～XK35、XK44、XK45、XK45A、XK46～XK49、XK51、XK54）和西部的16 個 鉆 孔（XK03 ～XK09、XK12 ～XK14、XK17 ～XK19、XK52、XK53、XK55），鉆孔布設示位置如圖8所示：

圖8 鉆孔布設位置及滲透性

本研究給出2 個典型試驗孔的數據，具體如下：

（1）XK14 鉆孔設計試驗段長度為8 m，共完成17 個試驗段，覆蓋孔內30.15～166.15 m 孔段。 匯總XK14 鉆孔壓水及脈沖試驗成果見表2， 該孔段壓水試驗居多，滲透系數相對較高，滲透性系數數量級范圍為10-4～10-2，其中第1 段次（30.15～38.15 m），滲透性系數為2.054×10-2m/d， 根據GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》中巖土體滲透性分級標準，巖體滲透性等級為弱透水性，其余段為微—極微透水性。

表2 XK14 鉆孔的水文試驗成果

（2）XK46 鉆孔累計完成15 個試驗段，覆蓋孔內31.17～166.17 m 孔段，其中有3 個脈沖試驗段，12 組壓水試驗段（表3）。 通過壓水試驗， 查證出XK46 鉆孔主要導水構造集中在121.17～130.17 m，滲透性等級達到了中等透水，76.17～85.17 m 孔段滲 透 性 等 級 為 弱 透 水；139.17 ～157.17、94.17 ～103.17 m 孔段滲透性等級為微透水。 總體上看，XK46 鉆孔滲透性較強， 鉆孔揭露含水構造具有較好的空間展布情況、導水性和地下水賦存條件。

表3 XK46 鉆孔的水文試驗成果

匯總XK03～XK09、XK12～XK14、XK17～XK19、XK26 ～XK35、XK44、XK45、XK45A、XK46 ～XK49、XK51～XK55 等35 個鉆孔的孔內試驗數據，編制了上述鉆孔中試驗段滲透系數的統計分布圖（圖8、圖9），可知在未剔除淺部風化帶且不區分巖體與構造的情況下，仍有超過75%的試驗段滲透性等級可歸為極微透水（k≤8.64×10-4m/d），反映了場區鉆孔揭露的巖體與構造總體上低滲透性特征較為明顯。

圖9 場區35 個鉆孔滲透系數頻數分布圖

3 結論

對于類似花崗巖的滲透性較低巖體，其滲透性的研究需要在結合區域地質構造和詳細的地質調查基礎上開展，并根據物探、鉆探成果針對不同巖體質量段落分別采用壓水試驗或脈沖試驗。 當巖體較破碎時，應采用常規的壓水試驗；當巖體較完整，壓水試驗難以得到有效的滲透系數測試數據，須采用壓力脈沖試驗進行滲透系數測量。

采用壓力脈沖試驗對低滲透性巖體的滲透系數測量，脈沖工藝控制是關鍵，必須依托鉆孔巖芯揭示的巖體質量，采用有效的跨接式封隔器系統將脈沖試驗段與其他鉆孔段落有效分隔；再采用高效的高壓水泵向試驗段快速注水增壓，通過實時記錄壓力隨時間的衰減測定巖體的滲透系數。 該方法對于低滲透性巖體滲透系數的測定不但結果精確，而且操作方便、快捷，尤其適用于低滲透系數巖體的測試。

本研究探測實例表明， 通過壓力脈沖試驗得到的完整花崗巖巖體的原位滲透系數多介于10-7～10-3m/d， 與同類巖體壓水試驗測試資料的統計結果相比，其滲透系數值更加集中并且精度更高。