東津水庫壩肩巖體壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)分析

胡代釗

（江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，南昌 330095）

0 引 言

滲透系數(shù)的確定是滲流分析及控制的基礎(chǔ)，對(duì)于水利水電工程而言，滲透系數(shù)的取值直接影響滲流計(jì)算精度，如果取值不當(dāng)，必將影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和滲流控制方案的可靠性?！稁r土工程勘察規(guī)范GB50021-2009》及《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-2019》中均明確了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在巖土體滲透系數(shù)確定中的重要地位，并給出室內(nèi)滲透試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)等可行的試驗(yàn)方法。其中，鉆孔壓水試驗(yàn)在水利水電工程大壩巖體透水性測(cè)定、巖體滲透性能評(píng)價(jià)、工程防滲控制措施制定等方面應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，鉆孔壓水試驗(yàn)過程應(yīng)根據(jù)鉆孔深度由上至下借助單栓塞方式隔離并分段進(jìn)行，而對(duì)于孔壁穩(wěn)定性及巖石完整性良好的孔段，可通過雙栓塞分段后進(jìn)行；試驗(yàn)段長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況確定。鉆孔壓水試驗(yàn)是確定巖體滲透系數(shù)的重要方式，但當(dāng)前壓水試驗(yàn)相關(guān)的分析方法并不完善；且對(duì)于巖溶洞穴、裂隙密集、斷層破碎等特殊地段，因巖體滲透性較大，所需注水量也較多，按照現(xiàn)行規(guī)范所要求的不變的沖水壓力展開試驗(yàn)，也無法取得較好的試驗(yàn)效果。為此，文章依托地質(zhì)條件復(fù)雜的東津水庫工程，針對(duì)鉆孔壓水試驗(yàn)過程及壩肩巖體滲透系數(shù)取值展開非穩(wěn)定滲流擬合分析。

1 工程概況

東津水庫為大型水庫，位于修水縣馬坳鎮(zhèn)境內(nèi)，所在水系屬修河干流東津水，水庫壩址座落在東津水上游河段上的馬坳鎮(zhèn)的黃溪村，距修水縣城36km。東津水庫壩址以上控制流域面積1084km2，年平均徑流量9.52×108m3，年平均流量30.2m3/s，水庫總庫容79500×104m3，水庫調(diào)節(jié)庫容38600×104m3，庫容系數(shù)40.5%，屬多年調(diào)節(jié)水庫。壩址處多年平均流量為30.8m3/s，多年平均徑流深898.7mm。

水庫庫區(qū)地層按照沉積韻律可劃分成7 層，其中第4~6 層出露，以中厚砂巖、石英砂巖互層為主，且表面風(fēng)化破碎嚴(yán)重。水庫大壩為明顯的西北向構(gòu)造，在后期旋卷構(gòu)造的作用下單斜構(gòu)造特征明顯，左右岸分別為反向坡和順向坡，傾角平緩，并在走向及傾向上均表現(xiàn)出緩和的起伏，褶皺、斷裂及裂隙均發(fā)育，且斷裂構(gòu)造主要呈壓性。壩址區(qū)河谷呈U 形，且以河漫灘為主，兩岸岸坡陡峭，河谷分布厚度較大、透水性強(qiáng)的中密~密實(shí)性砂礫卵石層，巖體裂隙較為發(fā)育且互層之間頻繁錯(cuò)動(dòng)。根據(jù)壩基開挖結(jié)果，巖體中存在一處60m 寬的陡峭傾角破碎巖帶，其間巖體因擠壓而破碎，斷層及褶皺發(fā)育，具有極強(qiáng)的透水性。這一斷裂帶同時(shí)也成為東津水庫壩體壩基中最嚴(yán)重的滲漏通道，也是造成帷幕灌漿加固體失效的主要原因。

水庫左壩肩山體以灰白色含礫石英砂和紫紅色粉砂巖互層為主，基巖裸露，且坡面散落0.5~2.8m厚的強(qiáng)風(fēng)化坡積碎石，邊坡巖體破碎，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的卸荷傾向。壩肩和下游表層巖體以結(jié)構(gòu)松散、局部架空的傾倒體為主，左壩肩透水帶厚度至少在30m 以上。在自然狀態(tài)下，基巖裂隙水位與竹坪河持平，且徑流暢通，繞滲問題較為突出。右壩肩巖性基本與左壩肩一致，為水平層狀邊坡結(jié)構(gòu)，在壩軸線以下250m 處存在深切且與坡面交角29°的河溝，造成右壩肩山體削弱單薄，在正常蓄水位下滲徑最小僅為165m；此外，右壩肩巖體同樣表現(xiàn)出強(qiáng)烈的風(fēng)化卸荷，因岸頂存在大厚度強(qiáng)風(fēng)化卸荷帶，故基巖裂隙水位基本與所在流域水位持平。此外，水庫右壩肩因梁體單薄，巖體破碎，故繞滲嚴(yán)重。

東津水庫庫區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季低溫少雨，年降水量均值為1108mm，地表水系以修河及竹坪河為主，河流流量在0.2~0.4m3/s 之間，暴雨后流量激增至10~20m3/s。水系分布情況主要受構(gòu)造控制，且地表水和地下水之間存在密切聯(lián)系。上游河段河槽基巖裸露，兩岸基巖裂隙水補(bǔ)給河水；夏季隨著氣溫的持續(xù)上升，地表徑流減少，河流表現(xiàn)出間斷分布態(tài)勢(shì)，下游河段河流則持續(xù)向地下潛流轉(zhuǎn)化，地表徑流進(jìn)一步減少。遭遇降雨后，基本干涸的斷流便會(huì)得到充足的補(bǔ)給。

流域地下水包括河谷第四系空隙潛水和基巖裂隙水兩種，前者賦存于河谷沖積沙礫卵石內(nèi)，并以兩岸基巖裂隙水和河谷水為主要補(bǔ)給來源；后者則賦存于河床基巖裂隙及河谷兩岸，以大氣降水為補(bǔ)給來源。因巖體裂隙發(fā)育，徑流通暢，透水良好，水力坡度平緩，所以壩址區(qū)兩岸基巖裂隙水位基本與河流水位持平。

2 壓水試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合東津水庫地質(zhì)條件，左右壩肩地質(zhì)構(gòu)造及巖性基本一致，為得到壩肩巖體滲透系數(shù)取值，必須進(jìn)行壓水試驗(yàn)。考慮到右岸溢洪道邊坡存在潛在的滑坡風(fēng)險(xiǎn)，故在左壩肩展開壓水試驗(yàn)，具體而言，采用XY-1 型油壓鉆機(jī)和金剛石鉆具在水庫左岸壩軸線處打設(shè)孔徑91mm 的壓水試驗(yàn)孔，采用氣壓式止水栓塞以及出水均勻、壓力穩(wěn)定的水泵，將容積至少為5L 的空氣室安裝在水泵出口，從而在1.0MPa的設(shè)計(jì)壓力下將流量控制在100L/min 左右。此外，還應(yīng)配備反應(yīng)靈敏的壓力表、壓力傳感器及流量計(jì)，壓力傳感器壓力范圍應(yīng)高出試驗(yàn)壓力，流量計(jì)應(yīng)能在1.5MPa 壓力及與水泵出力相匹配的范圍內(nèi)正常工作。

2.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

由于巖體較為破碎，故鉆孔后出現(xiàn)卡鉆和掉鉆，調(diào)整和變更鉆孔孔位后成功鉆孔16m 深并取芯樣。鉆孔結(jié)束后通過壓水法沖孔，將鉆具下放至孔底，并將水泵出水量調(diào)節(jié)至最大，在沖孔過程中觀察孔口回水，直到回水清澈且無巖粉流出為止。

沖孔及清孔完成后展開分段壓水試驗(yàn)。結(jié)合芯樣觀察結(jié)果，分別在孔深8m、12m 和16m 處進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試前隔離試驗(yàn)段，并在壓水試驗(yàn)設(shè)備中安裝栓塞，檢查工作管；此后開啟調(diào)節(jié)閥，向試驗(yàn)段送水，待達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后按要求持壓，持壓期間按照1~2min 的時(shí)間間隔進(jìn)行水流量觀測(cè)，當(dāng)流量無明顯增大且5 次讀數(shù)中最大最小壓力值之差比最終值的10%小，則由壓力傳感器自動(dòng)記錄該時(shí)刻流量和試驗(yàn)段壓力值，并自動(dòng)計(jì)算對(duì)應(yīng)的巖體透水率[1]。

因該水庫左岸壩肩巖體較為破碎，滲透系數(shù)大，且試驗(yàn)結(jié)果缺乏穩(wěn)定性，即使將試驗(yàn)段長(zhǎng)度縮短至1.5m，或使水泵達(dá)到100L/min 的最大供水能力，均無法維持試驗(yàn)段穩(wěn)定，故壓水試驗(yàn)孔中壓力值始終取零，實(shí)際巖體透水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出試驗(yàn)設(shè)備可檢測(cè)范圍。鉆孔深度分別為8m、12m、16m時(shí)孔內(nèi)水位變化情況詳見圖1。由圖中試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)鉆孔深度為8m 時(shí)，時(shí)間從0s 增大至16s，水位從1833.15m 降至1832.2m；當(dāng)鉆孔深度為12m時(shí)，時(shí)間從0s 增大至90s，水位從1838.0m 降至1831.0m；當(dāng)鉆孔深度為16m 時(shí)，時(shí)間從0s 增大至19s，水位從1824.02m 降至1823.84m。

圖1 試驗(yàn)孔內(nèi)水位變化趨勢(shì)

3 滲透系數(shù)的計(jì)算及分析

在單孔壓水試驗(yàn)中，通過栓塞將鉆孔隔離為一定長(zhǎng)度的孔段，向孔段內(nèi)壓水后根據(jù)流量-壓力關(guān)系確定孔段巖體滲透特性，并通過下式計(jì)算滲透系數(shù)[2]：

式中：K為滲透系數(shù)，m/s；Q為壓水流量，m3/s；H為試驗(yàn)水頭，m；L為壓水段實(shí)際長(zhǎng)度，m；r為壓水試驗(yàn)鉆孔半徑，m。

應(yīng)用式（1）計(jì)算出各試驗(yàn)段滲透系數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)下式進(jìn)行鉆孔周圍巖體等效滲透系數(shù)的確定：

式中：Kw為鉆孔周圍巖體等效滲透系數(shù)，m/s；Ki為各試驗(yàn)段滲透系數(shù)，i=1,2,…,n。

在東津水庫壩肩巖體壓水試驗(yàn)中只得出試驗(yàn)孔內(nèi)水位隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，并未得出符合試驗(yàn)規(guī)程的試驗(yàn)壓力與流量曲線，故無法采用上述常規(guī)方法準(zhǔn)確測(cè)算試壓壓力-流量曲線類型及透水率[3]。為此，必須通過反演擬合分析，進(jìn)行巖體滲透系數(shù)值的確定。

3.1 模型構(gòu)建

模型范圍及邊界根據(jù)一般滲流分析原則確定，考慮到東津水庫壩肩巖體壓水試驗(yàn)計(jì)算域?yàn)檩S對(duì)稱，故針對(duì)8m、12m、16m 等孔深，均選擇總結(jié)構(gòu)的1/4 構(gòu)建有限元模型，模型長(zhǎng)10m，寬10m，高依次取20m、24m、28m。在模型一角設(shè)置孔徑91mm 的圓孔，并按照有限元法剖分后構(gòu)建起三維網(wǎng)絡(luò)。其中，孔深8m 的壩肩壓水試驗(yàn)有限元網(wǎng)格單元和結(jié)點(diǎn)分別為6544 個(gè)和7845 個(gè)。

非穩(wěn)定滲流邊界類型包括不透水邊界、出滲邊界和已知水頭邊界等。其中，不透水邊界主要指x、y均取零的截取邊界和模型底面；出滲邊界則指上下游水位線以上的模型表面；已知水頭邊界則指地下水位及鉆孔孔壁截取邊界。考慮到此次壓水試驗(yàn)主要針對(duì)非穩(wěn)定滲流情況，鉆孔水位隨時(shí)間推移而呈變化趨勢(shì)[4]。

3.2 擬合結(jié)果

采用可變?nèi)莶罘▽⒃撍畮靿渭鐜r體滲透系數(shù)初始范圍擬定為1.0×10-7~1.0×10-3m/s，在擬合分析的過程中，必須將各時(shí)段鉆孔孔壁四周巖體滲透流量反演值和實(shí)測(cè)值之間的誤差控制在10%以內(nèi)[5]。根據(jù)非穩(wěn)定滲流三維有限元分析結(jié)果，不同鉆孔深度下壩肩巖體滲透系數(shù)擬合結(jié)果見表1。根據(jù)表中結(jié)果，東津水庫壩址區(qū)左岸山體壩軸線內(nèi)側(cè)地面以下0~8m、8~12m 和12~16m 段巖體實(shí)際滲透系數(shù)取值較為接近，這也與地勘資料所揭露的左壩肩山體破碎，巖體透水性強(qiáng)的結(jié)論基本一致。

在分析12m 鉆孔深度下壩肩巖體滲透系數(shù)時(shí)，0~8m段巖體滲透系數(shù)按照已得到的滲透系數(shù)取值，故僅進(jìn)行8~12m 鉆孔深度下巖體滲透系數(shù)擬合，此后采用類似的處理，最終得到的不同鉆孔深度下滲流流量擬合值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比見圖2。

圖2 滲流流量擬合值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比

由圖中分析結(jié)果可以看出，不同鉆孔深度下流量變化擬合結(jié)果和實(shí)測(cè)值吻合度較高，說明非穩(wěn)定滲流場(chǎng)擬合結(jié)果能較好體現(xiàn)壓水試驗(yàn)滲流場(chǎng)變化，所得出的滲透系數(shù)值也能較好反應(yīng)東津水庫壩肩巖體實(shí)際透水程度。

4 結(jié) 論

綜上所述，東津水庫壩址區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，巖體裂隙發(fā)育，且透水性較強(qiáng)，無法通過常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)確定壩肩巖體滲透系數(shù)，也無法采用規(guī)范所給出的常規(guī)方法準(zhǔn)確測(cè)算試壓壓力-流量曲線類型及透水率。文章所采取的巖體滲透系數(shù)值的反演擬合分析有效解決了以上難題，構(gòu)建起不同孔深下鉆孔壓水試驗(yàn)有限元模型，對(duì)不同鉆孔深度非穩(wěn)定滲流場(chǎng)展開反演分析，所得出的不同孔段巖體滲透系數(shù)以及滲流量隨時(shí)間變動(dòng)的過程趨勢(shì)完全符合工程實(shí)際。文章所采取的研究方法和分析過程對(duì)于水文地質(zhì)條件復(fù)雜、巖體滲透性強(qiáng)，鉆孔壓水試驗(yàn)過程中孔內(nèi)壓力無法穩(wěn)定維持的水利工程壩體壩肩巖體滲透系數(shù)反演分析較為適用。