岩体渗透性（共4篇）
岩体渗透性 篇1
近年来,对于核废料储存是否安全、垃圾填埋场渗滤液是否下渗、水电站库区是否渗漏的研究越来越受到人们的关注,裂隙岩体地下水渗流研究已经成为热点[1]。在裂隙岩体中,完整岩体的渗透性极为微弱,渗透系数约为10-10~10-9 m/s,但具有裂隙的岩体渗透系数相对较大,相差约104~107倍[2]。渗透水流主要在岩体裂隙中运动,而裂隙在岩体中的分布具有显著的非均质性和方向性。
1 确定裂隙岩体渗透系数的主要方法
关于岩体渗透系数张量的确定方法,国内外许多学者做了大量的工作,现归纳起来可分为四类[3]:①实验室法;②数值反演法;③裂隙采样测量法(Snow[4],1969);④现场测试法(Hsieh[5],1985)。
对于实验室法,由于模拟裂隙与实际裂隙的规模、延伸的差别,使得室内试验往往很难满足工程应用的要求。在数值反演法中,关键是动态数据的可靠性、模型选取的合理性及反问题解的唯一性。渗透张量参数初值及一些优化系数的选定在很大程度上依赖于经验,选择不当不仅影响计算速度,甚至会影响结果的收敛性[6]。
目前工程实际广泛应用的是现场测试法和裂隙采样测量法。由裂隙水力参数确定的渗透张量反映了岩体渗透性能各向异性的特征,然而由于裂隙测量,特别是裂隙隙宽测量误差,以及渗透张量计算中忽略了裂隙的粗糙度,连通性和交叉点效应,以及裂隙隙宽深部预测过程中对复杂因素的简化处理,其计算结果往往有一定的偏差,需要通过其他方法加以校正。现场测试法就是根据野外压水试验及少量抽水试验来确定岩体的渗透系数,其中应用最广泛的是单孔压水试验。由于单孔压水试验结果得到的K值只是一个综合的渗透指标,是一个标量,不能反映岩体中渗流的方向性而且试验费用较高而难以在实际工程中大量使用。但试验是在原位地质条件下、地下深处的相应的工程部位进行的,可以获得裂隙岩体在相应的地应力环境下的渗透性。
因此有效地将上述两种方法结合起来,可得到较准确地反映地应力环境条件和裂隙岩体渗透性能方向性的渗透张量值,使裂隙岩体的渗透性能得到真实的量化。本文采用此思路来确定黄河某水电站坝区的低渗透岩体渗透张量,并进一步讨论其各向异性特征。
2 确定修正渗透张量Kτ的步骤
目前普遍采用修正方法是:以大量的裂隙测量为基础,经统计分析,算出渗透张量初值,然后在裂隙测量点附近或地质条件类似的地方选取已有的压水试验资料,求出校正系数,最后得到量化后的各向异性渗透张量[7]。
2.1 裂隙采样测量法原理
岩体裂隙的渗透性取决于裂隙的性质和分布。因而,可通过裂隙在空间展布状况(走向、倾向、倾角、隙宽和平均线密度)的测量,运用统计学分析方法初步确定岩体的渗透张量,即可得到岩体裂隙系统的渗透主值(KX,KY,KZ)及渗透主方向[2]。
2.2 单孔压水试验法原理[8]
当q<10 Lu时,可根据巴布什金公式近似计算岩体的渗透系数K值。该方法得出的渗透系数值具有尺寸效应,只能代表一定体积的岩体透水性。萨姆索诺夫等(1972)研究表明,几何平均值与实际值较为接近,故取几何平均值作为岩体工程地质单元的平均渗透系数:
式中:
2.3 渗透张量的修正方法
利用裂隙测量得到的岩体渗透张量值,取三个渗透主轴的几何平均值为渗透系数K0,再由此获得各个风化带的渗透系数的几何平均值
从而得到反映原位地质环境裂隙岩体的修正渗透张量的
3 实际工程运用
黄河某水电站坝址位于黄河上游军功盆地上游峡谷出口处,河流自NW322°转为SW262°方向的河段为坝址所在,河段长度约720 m。两岸均为平台,顶部高程3 330~3 345 m。河水位3 086.4~3 082.0 m,水面狭窄,斜坡前缘基岩面出露高程3 310 m左右,基岩裸露良好,基岩坡高约225 m。坝址区基岩主要为三叠系中~上统(T2-3-Ss)变质砂岩,中生代侵入岩(πγ5)斑状二长岩。地表、孔内和平硐可见两种岩性的侵入接触带结合良好,分布上基本沿右岸坝址下游~左岸坝址上游斜向分布(NW~SE向)。强风化主要分布于两岸坝肩表层,厚2~10 m;弱风化带岩层厚25~45 m;深部为微新岩体。地下水主要为基岩裂隙水,主要受大气降水及远山补给,排泄于黄河。据地下水长观资料,两岸地下水埋深明显不同:右岸地下水埋深大,坡降小;左岸地下水埋深浅,坡降大。
坝址区所处区域裂隙密集,采用测线法对两岸平硐进行测量统计;同时统计了两岸边坡出露的长大优势裂隙;野外实测得到1 110多条裂隙。通过对裂隙参数进行统计分析:该区裂隙发育情况差异性较小,并且在不同岩性中裂隙的发育特征相似,所以在计算渗透张量时,可以忽略岩性差异造成的影响。坝区岩体主要发育如下3组节理(见图1)。
由于强风化厚度较薄,仅在坝肩表层分布,故本文不予考虑;而对渗透性影响较大、对岩体渗透性分区及防渗帷幕起主要作用的则是弱风化和微新风化带岩体,所以本文主要研究弱风化岩体和微新岩体的渗透性变化。
通过图1并结合现场裂隙统计数据可获得工程区测网优势裂隙的统计(见表1)。
通过表1裂隙参数数据,结合裂隙岩体渗透张量的算法,获得主渗透张量和综合渗透系数,结果见表2。
通过钻孔压水试验获得坝址区钻孔水文地质参数(表3)。
通过上述计算结果可见,反映岩体综合渗透能力的综合渗透系数与压水试验所得渗透系数几何平均值基本处于同一个数量级,具有较好的可比性。再由式(2)、(3)即可求得坝址区岩体的渗透张量修正值(见表4)。
4 结 论
(1)本文以现场裂隙采样测量法为基础,并综合考虑压水试验成果,修正了渗透系数变化量关系公式中的参数,取得较好的能体现裂隙岩体各向异性的渗透特征的计算成果。实际工程应用表明,该方法能较好刻画裂隙岩体渗透系数特性的各向异性;获得不同位置空间各主渗透方向的渗透系数,构成一个三维渗透系数张量场;能更好地消除了裂隙宽度和充填物的影响以及使得压水试验结果引起的尺寸效应,可为岩体渗透性分区及防渗帷幕的优化提供科学的参考依据。
(2)计算结果与现场试验结果是比较吻合的。在近地表的弱风化带中,裂隙较为发育,充填物较少,但裂隙连通性较好,所以渗透性较好;深部微新岩体,一般裂隙宽度小于弱风化带中的风化构造裂隙宽度,因而岩体渗透性减弱。
(3)修正后坝址区岩体渗透张量计算结果显示:三个主值中,最大(KZ)及中间(KY)渗透张量值在量级上相差不大,而最小渗透张量KX则比KZ、KY小得多,故岩体渗流的主轴方向是NEE和NWW两个方向,基本与裂隙发育方向一致。
摘要：针对低渗透性裂隙岩体介质的各向异性特征,考虑并简要分析了实验室法、现场测试法、裂隙采样测量法和反演法确定裂隙岩体渗透张量的优缺点,提出了用现场测试修正裂隙采样测量裂隙岩体渗透张量的方法。获得了既能较好反映裂隙岩体渗透特性的各向异性又能消除压水试验尺寸效应影响的修正渗透张量,从而使裂隙岩体的渗透性能得到真实的量化。将这种确定渗透张量的方法应用于黄河上游某水电站坝址区岩体渗透性计算中,应用结果表明,该方法能较好地反映坝址区的裂隙岩体的低渗透性及其各向异性特征,可为岩体渗透性分区及防渗帷幕的优化提供科学的参考依据。
关键词：岩体渗透性,裂隙岩体,渗透系数张量,压水试验
参考文献
[1]宋晓晨,徐卫亚.裂隙岩体渗流概念模型研究[J].岩土力学,2004,25(2):226-232.
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[3]孙蓉琳,梁杏,靳孟贵.裂隙岩体渗透系数确定方法综述[J].水文地质工程地质,2006,(6):120-123.
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[5]Hsieh P A,Neuman S P.Field determination of the three-dimen-sional hydraulic conductivity tensor anisotropic media[J].WaterResources Res,1985,21(11):1 655-1 665.
[6]周志芳.裂隙介质水动力学原理[M].北京:高等教育出版社,2007.
[7]田开铭,万力.各向异性裂隙介质渗透性的研究与评价[M].北京:学苑出版社,1989.
[8]李平,卢文喜.水库裂隙岩体渗透张量的确定[J].水利学报,2007,38(11):1 393-1 396.
裂隙岩体渗透系数的确定方法 篇2
裂隙岩体渗流是当今岩体力学和地下水动力学研究的重要内容之一,相关研究成果已经广泛的应用到土木、水利工程所涉及的岩基、岩坡及地下洞室工程方面,同时也促进了地下核废料处理、石油开采领域理论研究的发展。
渗透系数是渗流力学研究中的特征参数。裂隙岩体渗透系数选择的正确与否直接关系到裂隙岩体渗流分析结果的可靠性。因此,应当加强对渗透系数计算方法及公式的研究,为裂隙岩体渗透状况的判断提供理论依据[1]。
近年来裂隙岩体渗透系数的确定方法,主要有现场水力试验法、室内试验法、裂隙采样测量法、反演分析法和离散裂隙网络渗流数值试验法。
1 现场水力试验法
1.1 单孔压水试验法单孔压水试验是用栓塞将钻孔隔离出一定长度孔段,并向该孔段压水,根据压力和流量的关系确定岩体渗透特性的一种原位渗透试验[2]。渗透系数可表示为:
式中:h为压水段水头(m);Q为流量(m3/s);L为压水段长度(m);r为压水孔半径(m)。
该试验尺度一般为5m,将介质视为各向同性,结果比较粗糙;但试验简单,直观,在水利水电工程中应用最为广泛。在实际应用中,对于中缓倾角裂隙较发育的岩体,可采用垂直钻井;对于陡倾角裂隙发育的岩体,钻进方向应倾斜,尽量垂直于裂隙发育的方向,以免揭露裂隙太少[3]。
该试验所得渗透系数仅代表岩体的平均渗透系数,且只在压水孔邻近很有限的范围内有效,难以反映岩体的非均质各向异性特性。
1.2 三段压水试验法
该试验基于渗透系数张量的三个正交主方向钻三个孔,在每一孔单独进行压水试验测量主渗透性,然后根据每组裂隙的产状把渗透系数迭加得到岩体的渗透系数张量[1]。
该方法需要制造专门的三段压水试验器,其中主压水试验段的长度一般为5m,钻孔布置严格考虑裂隙的展布。三段压水试验可以获取各向异性的渗透张量,但对于存在三组以上或者不互相正交的裂隙,受到限制[3]。
该试验步骤复杂,需预先确定岩体渗透系数张量的主方向,费用昂贵,精度较差,因此在工程中并不常用。
1.3 三孔交叉压水试验法
试验时钻三个孔,在一个孔的被止水塞隔开的段内注水,在相邻的两个孔内的隔开段中测量水头变化;轮换试验和监测交叉孔,以确定现场岩体的渗透系数张量和单位贮水量。用于确定各向异性介质中三维渗透系数张量。不需要预知主渗透方向,钻孔方向可任意布设[1]。
该方法和技术设备简单,可以获取局部岩体的渗透系数张量,但理论计算较复杂[3]。
1.4 示踪试验法
示踪试验是在钻孔中投入一定的食盐、荧光粉或同位素示踪剂来测定地下水渗流速度,确定含水层的渗透系数,在多孔介质中已经得到成功的应用[4]。目前,已被引入到裂隙岩体渗流研究中,可以得到特定断层、裂隙或含水层的渗透系数[5]。由于单孔压水试验孔一般都为裸孔,可以直接用来做地下水示踪试验,可以获得较大尺度上的渗透系数。
示踪试验一般用于特定对象或介质的渗透性研究,测量尺度较大[3]。通过示踪方法实测的裂隙岩体渗透系数,能基本上真实的反映裂隙渗流场的客观现实[5]。
1.5 渗水试验法
渗水试验是为求取特定目标渗透系数的水力试验。周志芳在溪洛渡坝址区平硐内利用风钻对结构面单独成孔,做简易渗水试验,求得了缓倾结构面的渗透系数[5]。张世殊、梁杏在溪洛渡坝址区平硐内利用声波孔,做渗水试验求得了不同裂隙发育带的渗透系数。平硐声波孔渗水试验由于试验点的渗水压力和渗水量较小,试验时间较短,得到的渗透系数实际上只是反映了特定空间小尺度介质的渗透性[6]。
渗水试验同示踪试验一样,一般只用于特定对象或介质的渗透性研究,但测量尺度较小[3]。如果要确定局部的较为微观的岩体的渗透系数,特别是确定不同规模裂隙介质的渗透系数,渗水试验是一种直接而有效的方法[6]。渗水试验方法简单,花费少,计算结果可靠,实用性强[3]。
2 室内试验法
室内试验法主要根据室内物理水力学模型试验成果结合立方定理推求,常用的模拟方法有粘滞流模型、水力网模型和电模拟等[7]
3 裂隙采样测量法
该方法先用测线测量法或者测面测量法确定岩体裂隙的隙宽、产状及位置,然后运用统计学的方法来确定裂隙岩体的渗透系数张量[1]。裂隙采样测量法即根据裂隙水力参数(隙宽、间距、产状)的统计计算渗透张量,其理论基础是完备的,但这种方法认为每一系统的裂隙方向、密度和宽度都是绝对稳定的。这种假设同裂隙网络实际存在的不均一性并不符合,故完全通过裂隙宽度、间距以及其方位统计而求得渗透张量的方法也具有一定的局限性[8]。但某一工程地质单元的渗透张量的主方向完全可以通过裂隙采样测量法来确定。
该方法用于岩体存在较好露头及地下平洞等条件下的裂隙岩体,简单实用;不足之处在于没有考虑裂隙内充填状况和裂隙面粗糙程度,不够精确[1]。
4 反演分析法
反演分析法是一个优化方法,它是根据地下水动态观测资料或抽水试验资料已获得的各处地下水面或水头分布,反过来确定渗透系数、给水度和贮水度等水文地质参数,可分为直接反演法和间接反演法,前者把渗流控制方程中水头作为已知数,代入观测值,视参数为未知数而直接求解,是按分析地下水位和实测地下水位最为接近的原则决定各岩体分区渗透系数的最佳搭配;后者又称试误校正法,首先对研究区的岩体结构及水文地质特性进行考察,确定岩体各分区的相对渗透性质、渗透主方向及地下水补给等,然后基于分析假定一组参数代入渗流控制方程求解渗流场中的水头分布,比较计算值与实测值,逐渐修正参数和边界、初始条件,直到基本吻合为止[9]。
反演分析法是目前工程上应用最为广泛的方法,但由于渗透张量具有6个独立参数,参数较多,所以应用反分析的方法来决定渗透张量可能会遇到不唯一和不稳定等问题,同时渗透参数初值及一些优化系数的选定在很大程度上依赖于经验,选择不好不仅影响计算速度,甚至影响结果的收敛性[8]。
5 离散裂隙网络渗流数值试验法
1982年,Long提出利用离散裂隙网络渗流数值试验法确定裂隙岩体典型单元体和等效渗透张量[10]。首先构建一个大尺度的离散裂隙网络,然后从网络中心点开始,依次从小尺度到大尺度,取不同尺度的子裂隙网络。在每一个尺度的子裂隙网络中,通过离散裂隙网络渗流模拟程序,在给定人为水力边界条件下求解地下水运动差分方程,求出岩体在水力梯度方向上的渗透系数;旋转裂隙网络,最终求得岩体在各个方向上的渗透系数。通过对不同尺度不同方位上渗透系数的计算,绘制不同尺度上裂隙网络的渗透椭圆,从而可以确定典型单元体(REV)尺寸和渗透张量。2002年,Wang通过单孔压水试验和离散裂隙网络渗流数值试验法,确定研究区域REV尺寸为15m,裂隙平均迹长为0.98~2.5m[11]。2004年,Min随机生成10个300m×300m的裂隙网络父模型,从中提取尺度为0.25m×0.25m到10m×10m的一系列子模型,得到REV尺度为5~8m,裂隙迹长绝大部分小于2m[12]。
离散裂隙网络渗流数值试验法可以获得REV尺度,并确定渗透张量,前提是裂隙几何要素的准确测量和岩体裂隙均质区的概化。由于裂隙发育规模具有多级次性,REV是一个与测量尺度有关的值。在实际工程中野外露头尺度有限,仅能获得少量点和小尺度的渗透张量值,应用并不广泛。
6 结论
6.1每种测量方法均有自己的适用性和测量尺度,要根据具体的地质条件和研究对象的精度选用合适的渗透系数测量方法。
6.2测量点的布设必须科学合理。由于裂隙岩体中裂隙的发育并不是毫无规律的,渗透系数测量点的空间布设必须考虑这种方向性。
摘要：总结了近年来裂隙岩体渗透系数的确定方法,主要有现场水力试验法、室内试验法、裂隙采样测量法、反演分析法和离散裂隙网络渗流数值试验法。不同的测量方法有自己的优点、局限性和适用性;针对具体的地质条件和研究对象,需选择合适的渗透系数测量方法。不同测量方法需要结合起来才能得到裂隙岩体真实的渗透系数。
岩体渗透性 篇3
随着人口的快速增长、土地的衰退、资源的短缺、环境的恶化,各国日益注重地下空间和地下工程的开发利用。近年来,我国在公路、铁路隧道、水底隧道、城市轨道交通、地下水电站、深部矿山、放射性核废料和石油天然气地下储备库等领域的地下工程方面取得了显著的成就。有学者认为,21世纪将是长大隧道工程发展、大力开发利用地下空间的时代[1~3]。但是整体来说,我国地下工程起步较晚,积累的经验技术还不全面,尤其是近年来开始兴建的大型地下石油水封洞库。
水封洞库的技术核心在于水封技术,而水封技术的基础在于准确测定裂隙岩体的渗透特性,其是渗流模型建立和计算预测中的关键,从而实现对于整个地下水封储油洞库的渗流控制。
测定裂隙岩体渗透特性最常用的方法之一是钻孔压水试验,它是一种在钻孔中进行的岩体原位渗透试验,借用水柱自重压力或使用机械(泵)压力,将水压入到钻孔内岩壁四周的裂隙中,然后在一定条件下测定单位时间内压入水量的多少来衡量岩体的渗透性[4]。
但是地下深埋工程往往都具有上百米水头,岩体承受较高的压力,此时常规压水试验已不能准确反映实际水头压力作用下岩体的渗透特性,只有按照岩体实际承受的压力进行高压压水测试,才能为工程设计提供可靠的依据[5~7]。
另外,近年来随着地下石油储备库的建设,起源于地下洞库的注水-消散试验亦能够准确获取高水头下的岩体渗透系数[8,9]。但是关于两种压水试验的比较,国内尚无报道。
鉴于此,本文依托某地下石油储备库工程的建设,采用高压压水试验和注水-消散试验分别计算某水幕孔的渗透系数,并结合工程地质情况,研究裂隙岩体在高水头作用下的渗透特性。
1 工程概况
某地下石油储备库所在区域为低山丘陵区,地势平缓。根据现场钻探、原位测试、孔内测试及室内试验结果探明库区表层为残积土层和全风化层,残积土层层厚0.50~6.00m,层底标高12.41~40.16m,全风化层层厚0.90~36.20m,层底标高-17.59~32.43m;其下伏基岩为中粗粒花岗岩,由上至下为强、中、微风化带,表层裂隙较发育,下部裂隙发育较弱。中间穿插辉绿岩、角闪闪长玢岩、细晶岩等岩脉。
根据水文地质调查,库区地下水赋存条件以风化裂隙、构造裂隙和原生节理裂隙等基岩裂隙水为主。按岩土体赋水条件和含水介质的不同,划分为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。
根据勘察资料场区地下水埋深为0.00~17.34m,标高13.33~38.31m,为潜水。据钻孔观测及调查访问,场区表层水(第四系松散岩类孔隙水)多年变幅1~3m,年变幅一般约为0.99~1.71m。
某地下石油储备库的水幕系统低于设计地下水位以下近40m,水幕孔标高为-31m。周边围岩主要为微风化至未风化花岗岩,为弱透水性岩体。
2 高压压水试验及结果
试验对象为水幕巷道内某一垂直水幕孔,水幕巷道顶板标高-26m,底板标高-32m,该垂直水幕孔孔口标高为-32m,底板标高为-90m。测试段为-32m~-90m,沿着孔深每10m做一次综合水文地质试验,最后全长做一次综合水文地质试验。
压水试验前,测得该孔的静水压力为0.12MPa,换算至孔底静水压力即为0.71MPa。试验条件已超出《水利水电工程钻孔压水试验规程》SL 31-2003规定压水试验方法的应用条件[4]。借鉴高压压水试验的工程案例,现场调整如下:按0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa的3个压力等级分别向钻孔试验段内注水,各级压力下读取流量的频率为每分钟一次,直到连续5次流量达到稳定值,方可进行下级的流量观测。升压阶段完成后进行降压阶段的观测。整个试验过程的加载顺序按0.5MPa→1.0MPa→1.5MPa→1.0MPa→0.5MPa分5个阶段进行。
常规压水试验的主要结果是P-Q曲线、透水率Lu值、渗透系数[4]:
透水率Lu值由公式(1)计算得到:
式(1)中:q为岩体透水率Lu值;L是试验段长度;P表示最大压力阶段的压力值。
渗透系数K值由式(2)计算得到:
式(2)中:K表示渗透系数;H是试验段水头;Q表示压力相对较低的第一阶段的压入流量;L是试验长度;r是钻孔半径。
由图1可知,本试验测得的透水率和计算所得的渗透系数具有良好的线性关系,说明上述计算方法是可行的,测试成果参见表1。
图1 渗透系数-透水率协和图Fig.1 The concorde figure of permeability coefficient and permeable rate
压水试验P-Q曲线可以分为5种类型:层流型、紊流型、扩张型、冲蚀型和充填型,在不同压力下裂隙内的渗流状态是不同的,岩体裂隙的状态(开度、充填物等)会发生变化。绘制该钻孔分段压水试验的P-Q曲线如下图所示:
表1 高压压水试验成果Table 1 The results table of high pressure permeability test
由图2可知,7个试验段的P-Q曲线类型整体表现为扩张型,压水流量随着试段压力的增加而增加,随着试段压力的减小而减小。表明该水幕孔整体所含裂隙较少,围岩抵抗水力劈裂的临界压力值较大,存在一组不小于1MPa的临界压力值,当试段压力超过临界值,注水流量就急剧增大。
-32~50m试段扩张曲线较明显,压力无法达到第三阶段的1.5MPa,存在一组不小于1MPa的临界压力值,裂隙较发育。推测与试验段距离水幕巷道底板较近,受施工开挖、爆破扰动等影响。在施做压水试验的过程中,致使部分裂隙开裂,从而致使压水量增大。殷黎明[5]等定义该类曲线为开裂型。
图2 压水试验P-Q曲线Fig.2 The P-Q curve of permeability test
-50~-80m试段的扩张曲线稍缓,压力可以达到第三阶段的1.5MPa,临界压力不明显,钻孔岩芯资料显示,该试验段岩体相对完整。其中-70~-80m区段发育一组陡倾节理(140°∠80°),与P-Q曲线基本吻合。
-80~-90m试验段表现为紊流型,透水性较小,钻孔岩芯资料显示该段处于微风化-未风化花岗岩内,岩体完整。
3 注水-消散试验及结果
注水-消散试验是我国部分设计院在与法国Geostock公司合作建设地下石油储备库的过程中,掌握的一套新型压水试验。主要分为三个阶段:
(1)量测试验孔的静水压力,结合试验区域的地表水位确定试验压力。该垂直水幕孔的试验压力为静水压力+0.5MPa。
(2)注水期:打开进水阀门,供给该水幕孔,直至压力表读数达到试验压力,保持压力稳定,开始记录供水流量。每隔1min测读一次流量和压力,测试时间为15min。
(3)消散期:关闭进水阀门,观测水幕孔内压力消散情况。压力值记录频率如下:前1~2min时段内每0.25min记录一次压水管内压力;2~7min时段内每0.5min记录一次压水管内压力;7~30min时段内每1min记录一次压水管内压力;30~60min时段内每2min记录一次压水管内压力;60~120min时段每5min记录一次压水管内压力。结束观测的条件是观测120min或者水幕孔压力消散至静水压力。
利用商业软件ECRIN(动态流分析软件)的Saphir模块进行资料处理,数据输入界面参见图3,主要利用双对数曲线,回归分析注水期-消散期的流量和压力数据,从而得出岩层的渗透系数,数据输出结果参见图4。
图3 注水-消散试验数据处理界面Fig.3 The data processing interface of injection-fall off test
注水-消散试验的成果参见表2,由表可见,该水幕孔整体渗透系数平均为8.12×10-8m/s,整体完整性较好,-32~-40m和-70m~-80m两个区间的岩体渗透系数最大,分别为13.72×10-8m/s和10.47×10-8m/s,与工程地质情况相符合。
表2 注水-消散试验成果Table 2 The result table of injection-fall off test
图4 注水-消散试验双对数曲线Fig.4 The double logarithm curve of injection-fall off test
4 两种压水试验的比较
由图5可见,两种压水试验得出的渗透系数大致相同,表明两种压水试验所获取的岩体渗透特性基本正确。其中注水-消散试验略低于高压压水试验,推测源于高压压水试段压力(0.5MPa~1.0MPa~1.5MPa~1.0MPa~0.5MPa)普遍大于注水-消散试验期间的压力值,从而导致岩体渗透系数变大。
5 结论
由于地下深埋工程往往都具有上百米水头,岩体承受较高的压力,此时常规压水试验已不能准确反映实际水头压力作用下岩体的渗透特性,只有按照岩体实际承受的压力进行压水测试,才能为工程设计提供出可靠的依据,如高压压水实验和注水-消散实验。
图5 两种压水试验渗透系数对比Fig.5 The permeability coefficient contrast figure of two test
(1)高压压水试验和注水-消散试验都可以获取埋深上百米甚至几百米的岩体渗透系数;
(2)高压压水试验通过3个压力等级5个压水阶段的试验,可以分析岩体抵抗水力劈裂的能力,研究临界压力值,为地下工程灌浆处理裂隙岩体提供依据。譬如,本次试验的垂直水幕孔最小灌浆压力值应不小于1.0MPa;
(3)注水-消散试验按照钻孔所处的实际水文情况,设定试验压力,获取的渗透系数能够反映未扰动状态下岩体的渗透特性,同时可以避免盲目加压导致节理裂隙的开裂和发育,影响其他区段工程的注浆效果。
(4)高压压水实验更适用于评价各类结构面抵抗水力劈裂破坏的临界压力值的大小,为地下工程灌浆处理裂隙岩体时提供依据;注水-消散试验更适用于并行作业的地下工程,既能够获取岩体初始状态下的渗透系数,又不会对搭接区段的地下工程造成影响。
注水-消散试验是我国部分设计院在与法国Geostock公司合作建设地下石油储备库的过程中,掌握的一套新型压水试验,该试验在国外地下工程中应用广泛,但国内学者对此的研究相对较少。
本文以某地下储备库中的垂直水幕孔为例,首次应用两种压水实验方法研究高埋深状态下的裂隙岩体渗流情况,相互比较与验证,以期为国内相关地下空间和地下工程的渗透特性研究提供一条新的研究思路。
摘要：裂隙岩体的渗透特性是核废料处置、水利水电、油田开发、矿山和大型洞库等各类地下工程领域内经常遇到的问题,而埋深超过百米的地下岩体已超出常规压水实验的应用范围,仅适合施做高压压水试验或者注水-消散实验,后者仅在部分石油储备库项目中为国内学者所研究。本文以某垂直水幕孔为例,首次应用两种压水实验方法研究高埋深状态下的裂隙岩体渗流情况,高压压水试验的3级压力定为0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa,注水-消散试验的试段压力为静水压力+0.5MPa。研究发现,两种压水实验皆能够正确获取岩体的渗透系数,但适用范围有所区别。
关键词：高压压水试验,注水-消散实验,透水率,渗透系数,水力劈裂
参考文献
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岩体渗透性 篇4
裂隙岩体渗流是水利水电工程建设、核废料地质处理和油田开发等领域内经常遇到的问题, 而裂隙岩体渗透性的确定又是渗流模型建立和计算预测中的关键[1]。钻孔压水试验是一种在钻孔中进行的原位渗透试验, 其主要目的是测定岩体的透水性, 为评价岩体的渗透性能和防渗措施提供基本资料[2]。
不同岩性岩体的物理力学性质差异会引起结构面的发育有较大的差异, 因此岩性对渗透性也有明显的控制作用[3]。实际上, 岩体自重应力、风化裂隙、岩性以及胶结充填等诸多因素往往同时控制裂隙岩体渗透性的空间分布。
本文以贵州则姑水库为例, 用压水试验得到的透水率或渗透系数分析了不同自重应力以及岩性等诸多因素对裂隙岩体渗透性的影响。
贵州则姑水库位于长江水系乌江北源主流六冲河支流则姑河上游, 坝高58m, 水库正常蓄水位1 750m, 相应库容1 269万m3, 工程规模为中型。在其前期的勘测设计中, 坝基岩体的透水性是坝基岩体工程特性研究的重要方面, 在坝基钻孔中作了大量的常规压水试验。为了得到坝基岩体在水压力作用下岩体透水率的可靠资料, 则姑水库工程专门在下坝址部位和比选的上坝址部位的8个钻孔中作了57段压水的试验, 以确定岩体渗透特性的变化规律。
1 压水试验及其结果
钻孔压水试验按《水利水电工程钻孔压水试验规程》进行。测试段长5m, 采用逐级加压的方式对试验段加压, 每级压力稳定时间为5min, 分0→0.3→0.6→1.0→0.6→0.3MPa 5个压力阶段进行试验。试验全采用单栓塞止水, 每5m一个试验段。
压水试验的主要成果是透水率和P~Q曲线。透水率采用最大压力阶段的压力值和流量值, 由下式计算[4]:
式中:q为岩体透水率;Q为最大压力阶段流量, L/min;L为试验段长度, m;S为最大压力阶段压力值。
压水试验采用多个压力阶段, 是因为在不同的压力下, 岩体裂隙内的渗流状态是不相同的, 岩体裂隙的状态 (开度、充填物的位置等) 会发生变化, 因而其渗透性也会发生变化。根据压水试验, 得出各级压力与流量之间的关系, 画出P~Q关系曲线, 再依曲线形状可以分为5种类型[4]:A型 (层流型) 、B型 (紊流型) 、C型 (扩容型) 、D型 (冲蚀型) 、E型 (充填型) 。每种曲线代表一种渗流形式。另外, 还有与这5种曲线都不同的不规则型。
2 透水率及P~Q曲线类型分析
该水库下坝址工程地质测绘和地质钻孔揭露的地层岩性为下统永宁镇组第1段和第2段灰岩、含泥质灰岩;比选的上坝址揭露的地层岩性为飞仙关组第3段紫褐、紫灰色粉砂岩夹泥岩, 永宁镇组第1段泥灰岩、泥质灰岩。上、下坝基8个钻孔中57段压水试验按式 (1) 计算的透水率结果及相应的试段深度见表1。表1所列压水试验资料表明, 随着埋藏深度以及岩石岩性的变化, 压水岩体透水率都反映了岩体透水性的变化规律。
压水试验P~Q曲线类型汇总见表2。从表2中可以看出, 下坝址压水试验P~Q曲线类型以E型 (充填型) 为主, 其次为不规则型, 分别约占68%、22%, 其他类型出现较少, 共占约10%。
上坝址压水试验P~Q曲线类型以E型 (充填型) 为主, 其次为B型 (紊流型) , 分别约占61%、34%, 其他类型出现较少, 共占约5%。故该水库上、下坝址中因为岩石岩性的变化, 渗流流态稍微不同, 上坝址比下坝址中的B型 (紊流型) 型P~Q曲线明显增多, 但是灰岩岩体在高水头作用下的渗流状态以E型 (充填型) 为主。
3 渗透特性垂向变化规律
大量的工程实践和室内试验表明, 岩体的渗透系数与应力之间具有以下的函数关系[5]:
式中:K0为有效应力为零时的渗透系数;α为系数;σc为有效应力。
对于单孔压水试验, 可根据巴布金公式计算岩体渗透系数[6]:
式中:K为渗透系数;Q为压水孔耗水量;珔r为压水孔半径;珚L为压水段长度;H0为压水段水头。
将表1中的压水试验结果按埋藏深度和透水率分别分段统计可以得到岩石埋藏深度与透水性的关系如表3所示。将表3中岩石埋藏深度按式 (4) 可转化为相应的地应力:
式中:γi为第i层岩石的容重;Hi为第i层岩石的埋藏深度。
根据式 (3) 用压水试验数据计算相应深度的渗透系数, 可得到渗透系数随地应力变化关系如表4所示。
注:1单位为10-6m/s。
对表4中每行各试验段的渗透系数取加权平均, 可得到不同应力状态下的渗透系数值, 其对应关系如图1所示。
从图1中可看出, 岩体的渗透系数与其所受应力之间有着较密切的关系, 其埋藏深度越深, 所受到的地应力越大, 岩体裂隙的开度减少, 渗透系数相应降低。
4 结语
通过对则姑水库工程的大量压水试验数据的统计分析, 可以得出以下结论:
(1) 随着埋藏深度以及岩石岩性的变化, 压水试验透水率反映了岩体透水性的变化规律, 透水性变化的背景是地质条件的变化。
(2) 由于岩石岩性的变化, 渗流状态稍有不同, 但在灰岩岩体中, 在高水头作用下的渗流状态以E型 (充填型) 为主。
(3) 岩体的渗透系数与其所受应力之间有着较密切的关系, 其埋藏深度越深, 所受到的地应力越大, 岩体裂隙的开度减少, 渗透系数相应降低。
摘要：岩体自重应力、风化裂隙、岩性以及胶结充填等诸多因素往往同时控制裂隙岩体渗透性的空间分布。为了得到坝基岩体透水率的可靠资料, 基于钻孔压水试验结果和岩体岩性的比较分析, 获得了压水试验过程中岩体透水率和PQ曲线的变化规律, 并分析了不同自重应力以及岩性等因素对裂隙岩体渗透性的影响。
关键词：压水试验,透水率,渗透系数,PQ曲线
参考文献
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