断裂破碎带渗透特性原位测试设备研制及初步应用

张培兴，曹聪慧，吴 云

(1.河北经贸大学管理科学与工程学院，河北 石家庄 050061； 2.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210046)

0 引 言

岩体结构面作为高放废物处置库区核素迁移至人类生活环境的潜在通道，一直备受相关专家的关注[1-2]。断裂作为大尺度结构面，其内部破碎带的渗透特性参数是后续处置库布局设计优化以及长时间尺度的核素运移模拟等的重要参考依据。因此，其数据信息的获取分析具有极其重要的研究价值。

目前，在原位水文测试方面，相关科研单位已基于引进的精密双栓塞野外水文试验设备，对高放废物处置库甘肃北山预选区内深部岩体开展了系列试验工作，进行了包括微水试验及定压力非稳定流压水试验等在内的多种测试[3]，积累了一批钻孔渗透系数试验数据，其中包括获取了深部破碎带等明显导水段落的原位数据。郭永海等[4]在分析具有岩芯编录资料的钻孔水文数据时，曾指出场区岩体的导水性可由构造(如断裂)主导；李国敏等[5]也指出场址区内部断裂的渗透系数随深度变化并不明显，该区主导岩体渗透性能可能为构造因素。但由于现场有限的钻孔对处置库工程布局设计需求来说，所获的数据仍然十分局限，且试验过程中一般是以固定间距的封段展开试验，其数据仅能代表该试验段的局部渗透结果，有时因为封孔失效而导致结果并不可靠，特别是深部岩体渗透参数的获取，由于相关精密测试仪器一直以来受到国外技术垄断，国内相关研究推进只能更多依赖国际机构的有限设备援助实现。近些年，付安学[6]、章杨松[7]、周圣骞[8]、郑健[9]在初步考虑地表露头裂隙信息与深部裂隙资料差异性的基础上，提取了露头面上的大量裂隙迹线信息，借助地表良好露头点开展了相关的水文试验，并针对地形等因素开展了设备研制工作，研制出了相对简便的钻孔内栓塞压水设备，可基于标准压水试验实现钻孔内单条裂隙的渗透参数测定。但由于栓塞的封段仍然设计成固定的形式，在破碎带试验过程中无法避免出现封孔失效的情况，造成数据获取失败率增加，数值误差过大，甚至不可用。

本文以引入的便携型示踪仪为基础，以高放废物预选区断裂破碎带渗透特性探究为核心，开展针对性仪器研制测试、结果分析及讨论，以期为后续更加精细化的断裂渗透试验研究提供技术更多参考。

1 设备研制及基本计算原理

本文借鉴了SKB在TURE系列项目中展开的钻孔间渗透特性研究及核素迁移试验开源资料，并以服务即将开挖的处置库精细化多尺度结构面渗透性研究为目的，开展了可视化的原位渗透示踪试验的测试工作，研制了岩体结构面精细定位与渗透试验段封闭试验装置(专利号：ZL201721406799.X)。其在接收端精确定位后，将载有示踪接收探头模块的栓塞放置在固定位置，进行稳定抽水，亦能根据研究需要不配置栓塞仅单独放置FL-24示踪探头，即可实现孔间特定段位结构面的精细化渗透特性测试。当渗透测试段为低渗时，可加装一种原位钻孔岩体结构面可视化示踪试验装置(专利号：ZL201721406800.9)配套使用。其长达70 m的测试距离，可以满足预选区大部分场址边界断裂不同区段的测试需求。该装置最大特点为根据钻孔内裂隙分布情况，封段测试范围可实现灵活调节。试验装置见图1。

图1 试验装置

根据郭亮[10]现场取样开展的室内试验可知，样品渗流试验中存在紊流流态。但Louis等经过大量的试验和计算指出，实际上可不考虑这种紊流状态仍按层流问题处理，这样便使得计算显著简化而带来的仅是一个可以忽略的误差[11]。此外，参照裂隙面渗流模拟过程可知，详细描述流体从1条裂隙到另1条裂隙内的运动是不切实际的，在运移模拟中也常常采用平均速度流场来描述，因此小尺度内的流场的具体变化则可忽略。基于以上原因，假设研究对象内部的流体均按层流处理，便可采用达西定律求解，可得到从注水试验段(投放孔)到不同接收孔处主导裂隙的渗透系数[12]，计算公式为

(1)

式中，K为主导裂隙渗透系数；v为示踪仪监测到的示踪液实际流速；n为裂隙率，按参考文献[13]中提出的计算模型估测裂隙数量。

将水力梯度J、钻孔之间的间距L、注水开始到出水时间t(示踪仪器监测到的浓度曲线起跳点)、试验水头H(本研究中主要采用0.1～0.3 MPa的压力提供恒定水头)代入式(1)整理为

(2)

2 断裂破碎带渗透特性研究

2.1 精细化示踪试验基本过程及数据分析

以预选区内某坑探工程中所穿越的断裂破碎带为研究对象，开展了可视化的原位渗透示踪试验的测试工作。试验巷道及试验点相对位置见图2[14]。该巷道内已先于本试验开展了相关的断裂破碎带现场注浆加固、防渗性等测试性工作。

图2 地下试验巷道及试验点相对位置(单位：m)

破碎带钻孔内现场实际示踪过程见图3。首先，将利用示踪装置钻孔电视定位前端放入待测钻孔内，缓慢向钻孔内部移动，识别并标记测段(见图3a)；随后将连接好示踪液的栓塞放入指定位置(见图3b)；微调栓塞间距离，控制测段范围，调整完毕后加入压力使栓塞膨胀紧贴钻孔壁面，随后加入检测示踪液(见图3c)。通过钻孔外端肉眼观察及前端钻孔电视，监测钻孔内测段外有无渗漏情况，如有渗漏，则继续调整测段距离或根据要求加入封堵剂；如无渗漏，压入端便布置妥当。

图3 破碎带钻孔内实际示踪过程

通过前端可视定位装置，将接收探头布置于指定的位置处后，连接好仪器后，检测仪器能否正常接收信号，并记录本底值数值；随后在注入端压入示踪液，并做好观察记录。被识别出的破碎段及对应的示踪探头信号见图4，该测段有畅通的裂隙通道存在，沿断裂走向渗透性较强。

图4 被识别出的破碎段及对应的示踪探头信号

通过该设备，依次开展了自钻孔内部至钻孔外部多处典型段落的示踪测试。其中，多处注浆良好段落未检测到示踪信号；2处大裂隙示踪信号明显，根据式(2)，将已知参数代入，初步获得渗透系数为1.2×10-5～1.6×10-5m/s；1处破碎渗透表现良好，但接收孔内示踪探头并未检测出信号，结合前人采集的局部大样品室内渗流试验可知[10]，非平行断裂走向的其他方向可能存在优势渗流路径，巷道洞壁断裂带示踪试验初步研究结果显示，部分断裂破碎带内部各单元在注浆防渗作用下整体渗透性较低，甚至形成阻水区，但局部孔隙较大区域渗透性较高。针对局部缝隙较大的破碎段，可后续考虑多次注入浆液等方式对岩体进行加强处理。

2.2 断裂核部跨孔宏观优势渗流方向

为能探查原位断裂宏观方向上液体流动情况，选取了高放废物某预选区块内东南边界断裂核部～下盘破碎带为研究对象，示踪试验及分析见图5。本次试验采用恒定水头(0.1～0.3 MPa)的供水方式在Sk03孔内持续注水，当流量稳定后加入示踪剂。

图5 预选区内某断裂示踪试验及分析

首先于Sk02孔中放入示踪探头，经过数小时后，钻孔中并未接收到信号(见图5a)；随后将示踪探头放入Sk01孔，重复上述步骤，同样条件下，在很短的时间内Sk01孔内示踪探头就接收到了明显示踪信号(见图5b)，推测该断裂的走向方向上存在优势路径；配合前端旋转的可视化模块，对钻孔内示踪液进行观测检查(见图5c、d)，这为断裂走向为优势流径方向提供了可视化证据。进一步结合现有资料[13,15]综合推测，宏观上沿断裂走向为其优势渗流方向，断裂破碎区内走向方向上渗透系数一般是垂直于断裂方向上的几倍甚至数十倍不等；而垂向能够连通则与断层泥的发育程度有关，断层泥厚度极大时，断裂的横向将有可能形成连续阻水带，而断层泥发育不完全区域能否形成导水通道，其导水性能如何，有待设计更加严密的试验加以细化区分[16](见图5e)。

3 讨 论

从国内外专家针对断裂开展的大量原位试验发现，由于岩体内部情况复杂，想要较为准确地获取断裂的渗透特性参数十分困难。Hjerne等[17]特别强调了水文试验前岩体结构识别的重要性；Lu等[18]指出看不见的多尺度裂隙岩体的复杂性增加了流体运移判识的难度；苏锐等[19]指出任何单一的钻孔测量技术都不能准确、完整地表述导水构造的特征，尤其是对空间变异性较强的断裂而言，更加难以详尽捕捉其导水构造特征；张培兴等[20]通过现场试验指出，相关的测试技术有必要进行多种方法的联合搭配，特别是在被测体内在结构特征能够被识别的前提下，才能较为准确地获得结构体的渗透参数，也才有可能较好地解决一些重大场址区参数的测定问题，单独的某一种渗透特性试验很难准确获得断裂的渗透参数，也无法满足未来场址更高精度的试验需要。因此，多种方法(压水试验、抽水试验、三维声呐法及微水振荡法等)的综合测试是今后精细化测试发展的主要方向，并且这种方向是建立在逐渐完善的理论基础与更多创新性试验实践相结合的基础之上的。

值得注意的是，本文关于断裂破碎带渗透参数计算过程所依据达西定律中的裂隙率n取值具有很大的不确定性，如有些裂隙表面看似张开，实则内部填充完好，而有些裂隙表面看似充填，实则内部张开，均会对渗透系数的确定存在一定影响。笔者认为，如能借助管理学思维，在大量数据资料基础上分门别类，系统统计各类样本的差异性与规律性，构建经验判别式，可能会为类似问题解答带来一定启发。因此，如何将裂隙率折算到更为合理的范围从而得到有效裂隙率，仍有很多工作要做。

最后需要说明的是，断裂各单元渗透特性研究中，关于断裂导阻性能的量化研究一直较为薄弱，值得引起注意。张培兴[21]整理了相关的压水试验数据及部分示踪数据，通过宏观地质迹象勘测及部分数据的初步汇总整合发现，断裂的渗透性的优势渗流方向为断裂走向，且渗透特性与断裂断距规模具有一定相关性，尝试参照国外经验将所研究的几条断裂归纳到了关系趋势线中，但这种相关性是否可靠，则还要依赖于更为有效的试验手段来检验。很明显，如果能够巧妙利用具有代表性的有限钻孔，开展不同尺度结构面的导水性能及其优势路径的精细化判识，能为场址断裂导水特性及后续更为准确的模拟研究提供更加丰富的数据源，则有望能将场址区断裂控水特征模式表述得更加清晰。

4 结 语

本文通过引进的岩溶区高精度仪器，并针对高放废物处置工程这类特殊工程场景进行了必要的改进。相比传统的压水试验，能一定程度上避免单独的试验所产生的封孔失效等不足，实现了多样渗透参数的获取，即除渗透系数外，还能进一步判识断裂的优势渗透方向，为更加丰富的数据获取与分析提供了更多可能性。

断裂破碎带示踪试验综合研究结果初步显示，断裂内部各单元在注浆加固作用下整体防渗效果良好，局部大裂隙封堵失效，仍存在明显渗流，其渗透系数为1.2×10-5～1.6×10-5m/s；断裂核部附近破碎带区段沿断裂走向方向为其优势渗流方向。

总体而言，断裂破碎带渗透特性测试装备仍然匮乏，鲜见针对性、便携性的成套设备，高度自主设备的研发、更新换代相对缓慢，尤其面对即将开挖的处置库仍有很多工作要做。这需要研究人员积极思考，进一步借鉴国内外先进思路，积极在相关仪器开发与测试方面积累经验。