福建某地花岗岩渗透性原位测试与评价

■叶 勇

（福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州 350002）

地下工程实践中，对于岩体渗透系数及渗透性的测试，主要依托现场抽水试验和压水试验[1-4]。 这种方法对于普通公路隧道、铁路隧道等地下工程尚可满足其要求，但对于特殊的地下水封洞场、地下核废料处置场、水下隧道等对岩体渗透性要求较高的工程， 常规的水文试验方法就明显呈现出不足，主要的问题表现为：（1）岩体相对完整，钻孔中常常无水，抽水试验无法进行；（2）普通压水试验由于压力较低无法得到测试结果[5-6]。 因此，类似地下水封洞场、地下核废料处置场、水下隧道等对岩体渗透性要求较高的地下工程，为了得到其准确的渗透系数和渗透性，在勘察设计阶段须引入其他有效的探测方法来实现低渗透性岩体渗透系数的测定[7-8]。

本研究以某地花岗岩渗透性原位试验为例，结合其详细的地质调查、物探、钻探、水文地质试验，给出低渗透性岩体的脉冲试验原理、方法及测试结果，其思路和方法可为今后类似地质条件下的渗透性测试及研究提供参考和借鉴。

1 地质条件

场址区在武夷山隆起带中段北侧，位于我国东部几个重大构造系统的交接地带， 西部是向南呈“V” 字形突出的武夷地块， 西北侧是左行平移的蒲—漳断裂带。 现有的区域地质资料表明，场址区所在区域新构造运动不发育，地震影响较弱。

1.1 工程地质

1.1.1 地层岩性

根据地质年代、成因、岩性及工程性质的不同，场址区内的地层岩性可分为2 大类：（1）第四系沉积物；（2）燕山期早白垩世花岗岩。 各类地层特征及分布情况分述如下：（1）第四系冲洪积层、残坡积层（Q4al+pl、Q4el+dl）：呈灰褐色，灰黄色，主要成分为砂土、砂质黏土等，厚度约1.0～3.0 m，碎屑物岩性成分为主，但总体上坡顶部位颗粒较粗，从坡上往下逐渐变细，厚度在斜坡较陡处较薄，坡脚地段较厚。由下伏花岗岩风化残积后，风化碎屑物由雨水沿斜坡搬运堆积形成。 （2）燕山期早白垩世中细粒二长花岗岩（ηγ53）和燕山期早白垩世细粒闪长岩（δ53）：场址区内燕山期早白垩世花岗岩根据粒度大小、成分含量差异可细分为中细粒二长花岗岩和中细粒正长花岗岩，局部可见少量细粒正长花岗岩、细粒花岗闪长岩分布，以中细粒二长花岗岩为主，除此之外，还有因热液侵入和动力变质作用产生的蚀变现象。

1.1.2 地质构造

场 址 区 范 围 内 发 育 有4 条 断 层（F1、F3、F4、F5）、5 条节理密集带（J1、J2、J3、J4、J5）。 其中F1 断层、F5 断层和J2 节理密集带均贯穿拟建场址区。F1断层位于场址区中部沟谷位置， 整体走向为SE-NW 向，倾向SW 或NE，倾角近似直立，发育牵引构造。 在场址区南侧附近推测被F5 断层错断，受F5 断 层 影 响， 断 层 走 向 由 约NW342°～346°转向NW312°～315°。 断层发育走向近似正南北向，倾向西，倾角60°～70°。 节理密集带J3 位于场址区中部偏东，距离场址区东部边界约600 m。 同时，伴随断层发育一系列节理，形成规模相对较大的节理密集带，沿断层、节理密集带等构造蚀变现象发育。 场区构造分布见图1。

图1 场区地质构造图

整个场地内节理走向以北西向为主，北东向次之，与场地内主要断层、破碎带走向基本一致，与主洞室轴线方向大角度相交。 本场地主要发育压剪节理（图3），主要发育3 组优势节理：优势节理（1）：倾向140°～150°，走向50°～60°，倾角60°～70°；优势节理（2）：倾向240°～250°，走向330°～340°，倾角70°～80°；优势节理（3）：倾向60°～70°，走向330°～340°，倾角80°～90°。

图2 节理走向玫瑰花图及极点等密度图

1.2 水文地质

场址区内的含水介质主要是燕山期细粒二长花岗岩、中细粒正长花岗岩和第四纪覆盖层，地下水主要以松散岩类孔隙水、 浅层风化网状裂隙水、深层脉状裂隙水等形态存在。

松散岩类孔隙水赋存于第四纪松散覆盖层中，其厚度1.0～3.0 m，富水性好，地下水水位相对稳定，埋深较浅0～3.0 m，水位随降雨变化，与河水水位变化相一致。 该部分裂隙水主要受季节性降水补给影响，含水层水量不大，就地补给，就地排泄，枯水期水量变小。 场址区内观测到多处基岩风化裂隙渗水现象，是由于勘察期间雨水相对丰富，经风化带内强烈发育的网状裂隙通道形成散流渗出。 在场区东北部和中间的沟谷中均发育有多处下降泉（图3）。泉水水量受降雨影响大，勘察期间降雨前后，水流量有明显差异。

图3 泉水出露点

深层脉状裂隙水主要赋存于中风化带深部及以下的岩体裂隙中，含水层弱富水性，地下水埋藏深度不一，主要受花岗岩深部由于构造应力作用形成的构造裂隙控制， 与地表水的水力联系相对较小。 深层地下水水位相对稳定，基本不随季节降水变化。

2 渗透性原位测试与评价

2.1 物探及钻探

物探方法采用高密度电法探测（图4），高密度电法极距的设定包括供电电极距AB 和测量电极距MN 的确定。 本次勘察采用温纳测量方式，测量断面为倒梯形，测量时AM=MN=NB 为一个电极间距，A、B、M、N 逐点同时向右移动，得到第一条剖面线； 接着AM、MN、NB 增大一个电极间距，A、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。 探测结果见图5。

图4 高密度电法温纳测量方式示意图

图5 高密度电法探测成果图

2.1.1 成果分析

WT15DF 测线方位角度北偏东70°。 测线长度800 m，有效最大测深130 m，测线沿7 号主洞室轴线布置。 由测试成果可见以场地中央冲沟为界，两侧电性差异明显，西侧整体视电阻率较高，东侧视电阻率整体较低。 在冲沟处形成明显的地质界线。依据整体电性差异判定地层变化情况可见，该剖面冲沟两侧岩性整体较完整，仅在局部地区变化较为剧烈，特别是西侧岩性较完整，呈现整体高阻特性，冲沟底部视电阻率呈规律性变化。

2.1.2 成果解释

场地中央冲沟，视电阻率变化明显，且形成两侧明显的地质界线， 初步推测为F1 断层影响形成的构造裂隙发育带。 根据电性变化特征并结合地质测绘，推测断层位于沟底，断层视倾角大于70°，视倾向整体呈平直状向西侧倾斜。 该断层及断层的影响区进入洞场建设范围。 由引起低电阻因素分析，断层区形成裂隙发育，冲沟地表地势较低，在地表形成汇水区通过断层裂隙带渗入，形成低阻。 冲沟东侧山脊深部视电阻率整体相对较低，依据工程地质测绘， 冲沟东侧山脊部发育F5 断层及节理裂隙密集带，地表分布范围较宽，推测东侧山体受F5 断层影响局部岩体裂隙相对较发育，裂隙间形成渗水通道，成为区域相对低阻区；底部电阻率相对较高，较完整。

2.1.3 综合评价

WT15DF 测线成果整体反应了地层与构造发育情况，推断的断层与初步勘察、地质调查整体吻合，本次勘探对断层区及断层影响区进行了详细圈定。 F1 断层在深部影响变弱，且向西倾斜，影响宽度15～25 m。 建议在冲沟东侧山坡部位进行钻孔验证， 以揭露山坡下部低阻区地层裂隙发育情况，待钻探完成后对成果进行验证修正。

通过东侧山坡段钻孔揭露，0～110 m 深度范围内岩芯较破碎，部分岩芯照见图6。

图6 钻孔岩芯图

2.2 渗透性原位试验分析

2.2.1 试验方法及流程

根据花岗岩体渗透性研究需要， 结合压水试验、脉冲试验的渗透性适用范围（表1），参考NB/T 35113-2018《水电工程钻孔压水试验规程》选取试验段几个压力阶段的压力值。 孔内水文试验以阶梯压水试验为主，当遇到渗透性偏低的试验段，第一阶段的压水流量Q1、第二阶段的压水流量Q2 低于0.05 L/min 时，转入下一阶段的压水试验；当最大试验压力P3 保持在1.5 MPa 且压水流量Q3 低于0.05 L/min 时 （9 m 长度试验段对应的透水率q 低于3.54×10-3Lu），则终止压水试验，改做更适用于极微透水岩体的脉冲试验（图7）。

表1 钻孔水文地质试验方法汇总

图7 孔内水文试验流程

2.2.2 试验原理

压水试验的原理参见NB/T 35113-2018 《水电工程钻孔压水试验规程》。 在脉冲试验中，需要获得施加压力脉冲后，试验段水头随时间变化与岩层渗透性之间的关系。 为此提出如下3 个假设：（1）水在岩石中渗透满足达西定律；（2）所加瞬态脉冲压力对试验段岩层的微观结构产生的扰动忽略不计，即瞬态压力对岩层固有的渗透性不产生影响；（3）在试验段内，水的渗流为一维径向流动，且渗透率为各向同性。 在上述假设下，试验段附近渗流场的连续性方程、初始条件及边界条件可用以下表达式来描述：

式中：h 为试验段岩层的水头；r 为距测井中心的径向距离；S 为试验段储水系数；T 为试验段导水系数；rs为试验段测井半径；Vw为试验系统中水的体积；Cw为水的压缩系数；ρw为水的密度；g重力加速度。

对式（1）～（6）进行拉普拉斯变换处理，可得

式中：J0（u），J1（u），Y0（u），Y1（u）分别为第一类和第二类0 阶与1 阶贝塞尔函数， 对于给定的值α，可求得H/H0～β 的曲线，而对于不同的α 值，则可得到一组H/H0～β 的曲线，称之为标准曲线，当α 分别等于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时， 把求解的曲线画在单对数坐标纸上，作为图解法求解渗透率的标准曲线。

2.2.3 试验结果

根据场区场地地形， 开展孔内试验的35 个试验钻孔分为东部的19 个钻孔（XK26～XK35、XK44、XK45、XK45A、XK46～XK49、XK51、XK54）和西部的16 个 钻 孔（XK03 ～XK09、XK12 ～XK14、XK17 ～XK19、XK52、XK53、XK55），钻孔布设示位置如图8所示：

图8 钻孔布设位置及渗透性

本研究给出2 个典型试验孔的数据，具体如下：

（1）XK14 钻孔设计试验段长度为8 m，共完成17 个试验段，覆盖孔内30.15～166.15 m 孔段。 汇总XK14 钻孔压水及脉冲试验成果见表2， 该孔段压水试验居多，渗透系数相对较高，渗透性系数数量级范围为10-4～10-2，其中第1 段次（30.15～38.15 m），渗透性系数为2.054×10-2m/d， 根据GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》中岩土体渗透性分级标准，岩体渗透性等级为弱透水性，其余段为微—极微透水性。

表2 XK14 钻孔的水文试验成果

（2）XK46 钻孔累计完成15 个试验段，覆盖孔内31.17～166.17 m 孔段，其中有3 个脉冲试验段，12 组压水试验段（表3）。 通过压水试验， 查证出XK46 钻孔主要导水构造集中在121.17～130.17 m，渗透性等级达到了中等透水，76.17～85.17 m 孔段渗 透 性 等 级 为 弱 透 水；139.17 ～157.17、94.17 ～103.17 m 孔段渗透性等级为微透水。 总体上看，XK46 钻孔渗透性较强， 钻孔揭露含水构造具有较好的空间展布情况、导水性和地下水赋存条件。

表3 XK46 钻孔的水文试验成果

汇总XK03～XK09、XK12～XK14、XK17～XK19、XK26 ～XK35、XK44、XK45、XK45A、XK46 ～XK49、XK51～XK55 等35 个钻孔的孔内试验数据，編制了上述钻孔中试验段渗透系数的统计分布图（图8、图9），可知在未剔除浅部风化带且不区分岩体与构造的情况下，仍有超过75%的试验段渗透性等级可归为极微透水（k≤8.64×10-4m/d），反映了场区钻孔揭露的岩体与构造总体上低渗透性特征较为明显。

图9 场区35 个钻孔渗透系数频数分布图

3 结论

对于类似花岗岩的渗透性较低岩体，其渗透性的研究需要在结合区域地质构造和详细的地质调查基础上开展，并根据物探、钻探成果针对不同岩体质量段落分别采用压水试验或脉冲试验。 当岩体较破碎时，应采用常规的压水试验；当岩体较完整，压水试验难以得到有效的渗透系数测试数据，须采用压力脉冲试验进行渗透系数测量。

采用压力脉冲试验对低渗透性岩体的渗透系数测量，脉冲工艺控制是关键，必须依托钻孔岩芯揭示的岩体质量，采用有效的跨接式封隔器系统将脉冲试验段与其他钻孔段落有效分隔；再采用高效的高压水泵向试验段快速注水增压，通过实时记录压力随时间的衰减测定岩体的渗透系数。 该方法对于低渗透性岩体渗透系数的测定不但结果精确，而且操作方便、快捷，尤其适用于低渗透系数岩体的测试。

本研究探测实例表明， 通过压力脉冲试验得到的完整花岗岩岩体的原位渗透系数多介于10-7～10-3m/d， 与同类岩体压水试验测试资料的统计结果相比，其渗透系数值更加集中并且精度更高。