东津水库坝肩岩体压水试验渗透系数分析

胡代钊

（江西省建洪工程监理咨询有限公司，南昌 330095）

0 引 言

渗透系数的确定是渗流分析及控制的基础，对于水利水电工程而言，渗透系数的取值直接影响渗流计算精度，如果取值不当，必将影响分析结果的准确性和渗流控制方案的可靠性。《岩土工程勘察规范GB50021-2009》及《土工试验方法标准GB/T 50123-2019》中均明确了室内试验和现场试验在岩土体渗透系数确定中的重要地位，并给出室内渗透试验、注水试验、抽水试验、压水试验等可行的试验方法。其中，钻孔压水试验在水利水电工程大坝岩体透水性测定、岩体渗透性能评价、工程防渗控制措施制定等方面应用较为广泛。根据相关规范，钻孔压水试验过程应根据钻孔深度由上至下借助单栓塞方式隔离并分段进行，而对于孔壁稳定性及岩石完整性良好的孔段，可通过双栓塞分段后进行；试验段长度根据实际情况确定。钻孔压水试验是确定岩体渗透系数的重要方式，但当前压水试验相关的分析方法并不完善；且对于岩溶洞穴、裂隙密集、断层破碎等特殊地段，因岩体渗透性较大，所需注水量也较多，按照现行规范所要求的不变的冲水压力展开试验，也无法取得较好的试验效果。为此，文章依托地质条件复杂的东津水库工程，针对钻孔压水试验过程及坝肩岩体渗透系数取值展开非稳定渗流拟合分析。

1 工程概况

东津水库为大型水库，位于修水县马坳镇境内，所在水系属修河干流东津水，水库坝址座落在东津水上游河段上的马坳镇的黄溪村，距修水县城36km。东津水库坝址以上控制流域面积1084km2，年平均径流量9.52×108m³，年平均流量30.2m³/s，水库总库容79500×104m³，水库调节库容38600×104m³，库容系数40.5%，属多年调节水库。坝址处多年平均流量为30.8m³/s，多年平均径流深898.7mm。

水库库区地层按照沉积韵律可划分成7 层，其中第4~6 层出露，以中厚砂岩、石英砂岩互层为主，且表面风化破碎严重。水库大坝为明显的西北向构造，在后期旋卷构造的作用下单斜构造特征明显，左右岸分别为反向坡和顺向坡，倾角平缓，并在走向及倾向上均表现出缓和的起伏，褶皱、断裂及裂隙均发育，且断裂构造主要呈压性。坝址区河谷呈U 形，且以河漫滩为主，两岸岸坡陡峭，河谷分布厚度较大、透水性强的中密~密实性砂砾卵石层，岩体裂隙较为发育且互层之间频繁错动。根据坝基开挖结果，岩体中存在一处60m 宽的陡峭倾角破碎岩带，其间岩体因挤压而破碎，断层及褶皱发育，具有极强的透水性。这一断裂带同时也成为东津水库坝体坝基中最严重的渗漏通道，也是造成帷幕灌浆加固体失效的主要原因。

水库左坝肩山体以灰白色含砾石英砂和紫红色粉砂岩互层为主，基岩裸露，且坡面散落0.5~2.8m厚的强风化坡积碎石，边坡岩体破碎，表现出强烈的卸荷倾向。坝肩和下游表层岩体以结构松散、局部架空的倾倒体为主，左坝肩透水带厚度至少在30m 以上。在自然状态下，基岩裂隙水位与竹坪河持平，且径流畅通，绕渗问题较为突出。右坝肩岩性基本与左坝肩一致，为水平层状边坡结构，在坝轴线以下250m 处存在深切且与坡面交角29°的河沟，造成右坝肩山体削弱单薄，在正常蓄水位下渗径最小仅为165m；此外，右坝肩岩体同样表现出强烈的风化卸荷，因岸顶存在大厚度强风化卸荷带，故基岩裂隙水位基本与所在流域水位持平。此外，水库右坝肩因梁体单薄，岩体破碎，故绕渗严重。

东津水库库区属于亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季低温少雨，年降水量均值为1108mm，地表水系以修河及竹坪河为主，河流流量在0.2~0.4m³/s 之间，暴雨后流量激增至10~20m³/s。水系分布情况主要受构造控制，且地表水和地下水之间存在密切联系。上游河段河槽基岩裸露，两岸基岩裂隙水补给河水；夏季随着气温的持续上升，地表径流减少，河流表现出间断分布态势，下游河段河流则持续向地下潜流转化，地表径流进一步减少。遭遇降雨后，基本干涸的断流便会得到充足的补给。

流域地下水包括河谷第四系空隙潜水和基岩裂隙水两种，前者赋存于河谷冲积沙砾卵石内，并以两岸基岩裂隙水和河谷水为主要补给来源；后者则赋存于河床基岩裂隙及河谷两岸，以大气降水为补给来源。因岩体裂隙发育，径流通畅，透水良好，水力坡度平缓，所以坝址区两岸基岩裂隙水位基本与河流水位持平。

2 压水试验

2.1 试验准备

结合东津水库地质条件，左右坝肩地质构造及岩性基本一致，为得到坝肩岩体渗透系数取值，必须进行压水试验。考虑到右岸溢洪道边坡存在潜在的滑坡风险，故在左坝肩展开压水试验，具体而言，采用XY-1 型油压钻机和金刚石钻具在水库左岸坝轴线处打设孔径91mm 的压水试验孔，采用气压式止水栓塞以及出水均匀、压力稳定的水泵，将容积至少为5L 的空气室安装在水泵出口，从而在1.0MPa的设计压力下将流量控制在100L/min 左右。此外，还应配备反应灵敏的压力表、压力传感器及流量计，压力传感器压力范围应高出试验压力，流量计应能在1.5MPa 压力及与水泵出力相匹配的范围内正常工作。

2.2 试验过程及结果

由于岩体较为破碎，故钻孔后出现卡钻和掉钻，调整和变更钻孔孔位后成功钻孔16m 深并取芯样。钻孔结束后通过压水法冲孔，将钻具下放至孔底，并将水泵出水量调节至最大，在冲孔过程中观察孔口回水，直到回水清澈且无岩粉流出为止。

冲孔及清孔完成后展开分段压水试验。结合芯样观察结果，分别在孔深8m、12m 和16m 处进行测试。测试前隔离试验段，并在压水试验设备中安装栓塞，检查工作管；此后开启调节阀，向试验段送水，待达到设计压力后按要求持压，持压期间按照1~2min 的时间间隔进行水流量观测，当流量无明显增大且5 次读数中最大最小压力值之差比最终值的10%小，则由压力传感器自动记录该时刻流量和试验段压力值，并自动计算对应的岩体透水率[1]。

因该水库左岸坝肩岩体较为破碎，渗透系数大，且试验结果缺乏稳定性，即使将试验段长度缩短至1.5m，或使水泵达到100L/min 的最大供水能力，均无法维持试验段稳定，故压水试验孔中压力值始终取零，实际岩体透水率远远超出试验设备可检测范围。钻孔深度分别为8m、12m、16m时孔内水位变化情况详见图1。由图中试验结果可知，当钻孔深度为8m 时，时间从0s 增大至16s，水位从1833.15m 降至1832.2m；当钻孔深度为12m时，时间从0s 增大至90s，水位从1838.0m 降至1831.0m；当钻孔深度为16m 时，时间从0s 增大至19s，水位从1824.02m 降至1823.84m。

图1 试验孔内水位变化趋势

3 渗透系数的计算及分析

在单孔压水试验中，通过栓塞将钻孔隔离为一定长度的孔段，向孔段内压水后根据流量-压力关系确定孔段岩体渗透特性，并通过下式计算渗透系数[2]：

式中：K为渗透系数，m/s；Q为压水流量，m³/s；H为试验水头，m；L为压水段实际长度，m；r为压水试验钻孔半径，m。

应用式（1）计算出各试验段渗透系数的基础上，根据下式进行钻孔周围岩体等效渗透系数的确定：

式中：Kw为钻孔周围岩体等效渗透系数，m/s；Ki为各试验段渗透系数，i=1,2,…,n。

在东津水库坝肩岩体压水试验中只得出试验孔内水位随时间的变化趋势，并未得出符合试验规程的试验压力与流量曲线，故无法采用上述常规方法准确测算试压压力-流量曲线类型及透水率[3]。为此，必须通过反演拟合分析，进行岩体渗透系数值的确定。

3.1 模型构建

模型范围及边界根据一般渗流分析原则确定，考虑到东津水库坝肩岩体压水试验计算域为轴对称，故针对8m、12m、16m 等孔深，均选择总结构的1/4 构建有限元模型，模型长10m，宽10m，高依次取20m、24m、28m。在模型一角设置孔径91mm 的圆孔，并按照有限元法剖分后构建起三维网络。其中，孔深8m 的坝肩压水试验有限元网格单元和结点分别为6544 个和7845 个。

非稳定渗流边界类型包括不透水边界、出渗边界和已知水头边界等。其中，不透水边界主要指x、y均取零的截取边界和模型底面；出渗边界则指上下游水位线以上的模型表面；已知水头边界则指地下水位及钻孔孔壁截取边界。考虑到此次压水试验主要针对非稳定渗流情况，钻孔水位随时间推移而呈变化趋势[4]。

3.2 拟合结果

采用可变容差法将该水库坝肩岩体渗透系数初始范围拟定为1.0×10-7~1.0×10-3m/s，在拟合分析的过程中，必须将各时段钻孔孔壁四周岩体渗透流量反演值和实测值之间的误差控制在10%以内[5]。根据非稳定渗流三维有限元分析结果，不同钻孔深度下坝肩岩体渗透系数拟合结果见表1。根据表中结果，东津水库坝址区左岸山体坝轴线内侧地面以下0~8m、8~12m 和12~16m 段岩体实际渗透系数取值较为接近，这也与地勘资料所揭露的左坝肩山体破碎，岩体透水性强的结论基本一致。

在分析12m 钻孔深度下坝肩岩体渗透系数时，0~8m段岩体渗透系数按照已得到的渗透系数取值，故仅进行8~12m 钻孔深度下岩体渗透系数拟合，此后采用类似的处理，最终得到的不同钻孔深度下渗流流量拟合值和实测值的对比见图2。

图2 渗流流量拟合值和实测值的对比

由图中分析结果可以看出，不同钻孔深度下流量变化拟合结果和实测值吻合度较高，说明非稳定渗流场拟合结果能较好体现压水试验渗流场变化，所得出的渗透系数值也能较好反应东津水库坝肩岩体实际透水程度。

4 结 论

综上所述，东津水库坝址区水文地质条件较复杂，岩体裂隙发育，且透水性较强，无法通过常规现场压水试验确定坝肩岩体渗透系数，也无法采用规范所给出的常规方法准确测算试压压力-流量曲线类型及透水率。文章所采取的岩体渗透系数值的反演拟合分析有效解决了以上难题，构建起不同孔深下钻孔压水试验有限元模型，对不同钻孔深度非稳定渗流场展开反演分析，所得出的不同孔段岩体渗透系数以及渗流量随时间变动的过程趋势完全符合工程实际。文章所采取的研究方法和分析过程对于水文地质条件复杂、岩体渗透性强，钻孔压水试验过程中孔内压力无法稳定维持的水利工程坝体坝肩岩体渗透系数反演分析较为适用。