1、压水试验揭露的碳酸盐岩地层透水性规律研究摘 要关于压水试验，现有的研究已有很多，岩溶地区的渗透机理不同于常规基岩裂隙，存在较为强烈的溶蚀性，以往的研究分析都是分析压水试验与广义性的基岩裂隙渗透性之间关系。本文主要针对岩溶基岩裂隙地区，以陕西东庄水库所在的发育微弱的碳酸盐岩为典型研究区，利用该区压水试验数据研究修筑水力工程时，岩溶发育微弱的碳酸岩地层透水性规律。 关键词压水试验 渗透结构 白云岩与灰岩 AbstractAbout the seepage pressure well test，there is a lot of researches on it， which mainly aim
2、at generalized fractured rock mass and often analysis the permeability between the seepage pressure well test and generalized fractured rock mass. However， karsts geology is different from the generalized fractured rock mass because it exists corrosion features. So that fractures often are affected
3、by corrosion. Here this essay will take Dongzhuang reservoir as an example to inllustrate the permeability rule in in carbonate rocks which has weak karst. Key wordsthe seepage pressure test seepage structure dolomite and limestone 中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）22-0243-02 1.绪论 目前，抽水试验是确
4、定含水层水文地质参数最常用的方法，但对于裂隙岩体，压水试验仍然是国内确定渗透性的主要原位试验方法，压水试验的透水率能较好的反映裂隙岩体的渗透性，也是目前非常有效的方法。这主要因为裂隙岩体水流特征具有不连续性，非均质性，各项异性显著的特征，而抽水试验获取渗透系数是基于一定的较为理想的假设条件的，裂隙岩体的渗流特征的复杂性不符合其理想假设的条件。 压水试验是以透水率来表征裂隙岩体的渗透性，田开明等在裂隙岩体渗透张量的各向异性研究中一书中指出渗透系数是速度型的表征参数，透水率就是体积型的表征参数。渗透系数 k 称为水力传导系数，物理意义是渗透水力梯度为 1 时的渗流速度，单位为 m/d。单位吸水率
5、q是指单位时间向单位长度的裂隙岩体施加单位压力时压入的水量，单位L/min。 吕荣值（单位 Lu）是吕荣试验的最终结果，它也是 10 个大气压作用下的透水率，1Lu=100q。 早在 1995 年，由万力和胡伏生发表了利用三段压水试验确定裂隙渗透性和等效水力隙宽的方法。2000 年，他们用回归分析法给出了裂隙宽度随深度的变化规律公式，探讨了壳状渗透结构和矿坑涌水量二者分别随深度的衰减关系，为矿山深部降水提供了理论依据。同年，胡伏生提议将基岩地下水划分为简单渗透结构的复合体分析其透水性。2012 年张飞、徐广黎等人将裂隙岩体的基本渗透结构类型就工程地质常见情况进行了总结，并认识到结构面是裂隙岩体
6、渗流的先决条件。2012.3 倪绍虎、何世海等分析出裂隙的高压渗透性主要受应力的赋存环境和水力劈裂压力影响，本身处于低应力水平的岩体，在高压作用下，有效应力降低，裂隙开度增大，发生劈裂破坏，填充物随水流走，渗透性增强。2008 年，蒋小伟基于裂隙岩块中大裂隙导水、小裂隙储水的双重裂隙系统，提出了用粗分辨率的压水试验数据取大值平均的方法来研究渗透率和深度的关系，排除了裂隙被胶结充填或不含裂隙等因素对岩体渗透性的影响。岩体中裂隙分布并不均匀，垂直钻孔中的压水试验几乎完全受水平透水率影响，2011 年温森、赵丽敏等将压水试验测得的岩体水平透水率通过一个转换系数转化为岩体垂直透水率，转化系数通过平硐裂
7、隙测量得到，进而用于深埋隧道涌水风险研究。岩体表层裂隙的形成主要和风化营力相关，深层的裂隙主要和地应力作用相关。2005 年刘建军、何翔利用压水试验数据将吸水率转换为渗透系数，说明了裂隙岩体渗透系数和有效应力（地应力）之间的关系。2009 年，王旭升提到，在大断裂带的普通压水试验中，存在非稳定流渗流，并根据压水试验压水孔特点，建立了单组裂隙的非稳定渗流公式。并详细的介绍了裂隙岩体中应变渗透耦合效应：裂隙的宽度变化引起裂隙水透水能力的变化，而裂隙透水性的变化又会影响到裂隙水压力变化，改变裂隙岩体的有效应力状态。还讨论了压水试验所得到的透水率并非岩体的水平渗透系数，还受岩体的垂向渗透系数影响，归因
8、于岩体裂隙之间存在串流。2013 年黄勇、周志芳等人提出了高压条件的岩体防渗结束标准。近年来，高压压水试验和普通压水试验对比发现，同一试段，高压压水试验计算的渗透率反而比普通压水试验计算的结果小，从而提出了“高压单位吸水率”概念，这对于不同高水头的水电工程，其注浆防渗深度应考虑到设计水头。 2.泾河东庄水库位于陕西省礼泉县与淳华县交界的泾河峡谷段 水库选址区存在碳酸岩溶地段，普遍分布奥陶系的白云岩和石灰岩地层，水库建成后，恐发生岩溶渗漏，先后在在坝区布置了压水试验点共 41 处，分别分布在坝区的左岸、右岸（面对水库下游，左侧为左岸，右侧为右岸）及河床处，河床处分布压水试验 9 处，其中高压压水
9、试验有 6 处。下面是选取了具有典型特征的压水实验数据进行分析。 （1）微弱岩溶发育的碳酸盐地区主要存在两种渗透结构：壳状渗透结构、层状渗透结构。 A.壳状渗透结构。表层主要受风化应力控制，风化裂隙，卸荷裂隙发育，随其深度增加转为地应力控制为主，裂隙逐渐闭合，其渗透水率随深度逐渐衰减，多呈现壳状渗透结构，如图2 左在地表高程 650m-800m 之间透水率衰减速率较大，在 650m 以下吕荣值皆在 0-5 之间。压水试验点主要分布在坝址区左右坝肩处及库区东侧；左右岸相比，壳状渗透结构多分布在左岸。左岸裂隙发育较强，渗透性较大。所以在帷幕防渗时应侧重考虑左岸。 B.层状渗透结构。层状渗透结构的压
10、水试验分布位置及数据特征见图 3，整体上压水试验吕荣值 Lu 值小于 5，随深度变化很小，透水性本身不大，在 Lu 值等于 3 附近波动，说明这些试验点的风化应力微弱，整体上受地应力控制，存在典型单元透水性值，该坝区的典型单元透水性值为 3。这类型的点多分布在河床及坝区右岸，反映出坝区右侧较坝区左侧地势平缓，相对风化作用微弱。但是局部试段透水性有突变，突变 Lu值大于 5 甚至大于 10，有些是渐变透水性增强（弱突变） ，有些值突然变得很大，说明存在溶隙或溶洞。 （2）相比普通压水试验，高压压水试验能更明显的揭露漏水地段。东庄水库的 6 个高压压水试验点主要布置在泾河沿线，以控制揭露河床下部的
11、地层结构，同时在坝址区附近还分布有 3 个普通压水试验点，见图 4。普通压水试验埋深 550m 以下数据变化幅度小于 2 个 lu 值，相比普通压水试验，高压压水试验在河床底积层（约埋深 550-520m）以下 lu 值整体明显增大，lu 值在 10 左右波动。说明高压加大了河水和地下水之间的水力联系，引起了下部碳酸盐岩裂隙较强烈发育。 从图 4 中也能看出，在高压压水试验中处于坝基附近的 zk414 、zk415 较其他压水试验数据在河床下方高程 450m-500m 表现出 lu 值增幅大，由此推测，在坝基处河床下方极有可能存在较大的渗漏量。东庄水库防渗设计中利用地下水数值模拟软件 gms
12、对可能存在的渗流情况进行了假设和预测，在坝址防渗（幕底高程 380m） ，左、右岸 C 区防渗（幕底高程 520m） 及左岸 A 区防渗（幕底高程 480m） 的情况下最终预测的坝区流场结果如图 5： 预测结果 C 区坝基渗漏量为 7926.8m3/d，渗漏量最大；此外的右坝肩渗漏量 2922.2m3/d，左坝肩的渗漏量为 1468.1m3/d；C 区除坝基、坝肩外两岸总渗漏量为 3321.5m3/d；A 区老龙山断层及其影响带左岸地下水位高于河水位，无侧向渗漏，右岸渗漏量 884.1m3/d。由此预测出坝基河床下方渗漏量最大，与压水试验数据分析反应一致。 （3）白云岩区，灰岩区压水试验数据的
13、表现特征分析。在高压压水试验中 zk451、zk452 、zk453、zk454 所揭露的岩层都位于白云岩韵律段，为白云岩、灰岩及泥岩互层；zk414 zk415 位于库首灰岩区。 图 6 是显示的是白云岩和灰岩在高压压水试验中吕荣值随高程的分布，点位置分布见图 4。从图 6 中可以看出在表层间歇性受地下水侵蚀的岩层，白云岩韵律带的压水试验值明显较灰岩带的 lu 值高，说明地表间断受水力风化营力影响的地区，白云岩分化裂隙程度较灰岩强烈，这一点在钻孔裂隙溶孔中也有体现。此外，在高程 500m 以下，库首灰岩区的压水试验值明显高于白云岩区的压水试验 lu 值，而高程 500m 以下是地下水长期持续
14、侵蚀作用带，说明，地下水对灰岩的侵蚀程度高于白云岩。3.结论 微弱发育的碳酸盐地区存在两种渗透结构：壳状渗透结构和层状渗透结构。壳状渗透结构多分布于地下水水力梯度较大，流动较快的地区，裂隙发育较强烈；层状渗透结构中较大的吕荣值显示存在溶洞或溶隙。河床高压压水试验揭露出在坝址位置是地下水渗漏强烈地段。受地下水长期侵蚀的地区，灰岩的裂隙发育程度高于白云岩，而受地下水间歇侵蚀的地表区域，白云岩受各种风化侵蚀破坏甚于灰岩。 参考文献 1 张飞，徐光黎等.裂隙岩体渗透结构类型分析J.工程地质学报.2012.20（2）. 2 胡伏生，万力.2000.岩溶裂隙介质的壳状渗透结构与矿山排水.水文地质工程地质.
15、 3 倪绍虎，何世海等.裂隙岩体高压渗透性研究J.岩石力学和工程学报.2013.32（增 2）. 4 徐维胜，赵培荣等.2008.石灰岩、白云岩储层孔隙度-渗透率关系研究J.石油与天然气地质，29（6）. 5 田开铭，万力.各向异性裂隙介质渗透性的研究与评价.1989. 6 蒋小伟，万力，胡晓农.基于压水试验的砂泥岩裂隙岩体渗透结构分析J.自然科学进展.2008.18（3）. 7 胡伏生，杜强等.2000.岩体渗透结构和矿坑涌水强度关系.长春科技大学学报.30（2）. 8 刘敬莲，张涤等.1999.坝基岩石渗漏水泥帷幕注浆.黑龙江水利科技.（第 2 期）. 9 李清波，闫长斌等.2009.岩体渗透结构类型的划分及渗透特性研究.工程地质学报.17（4）. 10 周创兵，熊文林.1996.论岩体的渗透性.工程地质学报.4（2）. 11 黄勇，周志芳等.2013.基于高压压水试验的岩体透水率变化研究J.工程地质学报，21（6）. 作者简介 汪琪，1988.11.1，女，汉，新疆，硕士研究生，研究方向：流域水文数值模型与地理信息系统。
