坝基挤压破碎带钻孔高压渗透变形试验研究

翦波1，2，张家生2

作者简介：翦波，男，高级工程师。

摘要：某大型水电工程重力坝坝基发育规模较大的挤压破碎带，受构造挤压作用而较破碎，主要工程性状类似于软弱夹层。由于破碎岩体物质组成及后期变化的随机性，室内小尺度渗透试验代表性往往不强。现场原位试验涉及的岩体范围较大，在一定程度上模拟了岩体的实际工作状态，可为工程处理设计提供较真实可靠的参数。本次试验研究正是采用现场大尺度的钻孔高压渗透变形试验对挤压破碎带岩体的透水性及渗透变形特性进行了研究，试验现象表明管涌是挤压破碎带渗透变形的主要形式，并在综合分析试验数据和试验现象的基础上提出了水力坡降特征值。

关键词：挤压破碎带；渗透变形；临界；极限；水力坡降中图分类号：TV543

高坝的坝基岩体，历尽多次构造运动，岩体中总会存在隐裂隙、节理或成岩过程中形成的软弱岩体。在高水头的作用下，软弱岩体可能产生裂隙张开扩展，内部物质可能发生移动冲蚀，从而改变岩体原始状态下的渗透性能。在低水头下不透水的岩体，在高压作用下往往透水甚至是变形破坏，特别是在高压作用下，岩体会发生部分的塑性变形。另一方面，软弱结构面往往具有较强的蠕变性能，在水荷载的长期作用下，其发生渗透变形的临界水力坡降会逐渐减小。在软弱岩体渗透特性的研究方面，室内小尺度试验代表性往往不强，原位试验是通常采用的主要研究手段。

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[1]。可以定性地了解地下不同部位岩体相对渗透性和裂隙发育程度，为评定岩层的完整性和透水程度、论证水工建筑物地基和库区岩层的渗透情况、地下洞室围岩稳定性以及制定相应防渗处理措施的依据之一[2]。

随着水利水电工程规模的加大,常规压水(最大水压力1.0Mpa)试验已不能满足评价岩体在高水头作用下的渗透特性和渗控措施设计的要求。从20世纪80年代后期开始，国内一些水利水电工程陆续开展了对钻孔高压压水试验研究工作，根据目前掌握的情况，国内已有十几个水利工程开展了钻孔高压压水试验工作，但成果大多限于对宏观渗透性的分析研究，对渗透变形研究的内容涉及较少。本文主要介绍某水电工程坝基挤压破碎带的高压渗透变形试验研究成果。

1工程概况

工程枢纽由混凝土重力坝、左岸坝后厂房、右岸地下厂房、船闸垂直升降船机和两岸灌溉取水口组成。最大坝高161m，坝顶长度909.26m，两岸厂房各装750MW机组，装机容量共6000MW，年发电量302.72亿kw.h。电站具有发电、航运、防洪等综合利用效益。坝址区涉及的地层有三迭系上统须家河组、三迭系中统雷口坡组、侏罗系中下统自流井组及第四系，其中在坝址区出露的基岩主要为三迭系上统须家河组的砂岩夹泥质岩石，两岸谷坡上部和左岸下游引航道边坡分布侏罗系中下统自流井组红层。三迭系中统雷口组灰岩深埋于坝基以下。

从工程左岸坝基开挖揭示坝基除发育层间破碎夹泥层外，还有缓倾角的挤压破碎带发育，挤压带主要表现为破碎夹泥，主要工程性状类似于软弱夹层。坝基挤压破碎带在上、下游水位差作用下可能产生渗透破坏，从而对坝基的渗透变形稳定和坝体抗滑稳定带来不利影响。

2试验方案设计

2.1系统的布置及试验方法

试验布置于左岸左非8坝块，加压孔与观测孔成组进行本次试验的主系统，试验系统平面布置见图1。试验布置1个加压孔，4个观测孔，其中3个为常规观测孔，另外1个为水质观测孔。常规观测孔主要用于测定渗透压力（其内安装渗压计）。观测孔④为水质观测孔，布置钻孔电视用于观测试验过程中水流携带细颗粒的变化情况，同时采取水样用于化学成分分析等。

试验采用常规压水和慢速压水法，各进行1个循环。常规压水主要模拟上游水位快速上升工况，分为0.3、0.6、1.0MPa三级，每级稳定时间20min；慢速法试验主要模拟坝基在上游水位缓慢抬升下的工作状态，起始压力0.2MPa，级差0.2MPa，最大压力2.4MPa，每级压力稳定时间180min，卸载段每级压力稳定时间120min。

2.2高压压水系统及渗压观测系统设计

高压压水系统为钻孔渗透变形试验系统重要组成部分，主要负责提供满足试验要求的压力和流量。高压压水系统由蓄水池、高压水泵组、稳压装置、流量压力记录仪器、止水栓塞组成。渗压观测系统由渗压计和数据自动采集单元组成。渗压计采用钢弦式仪器，量程大于5MPa。主要部件均采用特殊钢材制造，适合各种恶劣地质环境。数据采集采用智能测控单元（MCU），与安装数据采集软件的计算机构成智能数据测控系统。可根据工地的实际情况实现数据时时观测、离线采集、脱机分析等多种功能。

3软弱夹层渗透变形机理

从岩体力学角度分析，对于一般的裂隙岩体，高压水直接进入岩体裂隙中，只要内水压力高于岩体初始应力，裂隙就会发生扩张，从而产生水力劈裂[3]。由于挤压破碎带成因和构造的复杂性，其物质组成较为复杂。从现场岩芯情况看，挤压破碎带的主要物质是破碎夹泥，破碎带的物质既有非粘性土也有粘性土，因此挤压破碎带的渗透变形机理有别于一般裂隙岩体。有关研究资料表明，软弱夹层的渗透变形与一般土体相同，在渗透作用下，挤压破碎带渗透变形一般不会表现为水力劈裂，而往往是由于细颗粒受渗透力拖拽被带走（管涌）而引起的岩体渗透性不断增大。一般而言，岩土体渗透变形有发展性的渗透变形与非发展性的渗透变形之分，渗透变形发生了并不一定发展，只有发展的渗透变形（渗透破坏）才是危险的。所谓发展的渗透变形，较为普遍的看法认为当渗透变形发生后，土体的颗粒不断被渗透水流带出，且不断向内部及薄弱部位发展，最后形成完整的通道，导致土体破坏[4]。

在原位试验中，渗流场某点有细颗粒开始移动，且为渗流带出，这种现象以后继续发展，就是说渗透变形是发展的，此点就是渗透破坏的起点，视为临界点，此时的水力坡降就是渗透变形的临界坡降。这种现象在P～Q曲线上表现可能不明显，须结合试验现象综合判断。当随着水压力（水力坡降）的增大，渗透变形如果继续发展最终会导致土体破坏，主要表现是流量突然增大，细颗粒大量被带出。此时的水力坡降可认为是极限水力坡降。

3试验成果及分析

4.1微观分析成果

对挤压破碎带物质化学成分、矿物成分及水质化学成分进行了取样分析。

水质分析成果表明试验供水及试验出水的PH值呈微酸性，流过破碎带的出水的PH值几无变化。试验出水中的K++Na+、Ca2+的含量大幅增加，反映出渗水与挤压破碎带物质发生离子交代作用，破碎带中大量的金属离子被交代到渗水中，但考虑到挤压破碎带中MgO、Na2O、K2O等化学成分含量较少，因此，渗水对破碎带的化学潜蚀作用不强，在分析渗透变形特征时重点在于渗水的机械潜蚀作用。

岩石光性分析鉴定结果表明，挤压破碎带岩石矿物成分主要由石英、绢云母（两者含量总和达到了71％）构成，挤压带岩石具有碎粒结构、块状构造。因此，在渗流作用下，可忽略岩石本身的透水性。

4.2渗透性分析

图3、图4分别为常规压水和慢速法试验的压力与流量关系曲线，P～Q曲线基本符合冲蚀型曲线特点。慢速法流量压力曲线明显分为3个阶段。第1段：试验压力P＜1.2MPa，平均流量Q＜110L/min，P～Q曲线表现出一定的线性关系；第2段：试验压力P=1.2～1.4MPa，平均流量Q=110～130L/min，岩体渗水量加大，有渗透变形破坏的趋势；第3段：试验压力P=1.4～2.4MPa，平均流量Q=130～180L/min，透水性逐渐减小，线性关系明显。

根据《水利水电工程钻孔压水试验规程》(DL/T5332-2005),各压力阶段的试段透水率采用压力值(P)和流量值(Q)按下式计算：

（1）式中:q——试段的透水率，Lu；L——试段长度，m；Q——流量，L/min；P——试段压力，MPa。

试验透水率与压力关系曲线见图5，随着压力的增大，岩体的透水率开始阶段随之增加，但当水压力进一步增大时，岩体的透水率逐渐减小。

通过对钻孔渗水试验资料的整理分析，可由理论公式确定介质的渗透系数。当满足一定条件，可采用以下公式计算渗透系数：

（2)式中：K——岩体渗透系数，m/d；Q——压入流量，m3/d；H——试验水头，m；L——试段长度，m；r0——钻孔半径，m。

经过计算，采用上述公式估算所得挤压破碎带渗透系数为4×10-4～6×10-4cm/s。根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99)附录J岩土渗透性分级标准，该工程挤压破破碎带满足49.6<q<124.98，10-4<K<10-2，属于中等透水到强透水地层。

4.3渗透变形分析

当挤压破碎带中产生渗流时，颗粒会受到渗透力的作用，当单元取得足够小时，作用在单元单位体积上的渗透力可用下式计算：

（3）式中：——渗透力，kPa；——水的重度，KN/m3；——水力坡降。

由上式可见，当破碎带中某一点的水力坡降达到临界坡降时，细颗粒将被带走，岩体的渗透性将增大，如果水力坡降不断增大，最终发生渗透破坏使岩体失去水力承载能力。细颗粒被带走也使致密的岩体结构变得疏松，力学性能也将随之降低。

前面的P～Q曲线已表明当压力P为1.2MPa时，曲线斜率发生明显变化，渗透变形开始产生；从试验现象看，此时观测孔④中钻孔电视发现有黄色细颗粒被带走，水样中的含泥量骤增（图6），因此，综合P～Q曲线特征值和试验现象可认为1.2Mpa为挤压破碎带渗透破坏的临界压力，计算所得临界水力坡降为17.5。当主压力P为2.2MPa时，钻孔电视监测到大量的细颗粒的出现（见图7）。因此，此时的水力坡降可认为是挤压破碎带的极限水力坡降，经过计算，极限水力坡降为38.25。

透水率、渗透系数的计算成果与试验的P～Q曲线特征是一致的：在低压阶段，挤压破碎带的渗透性随压力增大而增强，随着压力的继续增加，透水性有减弱的趋势。这和试验观测到的现象在一定程度上是矛盾的。一般认为，当渗透变形产生后，细颗粒不断被水流带走，渗透性应该是愈来愈大，对应的流量值也应该是愈来愈大。但岩体中的实际水力梯度和抗渗参数分布往往是随机的，渗透变形首先在岩体中的局部产生，然后逐渐扩展，有时这种微小变化对反映岩体宏观渗透性的P～Q曲线影响甚微。在普遍情况下，压水试验中流量Q表示的是整个渗流场的综合渗流情况，在无法准确观测到局部区域的流量变化情况下，P～Q曲线一般无法成为渗透变形判断的直接依据，往往需要结合试验现象来分析判断。

4.4渗透蠕变性

图8反映的是各级压力下渗透量的变化情况，从图中可以看出同级压力下渗透量基本稳定，在目前的试验压力和加载时间的条件下，挤压破碎带的渗透蠕变特性不明显。一般来说，压力升高到一水平后，挤压破碎带内局部的细小颗粒就开始产生移动，直到最终形成渗流通道而破坏，但只要岩土体的骨架作用没有被破坏，其渗流性态在稳压条件下仍可保持一定的稳定性，但这种稳定性是相对的，与水压力大小、持续时间、以及岩土体物质特性密切相关。相关研究资料表明，长期水压力作用下岩体具有蠕变性能,当作用于相应部位的岩体的水压力接近其临界值时,就可能出现渗透失稳现象即流量随时间而增大的现象。显然,高水头作用的时间越长,导致渗透失稳的水压力值会逐渐趋于减小[5]。因此，本次试验研究虽然尽量模拟了电站长期蓄水的工作条件，考虑到挤压带中泥质含量较高，其渗透蠕变性仍是设计和监测工作中不可忽视的一个问题。目前，国内部分研究机构开始采用长期荷载下的应力渗流耦合三轴试验来研究软弱岩体的渗透蠕变特性，并取得了一定的研究成果。

5结语

在大型水电工程建设中，采用大尺度的原位试验来进行软弱岩体的渗透特性研究越来越受到重视，正确认识试验成果反映的各种物理现象，对全面掌握该类岩体的渗透变形特性至关重要。通过本次试验研究，得到以下几点认识：

①该工程挤压破碎带渗透变形的主要类型为管涌，与一般软弱夹层的渗透变形特征一致。②由于挤压破碎带延伸长，物质组成变化大，加上水动力条件非常复杂，影响挤压破碎带产生渗透变形破坏的因素很多。因此，直接采用P～Q曲线来判断渗透变形特征值是非常困难的，结合试验现象综合分析判断，可起到很好的效果。③在水荷载的时间效应和变化效应的积累下，挤压破碎带的临界水力坡降有可能降低。现场原位试验难以模拟这些效应条件，采用室内长期荷载下的应力渗流耦合三轴试验可为该方面的研究工作提供帮助。

参考文献：

[1]张世殊.溪洛渡水电站坝基岩体钻孔常规压水与高压压水试验成比较[J].岩石力学与工程学报,2002,21(3):385-387．

[2]魏宁.钻孔高压压水试验的模拟[J].岩石力学与工程学报.2006,25(5):1037-1038.

[3]蒋中明.高压引水隧洞陡倾角断层岩体高压压水试验研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(11):1037-1038.

[4]李文斌.岩体软弱夹层渗透变形的试验研究[J].水利学报,1984(3):47-53.

[5]刘燕锋.某抽水蓄能电站高压渗透试验分析[J].勘察科学技术,2006(3):18-21.