高倾角裂隙岩体渗透张量确定方法探讨

高倾角裂隙岩体渗透张量确定方法探讨
李文雅;刘建磊
【摘要】针对高倾角裂隙岩体的特点,以及渗透张量计算参数统计方法上存在的不足,利用钻孔电视成像技术进行裂隙统计,建立裂隙介质模型,并提出利用针对性更强的斜孔压水试验成果来修正渗透张量的新方法.运用该方法对某水利工程坝址区裂隙岩体渗透张量进行了实例测量计算,结果表明,相对于传统的垂直孔压水试验,新方法更具说服力和准确性,具有较强的工程实用价值.
【期刊名称】《人民长江》
【年(卷),期】2014(045)001
【总页数】4页(P53-56)
【关键词】斜孔压水试验;钻孔成像;渗透张量;高倾角裂隙岩体
【作者】李文雅;刘建磊
【作者单位】黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003;黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003
【正文语种】中文
【中图分类】P642
由于裂隙岩体裂隙发育的不确定性和产状的未知性，在传统的实验方法中，如何准确评价裂隙岩体的渗透性一直是困扰工程界的难题。

目前裂隙渗透张量的确定主要有3种方法［1］:① 野外几何测量方法;② 野外抽(压)水试验方法;③数学模型反演
求解方法。

第1种方法是基于岩体裂隙的几何测量值，用统计学方法计算岩体的渗透系数张量。

该方法简单实用，但计算结果相对粗糙。

第2种方法是基于解析解方法，运用野外单孔压水、三段压水试验及抽水试验等资料，确定岩体渗透系数张量，虽然用该方法确定的岩体渗透系数相对较准确，但耗资量大。

第3种方法是运用地下水动态信息，用建立的数学模型来反演求参数，该方法的准确性依赖于动态数据的可靠性及模型选择的合理性，在研究区地下水位观测资料相对较少的情况下，其准确性很难保证。

传统的渗透张量计算方法大都是在地表裂隙统计的基础上得出的，同时经过垂直孔压水试验结果进行矫正［2］。

马峰提出用钻孔成像提取裂隙发育产状隙宽等渗透张量参数，计算基岩的渗透张量，并在钻孔的浅层和深层误差较大地段采用钻孔压水试验分别矫正的方法［3］。

以上几种方法的共同点都是采用更精准的统计方法获得裂隙岩体的渗透张量，并且误差较大地段采用垂直孔压水试验来矫正。

然而，在高倾角裂隙发育的基岩地区，垂直孔的压水试验值与该钻孔所揭露的裂隙条数有密切关系，具有很大的随机性和不确定性。

某大型水利枢纽坝址区的巨厚层砂岩中高倾角裂隙发育，裂隙发育的随机性，使垂直孔压水试验不能满足要求，因此有计划地针对裂隙发育走向和倾向布置了垂直于裂隙倾向的斜孔压水试验。

本文以该工程为实例，结合渗透张量理论，采用钻孔电视成像技术对该斜孔地区裂隙岩体的非均质各向异性进行分析，并运用斜孔压水试验值对渗透张量加以修正，使裂隙岩体的渗透张量更能反映真实的岩体渗透性。

1 斜孔压水试验确定渗透性
对于高倾角裂隙发育的岩体，钻进方向应该倾斜，尽量垂直于裂隙发育的方向，尽可能的多揭露裂隙，这样的斜孔压水试验才能更好地反映真实裂隙岩体的渗透性［4］。

做一个简单的分析，垂直孔压水试验是将5 m长的试段作为一个试验单位，如果该试验段发育一裂隙，倾角为80°，则根据计算，其在地面上的水平投影仅有
0.88 m，即在2 m范围内遇到此裂隙的概率为44%，如果裂隙间距为2 m，铅直孔只有布置在这0.88 m的范围、5 m深度内才能遇到此裂隙。

如果垂直钻孔布置在没有裂隙水平投影的1.12 m范围内，钻孔不揭露任何裂隙，该试段的透水率(lu 值)明显降低，可以认为该段为不透水的岩体。

如果以70°的斜孔进行压水试验，该斜孔5 m深的压水试验段在地面的水平投影长度为1.82 m，如果裂隙间距为2 m，那么在2 m范围内遇到此裂隙的概率为91%，如图1所示。

同样的地质条件下，铅直孔遇到裂隙的几率为44%，而采用斜孔压水试验，遇到陡倾角裂隙的概率为91%。

因此，斜孔压水试验值更能真实地反映裂隙岩体的透水性［5］。

图1 垂直孔与斜孔穿越裂隙情况示意
采用野外斜孔压水试验资料计算裂隙岩体的渗透性，计算方法和原理与垂直孔压水试验值的计算方法相同。

岩体透水率q(Lu)与单位吸水量ω的关系为:ω =0.01q，当q＜10 Lu，并且压水试验结果P－Q曲线为A(层流)型时，可根据巴布什金公式近似计算岩体的渗透系数K值［6］
式中，K为渗透系数，m/d;Q为单位吸水量，L/(min·m2);L为试验段长度，m;H 为实验水头，m;r0为钻孔半径，m。

单孔压水试验资料求得的等效渗透系数为［7］:
式中，kω为平均渗透系数;ki(i=1，2，…，n)分别为各试段的计算结果。

2 统计方法确定渗透张量
2.1 裂隙岩体渗透张量的计算
裂隙介质的渗透性几乎全部取决于裂隙系统的渗透空间结构，因此在研究裂隙介质基本渗流特征过程时，只需要建立单纯裂隙的介质模型［8］。

渗透张量的概念首
先是Snow以单裂隙中地下水运动的立方定律为基础提出的［9］，他考虑了岩体中裂隙的展布方位、倾向倾角、隙宽、隙间距等几何要素，提出了渗透率张量(permeability tensor)的概念和运用裂隙的几何要素的测量值计算裂隙渗透率张量的方法。

渗透张量可以按照以下步骤和公式计算。

计算每组裂隙的法向单位矢量，已知第i组裂隙的倾向αi、倾角βi，空间中的直
角坐标系定义为:X轴对应正北方向，Z轴垂直向上，整个坐标系为右手系，如第i
组裂隙的单位矢量定义为
则矢量的3个分量与裂隙产状的关系为
第i组裂隙的渗透张量按照下式计算
式中为第i组裂隙渗透张量，cm/s;g为重力加速度，cm/s2;bi为第i组裂隙隙宽，cm;v为水运动粘滞系数，cm2/s;Si为第i组裂隙隙距，cm。

求解渗透张量的特征值和特征向量，即可得到岩体裂隙系统的渗透系数张量主值(K1，K2，K3)及主方向，取3个渗透系数主值的几何平均值作为综合渗透系数
2.2 钻孔电视成像提取岩体渗透张量参数
智能钻孔电视成像仪采用先进的数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)图像采集与处理技术，系统高度集成，探头全景摄像，图像清晰逼真，对裂
隙的产状和深度自动准确校准，可对所有的观测孔全方位全柱面观测成像［3］。

这种新技术的应用，打破了以往钻孔钻进过程中揭露裂隙的隙宽和倾向难以测量的局面，能快速准确地计算钻孔揭露裂隙的产状。

隙宽是影响渗透张量最重要的因素。

此次钻孔成像提供的JL－IDOI2009图像解译
软件能快速解决测量隙宽问题，具体操作只需要在图像上裂缝的一侧按下鼠标左键，沿裂缝垂直方向拖动鼠标到裂缝另一侧，同时显示鼠标拖动轨迹，松开鼠标左键，此时该裂缝的宽度即显示在信息栏内;裂隙产状的测定是该软件的另一个优势，在
钻孔照相时，调整仪器电子罗盘为正北方向，软件会自动把照片从正北方向裁开以平面展示，如图2所示。

软件通过对裂隙迹线的测量，裂缝倾向倾角的信息就显
示出来;裂隙的间距可以通过裂隙的间隔和倾角求取;填充物类型可以通过肉眼的观
察描述。

这样渗透张量计算所需要的参数基本上都可以通过软件精确地获取。

2.3 渗透张量的修正
图2 ZK297钻孔成像图
在实际工作中，用钻孔成像统计得出的渗透张量，在一定程度上受软件识别效果的影响，对于微裂小裂隙隙宽的读取有一定的误差，所以得出的渗透张量有一定的偏差，但是这种误差仅仅引起主渗透值数值上的变化，而不引起其方向上的变化，渗透主值的方向只取决于裂隙的产状［2］。

因此，运用更能真实反映裂隙岩体透水性的斜孔压水试验资料求得岩体的各向同性渗透系数数值，来修正利用钻孔成像技术求得的各向异性渗透张量，即可获得更准确的裂隙岩体渗透系数张量。

定义修正系数m=Kω/K0，将m代入由式(5)计算得出的渗透张量主值矩阵中，得到裂隙岩体的修正渗透张量为:
3 工程实例
某大型水利枢纽工程坝址区地质构造不发育，地层属中生界三叠系陆相碎屑岩系，基岩地层为近水平状的长石砂岩、粉砂岩和黏土岩形成的韵律沉积，岩层结构特点为软硬岩互层分布，未发现断层构造，构造裂隙相对发育，多为高倾角裂隙。

坝址区裂隙优势节理产状的发育以走向30°～50°为主，倾角70°～90°，占左岸平硐节理统计数量的45%，节理形态平直光滑，局部有方解石充填。

由于高倾角裂隙的不均一性和层间剪切带的随机性，传统的压水试验结果难于准确反映裂隙岩体的渗透性，也无法进行针对性的渗控设计，为此有必要在工程区布置斜孔压水试验。

坝址区一平硐洞口和洞内发育的节理裂隙走向主要为NE40°～50°，在此平硐内布置一垂直孔ZK297和ZK297－X斜孔进行压水试验，两孔相距4.5 m，斜孔钻进的方向垂直于裂隙发育方向，倾斜角度为70°。

在ZK297钻孔做了电视成像，见图2，通过电视成像的结果解译，以2 m为单位，统计裂隙的条数、产状和隙宽，并根据裂隙产状对以5 m为单位的每段裂隙进行
分组，结果表明，ZK297附近主要发育了两组节理:① ZK297－X上部，走向NW，倾向300°～315°，倾角50°～70°，裂隙隙宽0.1 cm，裂隙间距平均4.7 m，裂
隙形态平直粗糙，无充填;②ZK297－X下部，走向NW，倾向325°～355°，倾角30°～60°，裂隙隙宽 0.07 cm，裂隙间距平均5.6 m，裂隙形态平直粗糙，岩屑
充填。

在此基础上计算ZK297－X钻孔裂隙的渗透张量，如表1所示。

表1 依据ZK297-X钻孔成像得到的渗透张量?
ZK297垂直孔和ZK297－X斜孔的压水试验结果见表2，斜孔的压水试验值绝大
部分大于直孔试验值，说明钻孔揭露裂隙越多，压水试验值愈大，斜孔更真实地反映了裂隙岩体的渗透性。

少部分试验段斜孔压水试验值小于直孔压水试验值，经过野外岩芯描述对比，发现该压水试段无裂隙揭露或发育缓倾角微节理。

对表2压水试验成果资料进行整理分析，根据公式(1)，求出q＜10 Lu的试段，
对于q＞10 Lu的试段，利用李斯特各向同性曲线和严重各向异性曲线来求出各试验段相应的渗透系数，由公式(2)求得该孔渗透系数的几何平均值，即ZK297钻孔直孔渗透系数计算结果为5.9 ×10－5cm/s，修正系数 m=0.05;ZK297－X斜孔渗透系数计算结果为2.6×10－4cm/s，修正系数m=0.24(见表3)。

结果表明，斜孔压水试验的岩石透水性明显大于直孔压水试验的岩石透水性，说明斜孔压水揭露较
多的裂隙，更能反映裂隙岩体的渗透性。

表2 垂直孔和斜孔的对比压水试验lu值压水段试验起始深度/m直孔压水lu值斜孔压水lu值斜孔lu值/直孔lu值1 2 ～7 10.20 10.33 1.01 2 7 ～12 4.60 ＞100 ＞21.7 3 12 ～17 16.80 1.65 0.10 4 17 ～22 3.04 ＞100 ＞32.9 5 22 ～27 0.67 5.95 8.88 6 27 ～32 1.08 ＞100 ＞92.5 7 32 ～37 4.26 1.66 0.39 8 37 ～42 2.75 1.31 0.48 9 42 ～47 8.15 8.52 1.05 10 47 ～52 6.15 5.16 0.84
表3 钻孔压水试验统计及修正系数结果0.05 ZK297－X 斜孔中等透水2.6×10－4修正系数ZK272 直孔弱透水5.9×10－5项目压水试验类别渗透介质渗透系数/(cm·s－1)0.24
4 结论
(1)在高倾角裂隙发育地区，采用斜孔压水试验分析裂隙岩体的渗透性，考虑裂隙的发育方向，更具有针对性。

(2)利用钻孔成像结果可以准确地测量出沿钻孔内不同倾向裂隙发育的产状、隙宽及裂隙密度，克服了以往人工统计测量裂隙产状等产生误差的缺陷，提取渗透张量所需参数准确快捷，不仅节约了人工成本，而且其结果经工程实例验证具有较高的准确性。

(3)用斜孔压水试验数值来修正利用钻孔成像技术取得的渗透张量，确定裂隙岩体的渗透性，不仅能更好的地反映岩体的各向异性，也可为岩体渗透性分区及防渗帷幕的优化提供精确数据支撑。

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