基于压水试验的水库坝基岩体渗透性分析

基于压水试验的水库坝基岩体渗透性分析

王焘 1 张国星 2 刘智欣 2

1. 云南活泰工程质量检测有限公司，云南 玉溪，653100

2. 2、中国水利水电第十四工程局有限公司,云南 昆明，650051)

摘要：岩体渗透性问题是坝基防渗设计的主要工程地质问题，本文通过采用压水试验、钻孔声波测试和地质编录等方法，研究了水库坝基岩体渗透性问题；研究结果表明：渗流率与岩体完整性系数呈负相关，其中采用幂函数进行拟合的相关系数最高；强风化带主要表现为中等透水层，弱风化带和微风化带表现为弱透水层；针对坝基和坝肩绕坝渗漏问题，提出坝基防渗的工程地质建议。

关键词：压水试验、透水率、渗透性、渗透类型、岩体完整性系数

一、引言

水利水电工程中，岩体渗透性问题是在坝基防渗设计中主要工程地质问题，目前，主要采用现场孔内压水试验获得透水率(吕荣值Lu)对岩体的渗透性进行评价，并为渗控设计提供设计依据^[1]。

结合水利工程实践，大多数工作者开展了广泛的研究，李德群等研究了断裂构造岩体的渗透特性，提出空间分布规律以及总结影响渗透性的因素^[2]；王永辉等通过压水试验提出建议的某水电站防渗帷幕下限位置^[3]；孙吉利等通过压水试验分析了崂山龙潭水库坝基渗透性得出坝基渗透性等级属微透水-弱透水。司海宝、何建平、李占国等基于拟建水库工程结合钻探和压水试验、室内试验等多方法多因素探索对坝基岩体渗透性的影响^[4-6]。岩体渗透性与地质年代、成因、岩性、地质构造、风化程度、地下水位、岩体节理裂隙发育程度等因素有关，本文采用压水试验和钻孔声波测试对岩体渗透性进行评价，探索岩体完整程度、风化程度与渗透率的关系，阐述水库坝基岩体渗透性问题。

二、现场压水试验

钻孔压水试验目的是测定岩体的透水性，为评价岩体的渗透特性和设计渗控措施提供基本资料，用栓塞将钻孔隔离出一定长度的孔段，并向该孔段压水，根据压力与流量的关系确定岩体渗透特性的一种原位渗透试验。采用渗透率表示，单位为吕荣（Lu），即当试段压力为1MPa时每米试段的压人水流量(L /min)。

压水试验应按三级压力、五个阶段[即 ，P₁<P₂<P₃]进行。P₁、P₂、P₃三级压力宜分别为0.3MPa，0.6MPa和1.0MPa。

试段透水率q采用第三阶段的压力值(P₃)和流量值(Q₃)，按下式计算:

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式中:q为试段的渗透率(Lu)；L为试验段长度，(m)；Q₃为第三阶段的计算流量 (L/min)；P₃为第三阶段的试段压力(MPa)。

三、岩体渗透类型

岩体渗透类型根据《水利水电工程钻孔压水试验》(SL31-2003)分为5种类型，详见表1，岩体渗透类型根据现场压水试验数据绘制采用统一比例尺绘制P-Q曲线。

表1 P-Q曲线类型及曲线特点表

不同的岩体渗透类型反映了在水压作用下岩体中裂隙对渗流不同表现；

A(层流)型：渗流状态为层流。在整个试验期间，裂隙状态没有发生变化。

B(紊流)型：渗流状态为紊流(这里所谓的紊流，是所有非线性的压力与流量关系的统称)。在整个试验期间，裂隙状态没有发生变化。

C (扩张)型：在试验压力作用下裂隙状态产生变化，岩体渗透性增大，但这种变化是暂时性的、可逆的，随着试验压力下降，裂隙又恢复到原来状态，呈现出一种弹性扩张性质。

D(冲蚀)型：在试验压力作用下裂隙状态产生变化，岩体渗透性增大，这种变化是永久性的，不可逆的。流量显著增大且不能恢复原状，多半是由于岩石劈裂且与原有的裂隙相通或裂隙中的充填物被冲蚀、移动造成的

E(充填)型：试验期间裂隙状态发生了变化，岩体渗透性减小，这种减小大多是由于裂隙被部分堵塞造成的。此外，如裂隙处于半封闭状态，当被水充满后，流量即逐渐减小，甚至趋近于零。

四、工程应用

1、工程地质概况

拟建某小(1)型水库，拟建坝高约60m，库容约约380万m³。坝址区内的岩石为元古界小羊街组下段（Ptx^b）灰、青灰色混合岩夹变粒岩、片麻岩，岩体节理裂隙发育，风化层较厚。坝址区岩体节理裂隙较发育，经统计，共三组：①N34～68°W，NE∠37～50°，②N48～73°E，SE∠3～35°，③N0～30°W，SW∠8～63°。

2、水文地质条件

工程区主要由元古界非可溶性变质岩组成，含水层类型主要为基岩裂隙含水层及松散孔隙水层。基岩裂隙含水层：主要分布于元古界变质岩中的片麻岩、混合岩强～弱风化层中，含水性及透水性随深度增加而减弱，具地表分水岭与地下分水岭一致特征。松散孔隙含水层：主要分布于第四系河床冲洪积层及残坡积、全风化层中。含水层性质与岩性密切相关，差异极大。除第四系河床冲积层、全风化层含水性及富水性极大外，其余含水性及富水性较弱。含水层多沿河流、沟谷河床及两岸地表分布。

3、P-Q曲线类型与岩体渗透性

为探明工程区岩体的渗透性，在拟选的两个坝址布置钻孔共布置13个试验孔进行压水试验和孔内声波测试。

3.1 P-Q曲线类型

上、下坝基主要岩层为强风化～微风化片麻岩，由于强风化岩芯手捏易碎呈砂状，孔壁稳定性差，钻进时易塌孔，无法满足止水要求，因此压水试验主要在弱风化～微风化岩体内开展，根据现场P-Q曲线类型统计可知：

上坝址坝基渗透类型：弱风化岩体为渗透率29.32～1.05Lu，微风化岩体的渗透率3.38～0.12Lu，P-Q曲线类型主要为D(冲蚀)型和E(充填)型，其次为A（层流）型和C(扩张)型，D型约占64%和E型约占24%，C型约占6%和A型约占6%。

下坝址坝基渗透类型：弱风化岩体为渗透率38.99～0.9Lu，微风化岩体的渗透率主要分布于4.66～1.23Lu，P-Q曲线类型主要为E(充填)型、D(冲蚀)型和A（层流）型，其次为C(扩张)型，D型约占34%、E型约29%、A型约占29%和C型约占8%。

3.2 岩体渗透性与岩体完整程度的关系

根据压水试验和孔内声波测试数据研究试验段岩体渗透性与岩体完整程度的关系。

(1) 渗透类型与岩体完整程度

上坝址坝基：D(冲蚀)型渗流岩体的完整性主要为完整性差～较破碎，局部较完整；E(充填)型渗流岩体的完整性主要为较完整～完整性差。A（层流）型和C(扩张)型渗流岩体的完整性为完整性差。

下坝址坝基：E(充填)型渗流岩体的完整性主要完整～完整性差，少量较破碎；D(冲蚀)型渗流岩体的完整性主要为较完整～完整性差；A（层流）渗流岩体的完整性主要为较破碎，少量较完整、完整性差和破碎；C(扩张)型渗流岩体的完整性为较完整和较破碎。

(2) 渗透率与岩体完整性系数相关性分析

根据透水率与岩体完整性系数对应的52组数据(去除4组异常数据)进行Spearman相关性分析可得：非参数相关系数为-0.443，P=0.002<0.01水平显著相关，透水率与岩体完整性系数呈负相关。

将透水率与岩体完整性系数进行回归分析，数学回归模型采用线性函数、幂函数、指数函数、对数函数进行拟合，拟合结果如表2。

表2 透水率与岩体完整性系数拟合结果表

由表2可知，各个数学回归模型的相关系数在0.230～0.501，其中采用幂函数进行拟合的相关系数最高。

4、风化片麻岩的渗透性评价

上下坝基的岩性均为片麻岩，岩性单一，试验段内主要为强风化～弱风化岩石，从整体上，风化片麻岩的P-Q曲线类型主要为D(冲蚀)型、E(充填)型和A（层流）型，其次为C(扩张)型，D型约占44%、E型约29%、A型约占20%和C型约占7%。

弱风化～微风化片麻岩，属于坚硬岩，当完整性差～较破碎时，渗透类型为D(冲蚀)型和A(层流)型，主要以D(冲蚀)型为主，在水压作用下，结构面内的充填物遭到渗流作用，导致其被冲蚀或细颗粒被搬运产生管涌现象，最终导致结构面的连通性增强，透水率增加；当渗流作用无法对结构面产生冲蚀作用时，水流沿着结构面呈层流状态。当岩体呈较完整～完整性差时，渗透类型主要为E(充填)型，在水压作用下，导致结构面的透水性减小，主要是结构面的渗流通道被堵塞造成。

5、坝基岩体渗透性评价

根据《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL55-2005)的岩土体渗透性分级可知^[7]：上坝址强风化带透水率为11.6Lu～29.3Lu，属于中等透水层，弱风化带和微风化带基本为弱透水层；下坝址强风化带透水率为1.7Lu～37.7Lu，为弱～中等透水层，弱风化带和微风化带基本为弱透水层。总之，弱风化片麻岩渗透性等级为中等～弱透水，以弱透水为主，微风化片麻岩渗透等级为弱透水，随着风化程度的减弱岩体的渗透性减弱。

根据帷幕注浆设计要求，相对不透水层q≤5Lu为控制基准，确定岩体的相对不透水层埋深，河床部位相对不透水层埋深在20m范围内，两岸山体相对不透水层埋深在25m以上，甚至局部达到56.7m。相对隔水层埋深普遍较大，存在坝基和坝肩绕坝渗漏问题。防渗帷幕建议进采用孔距2m的双排孔注浆处理，帷幕底界防渗标准q＜5Lu，两岸采用正常蓄水位线与地下水位交点作为帷幕边界线。

6、总结

1、渗流率与岩体完整性系数呈负相关，其中采用幂函数进行拟合的相关系数最高，相关系数r²=0.501；

2、风化片麻岩的P-Q曲线类型主要为D(冲蚀)型、E(充填)型和A（层流）型，其次为C(扩张)型，弱风化～微风化片麻岩，属坚硬岩，当完整性差～较破碎时，渗透类型为D(冲蚀)型和A(层流)型，主要以D(冲蚀)型为主。

3、弱风化片麻岩渗透性等级为中等～弱透水，以弱透水为主。微风化片麻岩渗透等级为弱透水，随着风化程度的减弱岩体的渗透性减弱。提出了防渗帷幕的工程地质建议。

参考文献

1. 中华人民共和国水利部．水利水电工程钻孔压水试验规程: SL 31-2003［S］．北京: 中国水利水电出版社, 2003．

2. 王永辉等. 某水电站坝址区岩体渗透性研究[J]. 云南水力发电, 2016， 32(01): 17-20.

3. 孙吉林等. 崂山龙潭水库坝址渗透试验分析[J]. 矿产勘查, 2019，10(09): 2388-2391.

4. 司海宝等. 某小(1)型水库大坝坝基岩体渗透性分析[J]. 安徽工业大学学报(自然科学版), 2018, 35(01): 61-65.

5. 何建平. 某水库大坝坝基岩体渗透性研究[J]. 居舍, 2021(32): 178-180.

6. 李战国等. 希尼尔水库坝基基岩渗透性分析[J]. 黑龙江水利科技, 2021, 49(04): 137-140.

7. 中华人民共和国水利部．中小型水利水电工程地质勘察规范: SL 55-2005［S］．北京: 中国水利水电出版社, 2009.

作者简介：

王焘，(1986-)，男，河北邢台人，本科，工程师，注册土木工程师(岩土)，主要从事地质工程和岩土工程研究，E-mail:461297743@qq.com。