翦 波
(中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南长沙410014)
摘要：裂隙岩体渗透特性往往由于裂隙发育的随机性而难以准确描述，现场高压压水试验通过研究压力P—流量Q关系曲线来了解裂隙岩体宏观渗透特性。某抽水蓄能电站高压岔管部位岩体存在较大规模的断层及影响带，为配合工程处理设计，采用现场高压压水试验对断层(含影响带)、断层周围岩体的透水性及渗透变形特性进行评价，现场试验的结果表明裂隙的张开扩展是裂隙岩体渗透变形的主要形式，也是P—Q曲线类型非线性的主要原因。为对试验过程和成果进一步量化，采用等效连续介质模型和三维有限元数值模拟技术对试验进行模拟。对比分析成果可见,P—Q曲线基本吻合，采用现场试验与数值计算相结合的方法可以较好地对裂隙岩体的宏观渗透性进行分析评价。
关键词：裂隙岩体；高压压水试验；水力劈裂；等效连续介质模型；宏观渗透性
中图分类号:TU459.9 文献标识码:A 文章编号:1004—5716(2008)11—0028—05
1概述
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1.0M Pa)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，一些水利水电工程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，但成果大多限于对现场试验成果的分析研究。本文尝试以研究P—Q曲线入手，采用现场试验与数值模拟相结合的方法对裂隙岩体的宏观渗透性进行分析评价。
2 裂隙岩体渗流理论[324]
裂隙岩体的透水性与裂隙宽度、裂隙的数量及其空间分布密切相关。在研究裂隙岩体地下水运动问题时，可以忽略岩块(结构体)的渗透性。裂隙介质可以按连续介质和不连续介质来处理，连续介质与不连续介质的区分，和研究问题的尺度大小有关系。根据具体情况，潘家铮(1981)提出了4种岩体模型:(1)近似不透水岩体;(2)带状透水岩体;(3)正交各向异性透水岩体;
(4)一般性的各向异性透水岩体。其中的(1)、(2)类岩体相对比较简单，对于第(3)、(4)类岩体模型，当
每组裂隙数量较为稀少时，可采用离散网络模型研究岩体地下水运动问题；当每组裂隙数量很多时，一般都把裂隙岩体假象为连续介质，认为水在裂隙内的流动速度变为假想的连续地充满整个岩体的流动速度，按连续介质模型分析渗流问题。
2.1 网络裂隙介质模型
森林防火预警系统
前苏联学者Ломизе在1951年就开始了单个裂隙水流运动的试验研究，根据大量的试验成果，得到了单个裂隙水流流量的立方定律:
q=
gb3J
12v
(1)
式中:g———重力加速度;
J———裂隙平面的水力坡降;
b———裂隙的宽度;
v———水的运动粘滞系数。
上述理论公式是基于裂隙表面光滑情况,Ломизе(1951)和Louis(1969)得到了光滑和粗糙状态下裂隙的线性流(层流)和非线性流(紊流)的流量计算公式及过渡临界状态的雷诺数。
当岩体结构相对完整，裂隙数量很少时，可将岩体视为离散网络裂隙介质模型。在查清每条裂隙的几何及力学要素基础上，可根据单个裂隙内水流的基本方程，按岩体是不连续介质来分析其渗透问题。
2.2 等效连续介质模型
2.2.1 渗流运动方程
在工程实际问题中，岩体受到地质构造作用往往会
形成多组裂隙，每个裂隙组的数量一般也较多，这时可以把裂隙岩体假象为一种连续介质。水在裂隙中的流动变为假象的连续地充满整个岩体的流动速度。为表示裂隙介质内渗透性各向异性的特点,Ferrandon (1948)首先提出了渗透系数张量的概念。其后,Snow (1965)和Pomn (1966)提出了裂隙岩体的渗透系数张量。裂隙岩体的渗透系数张量是建立在单裂隙水流运动规律基础上的。
对于发育一组裂隙的情况，通过三维矢量运算，可得到下式:
υρ
e =K J
ρ
(2)
式中:υρe ———当量渗流速度矢量;
K ———渗透系数张量;
J ρ
———水力坡降矢量。
该式表明具有一组裂隙的岩体作为等效连续介质时，渗流场内渗流速度、υρe 、力坡降J ρ
和裂隙组产状(走向、倾向、倾角)、裂隙宽度及间距之间的关系。
当岩体发育有几组不同产状的裂隙时，同理可得:
υρe =∑n i =1
υρei =-∑n i =1
K i J ρ=-K J
ρ
(3)
式中:i ———第i 组裂隙的编号;n ———岩体中裂隙发育的总组数。2.2.2 连续性方程
通过对微元的分析，将运动方程代入，得到三维问题下的连续性方程:
(K H )=μs
9H
9t
(4)式中: ———Hamilton 算子;
K ———渗透系数张量;μs ———储水率。
各向异性岩体的渗透系数张量用矩阵表达为:
K ij =
K xx K xy K
xz
K yx K yy K yz K zx
K zy
K zz
由矩阵论可知，上式必定存在正交矩阵P 使得:
K ij ～P -1k ij P =diag (K 1,K 2,K 3)
(5)连续性方程展开为:韩先良
K 192H 9x 2+K 292H 9y 2+K 392H 9z 2
=μs
92H
9t (6)式中:K 1、K 2、K 3———主渗透系数，对应方向为渗流主轴
手动风量调节阀方向。3 工程实例[5]
3.1 工程概况
某抽水蓄能电站引水高压岔管洞室埋深215m 左
右，高压岔管紧邻F 15断层。F 15断层在①、②引水隧洞下平段揭露，在紧靠③、④机引水高压岔管分岔点位置斜穿通过，距①、②机引水高压岔管仅14m 。断层带为碎裂岩充填，局部夹泥，夹泥厚度最大宽度2cm 左右。此外尚分布与洞轴线小角度相交的NWW 向节理裂隙和斜穿洞室的
N E 向结构面。在高压内水作用下混凝土岔管可能产生开裂，高压内水将直接作用在断层及周围岩体上，极有可能产生水力劈裂等渗透破坏而导致围岩失稳，必须对其进行工程处理。
图1 某抽水蓄能电站高压压水试验平面布置示意图
3.2 高压压水试验设计
高压压水试验重点针对断层带进行，并兼顾断层带
周边岩体，即高压压水试验段的布置既包括断层段，也要包括岩体段。试验布置模拟电站引水隧洞一洞运行一洞放空的最不利工况。试验设计最大压力5.5M Pa ，水压力采用从低至高、分级循环施加的方式。
本次试验包括1孔2段高压压水试验(其中1段横跨断层带,1段布置于断层上盘岩体内)，先进行岩体段的压水试验，再用地质钻机钻孔穿透断层进行断层带压水试验。试验孔与测试孔共同组成本次高压压水试验加卸载及测试系统，试验孔用于施加水头并记录压力、流量值；测试孔内安装渗压计或多点位移计，用于测定渗透水压力和洞壁围岩变形情况。3.3 现场高压压水试验成果与分析3.3.1 岩体段高压压水试验成果 在图2、图3中所示A (P =3.8M Pa )点以前，流量压力关系曲线为过原点的直线，反映裂隙岩体中渗水的主要流态为层流，流量与压力表现为线性关系。在A
点以后，流量与压力关系表现出明显的非线性。根据临界雷诺数判断，此时的水流仍然为层流。非线性表现的主要原因不是流态的变化(层流向紊流的过渡)，而是裂隙结构面状态产生了变化，岩体裂隙在水压力作用下产生了张开扩展，导致了岩体的渗透性急剧增大。在加卸载曲线图3可见,A 点和B 点之间形成了一个封闭区域，其原因在于加压钻孔附近的裂隙面由于水压力较大产生了塑性变形(张开)，而较远处结构面的变形属于弹性阶段，在水压力退回到A 点后，原张开裂隙面闭合，压力与流量重新表现为线性关系
。
图4 岩体段高压压水试验渗压监测曲线
3.3.2 断层带高压压水试验成果
图5、图6表明断层带高压压水试验的流量压力关
系曲线相对岩体段表现出一定的线性特征，加载曲线与卸载曲线基本重合。由于此时的渗流场包括断层与裂隙岩体两种渗流介质，因此P ～Q 曲线为两种介质渗透特性的综合反映。从渗透介质特性及关系曲线综合判断，在试验压力区间内，断层带没有产生大范围的渗透变形破坏。关系曲线的奇异部分可认为是断层带的局部物质经历了填充物的冲蚀、充填的过程。3.3.3 试验成果分析
根据压水试验规范所得岩体渗透系数见表1。其中岩体段的流量压力关系曲线由于非线性显著，所以给出的是不同区间的渗透系数值
。电极糊
图5 断层带高压压水试验流量与压力关系曲线(加载工况)
对于裂隙岩体来说，渗流主要发生在结构面所形成
图6 断层带高压压水试验流量与压力关系曲线(加卸载工况
)
图7
断层带高压压水试验渗压监测曲线
图8 断层带高压压水试验渗压监测曲线
的裂隙网络中，用离散网络裂隙模型来描述是比较合适
的，其渗流变形破坏形式也主要以裂隙面张开度变化为主，即在一定的条件下发生水力劈裂，根据本次试验成果，可把流量压力关系曲线的比例极限(图中A 点,3.8M Pa )作为裂隙岩体发生水力劈裂的临界值。断层破碎带由于裂隙极为发育，可等效为连续介质，渗透变形破坏以局部填充物的冲蚀、再填充为主，没有明显的水力劈裂现象发生。
表1 断层和岩体渗透系数压水试验建议值压力区间
(MPa )岩体段渗透系数
(cm/s )断层带渗透系数
(cm/s )<3.8 2.0×10-6 2.0×10-63.8～5.5 3.5×10-6 2.0×10-6>5.5
5.0×10-6
铝合金手电筒2.0×10-6
Hubbert M.K.and W illis D.G.认为，无论液体是否
渗入岩体中，水力劈裂开裂面总是沿垂直于小主应力方向。并且当水压力值大于最小主应力时，水力劈裂现象才会发生。根据该工程部位水压致裂法地应力测试成果，岔
管处地应力属以自重应力为主的中等应力场,σ1、σ2、σ3分别
为6.52MPa 、4.75MPa 、3.52MPa 。裂隙的岩体的水力劈裂临界值为3.8MPa ，略大于最小主应力值。4 现场高压压水试验三维有限元数值模拟4.1 控制方程与边界条件
采用Galerkin 法得到的连续介质渗流场有限元方程如下:
[A ]{H}+[B ]{d H
dt
}={F}
(7)式中:[A ]、[B ]、{F}———已知条件构成的系数矩阵;
{H}———未知节点水头矩阵，导数矩阵可用差商代替
。
图9 断层高压压水试验模拟三维有限元模型
边界条件：加压孔孔壁各点为第一类边界条件，即各点在每一时刻的水头都是已知的，其余边界均为自由边界。4.2 数值模拟结果与分析 图10为不考虑裂隙岩体渗流非线性特征的数值模拟结果，图11为考虑裂隙岩体渗流非线性特征的模拟结果，可见当考虑裂隙岩体非线性特征时，计算值与试验值两者相对较为吻合。在实际工程中，裂隙岩体应采用网络裂隙介质模型，分析时应考虑裂隙渗流场与
应力场耦合。裂隙面渗流与应力的耦合特性不仅与水流运动规律有关，而且与其力学变形性质有关，但目前分析方法大多停留在经验公式阶段，缺乏足够的理论支持。
因此，在采用连续介质模型情况下，充分考虑裂隙岩体宏观所表现的非线性渗流特性来进行数值分析，其精度对于估计裂隙的岩体的渗透性来说仍然是可以满足工程需求的。
5 结束语
(1)本工程的高压压水试验中，裂隙岩体由于发生水力劈裂等现象使P—Q曲线表现出明显的非线性特征，而断层破碎带裂隙极为发育，宏观表现出近似土类的渗透特征，在高压水作用下无明显的渗透破坏发生。
(2)进行数值分析时，采用连续等效介质模型，考虑裂隙岩体的渗流非线性特征，对于估计裂隙岩体的渗透性来说是可行的。
(3)对于裂隙岩体而言，网络裂隙模型结合渗流应力耦合分析在模拟岩体局部渗流特性时无疑是最合适的，但裂隙渗流与应力耦合分析所需的裂隙面力学变形性质理论研究则是获得精确数值解的关键。
参考文献:
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[3] 周志方，王锦国.裂隙介质水动力学[M].北京：中国水利
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[5] 蒋中明，等.黑麋峰抽水蓄能电站高压岔管区F15断裂带水塔水位控制系统
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砼采用耐久性海工砼，配合比通过试配确定，砼的坍落度控制在20～22cm，初凝时间大于15h，保证砼供应量在70m3/h以上确保砼在初凝前灌注完毕。
二次清孔使孔内沉淀控制在20cm以内的设计规范要求后，开始灌注水下混凝土。灌注水下砼的分水球采用砼块件，做成圆台状，上圆直径为33cm，下圆直径31cm，高为30cm。浇注砼前，将分水球置于导管上口，分水球上垫两片沥青纸，起密封作用，并用足够强度的铁线吊住，一般采用4股8#铁线。为保证第一批砼灌注后导管埋管1.5m以上，应依次将漏斗、储料斗装满砼后(约20m3)剪断铁线灌注首批砼，并持续灌注。3.3 水下砼施工注意事项
(1)剪球前导管底离孔底的距离一般控制在25～40cm，首批砼一定要达到20m3，以满足灌注后导管埋入砼面1.5m以上的要求。灌注后及时测量砼面的高度，以确定首批砼埋管深度。如不符合要求，应立即用空压机通过导管吸去已灌注砼，清理干净，符合要求后重新剪球灌注。
(2)砼导管使用前一定要进行水密性和承压试验，并检查止水胶垫是否完好，有无老化现象，以保证砼灌注过程中不漏水、不破裂。
(3)砼灌注过程中设专人测量孔深，准确掌握砼面上升高度，以便严格控制导管埋深在3～6m之间，防止导管埋入过深，使上层部分砼初凝致导管提起困难，或导管埋入太浅而提空的事件发生，同时作好砼灌注记录备查。
(4)砼灌注到钢筋笼底端附近位置时，注意埋管深度并适当控制砼灌注速度以防止钢筋笼上浮。
参考文献:
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社,2000.
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