袁博文 徐力群 郭步天 聂柏松 柴先墩 林 文

（1.信阳市水利局,河南 信阳 464200；2.河海大学 水利水电学院,南京 210098）

合理正确的渗透参数是渗流计算分析与控制的基础.对于实际工程,渗透参数选取直接影响计算精度,如参数选取不当则易导致数值计算或者模拟试验成果不可靠,造成确定的渗流控制方案不合理.根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）及《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）,岩土体的渗透系数可通过室内试验和现场试验等测定,通常有常水头试验和变水头试验两种,包括室内渗透试验、抽水试验、注水试验、压水试验等[1-2].现场钻孔压水试验是测定岩体透水性的常用方法,可为评价岩体的渗透特性和工程渗控措施提供基本资料.张贵金等[3]对岩溶坝区渗透性大且空间变异随机性,提出了建立渗透系数随机模型方法.柴军瑞等[4-5]基于等效连续介质渗流理论求出了两岸和坝基岩体的渗透系数张量,并依据试验资料和实测资料对渗透系数张量进行了修正.张祯武等[6]提出了将吕荣法压水试验试段的作用看作无数点源作用的叠加,给出了定压力非稳定三维流压水试验的数学模型.李康宏等[7]根据钻孔等实测资料,建立了整个尾矿库区三维有限元网格模型,用于反演分析并确定各分区渗透系数.柴军瑞等[8-9]基于尾矿库实际钻孔资料,运用三维有限元法和“反问题正算法”,反演分析得到了所需的渗透系数.邓祥辉[10]针对简单遗传算法计算量较大等缺点,提出了用自适应遗传算法来进行渗流系数辨识以获取所需计算参数.唐军峰等[11]针对某重力坝破碎带岩石地基采用高压压水试验,研究分析了破碎带在高压水流作用下经历了不同程度的溶蚀作用,综合分析得到了破碎带岩石的地基透水率和渗透系数.张新敏等[12]提出在高压压水条件下,岩体中水流仍满足层流假定时,可采用高压压水试验岩体渗透系数估算公式.陈志强等[13]在同一钻孔内分别进行了分段压水试验和完整井抽水试验,分析了采用非稳流压力法测量岩体渗透系数,得出了压水试验与抽水试验的渗透系数并无显著差异.水力传导度是影响渗流系数的主要因素,许增光等[14]运用克里金法模拟了导水率的空间分布,利用电阻率和粒度获得了导水率,经济有效地获得了在复杂的大范围内水力传导度的分布.钱武文等[15]建立了ADINA-MMRDE 模型,并应用于鲁地拉水电站工程,验证了该模型对实际和复杂参数反演任务的有效性.

有关规范规定:钻孔压水试验应随钻孔的加深自上而下地用单栓塞分段隔离进行;岩石完整、孔壁稳定的孔段,或有必要单独进行试验的孔段,可采用双栓塞分段进行;试段长度一般为5 m,含断层破碎带、裂隙密集带、岩溶洞穴等的孔段,应根据具体情况确定试段长度;采用水压式栓塞时,充水压力应比最大试段压力大0.2～0.3 MPa,且在试验过程中充水压力应保持不变,流量无持续增大趋势且5次流量读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%,或最大值与最小值之差小于1 L/min时,本阶段试验即可结束,取最终值作为计算值.但是,在断层破碎带、裂隙密集带、岩溶洞穴等一些特殊地质条件下,岩体渗透性强,注水流量大,在试验过程中充水压力保持不变的要求难以满足,此时规范提供的钻孔试段透水率计算方法不再适用.

本文根据某工程地质条件复杂、岩体渗透性强的实际情况,采用现场钻孔压水试验,应用饱和-非饱和非稳定渗流理论和反演分析方法,提出钻孔压水试验非稳定渗流反演拟合法,通过数值模拟和反演分析拟合,确定坝肩岩体的渗透系数.

1 工程地质及水文地质条件

某水库是一座以城区供水、防洪为主的Ⅳ等小（1）型工程,总库容640.5万m3.该工程主要建筑物为4级,次要建筑物为5级,其中主要建筑物包括大坝、右岸溢洪道和左岸输水泄洪洞.大坝为壤土心墙砂砾石坝,坝顶宽6.0 m、长202.8 m,坝顶高程1637.10 m,最大坝高40.0 m,钢筋混凝土防浪墙高1.2 m,大坝上游砂砾石坝坡自上而下为1∶2.5、1∶2.5、1∶2.75,下游坝坡为1∶1.75、1∶1.75、1∶1.75、1∶2,在上下游坝坡各设两级2.0 m 宽马道,级差13.0 m;壤土心墙顶宽3.0 m,上下游边坡1∶0.35,最大底宽30 m.河床砂砾石覆盖层设壤土防渗齿槽,底宽8.0 m,边坡1∶1.5,齿槽深入基岩面以下2.5 m.基座下设计有两排防渗帷幕,第一排帷幕深入强风化层以下5 m,第二排帷幕深入弱透水带以下5 m（平均灌浆深度约为65 m）,坝肩向两岸各延伸20 m 范围内设置单排防渗帷幕,灌浆帷幕的设计标准为透水率小于或等于5 Lu.坝基帷幕上下游各设一排5 m 深固结灌浆孔.输水泄洪洞由取水口、洞身段、出口闸室、挑流鼻坎等组成,布置于左岸,主要任务是泄洪、输水并兼顾洪水期排沙和施工期导流,最大泄洪能力141 m3/s,隧洞总长292 m.溢洪道布置于河道右岸,采用岸边侧堰开敞式,堰型为“WES”实用堰,堰顶高程1 632.27 m,堰宽32 m,溢洪道最大泄量628 m3/s,与坝轴线夹角为64.23°,在坝下游斜切入主河道.该工程于2002年正式动工兴建,此后,工程时停时建,历经10多年仍未建成.主要问题是坝基防渗帷幕灌浆十分困难,已完成的坝基帷幕灌浆工程质量不合格;溢洪道边坡开挖支护后因降雨产生滑坡.

1.1 工程地质条件

库区出露地层有上泥盆统大草滩群及第四系松散堆积物.大草滩群地层为一套巨厚的以粗碎屑岩为主的磨拉石建造,按其沉积韵律可分为7层,库坝区出露第4～6层.岩性主要为中薄～中厚层杂红色粉砂岩、细砂岩与灰白色石英砂岩、含砾石英砂岩的夹层或互层状组合,分布于河床与两岸岸坡,表层风化破碎.

库坝区属北西向构造带,但受后期旋卷构造的干扰和影响,地质构造较复杂,库坝区地质构造属单斜构造,右岸为顺向坡、左岸为反向坡,岩层总体走向NW280°～350°,倾向NE,倾角平缓,但在走向和倾向上均有舒缓的波状起伏.次级、再次级褶皱、断裂发育,裂隙尤为发育.断裂构造一般规模较小,以压性为主.

坝址区河谷宽130～150 m,呈“U”型谷,大部分为河漫滩,坝址两岸岸坡陡峭.坝址区河谷砂砾卵石层厚度较大,结构中密～密实,透水性强.基岩岩性为泥盆系上统大草滩群中厚层紫红色粉砂岩与灰白色含砾石英砂岩互层.岩体裂隙发育,层间错动频繁,岩体破碎,基岩强风化层及透水层厚度较大.坝基开挖情况表明,坝基岩体内揭露一宽约60 m 的顺河向、陡倾角构造碎裂岩带,带内岩体挤压破碎强烈,褶曲和小断层极为发育,大部分岩体呈碎裂镶嵌结构,透水性极强.该断裂破碎带构成严重的坝基渗漏通道,是导致工程帷幕灌浆失败的重要原因.枢纽平面布置图和沿坝轴线工程地质剖面分别如图1～2所示.

图1 枢纽平面布置图

图2 沿坝轴线工程地质剖面图

左坝肩山体雄厚,岩性为泥盆系上统大草滩群中厚层紫红色粉砂岩与灰白色含砾石英砂岩互层,基岩总体裸露,坡面零星分布有厚0.5～3 m 的坡积碎石土、块碎石,强风化层厚约8～15 m,地层产状NW340°/NE∠30～34°,边坡结构属缓倾反向坡,岩体破碎、完整性差,卸荷作用强烈,坝肩部位及其下游侧表层岩体分布有倾倒体,倾倒堆积体结构松散,局部架空.结合灌浆平洞揭露情况,左坝肩强透水带的厚度超过30 m.自然条件下,基岩裂隙水位仅略高于河水位或与之相平,其径流通畅,存在严重的绕坝渗漏问题.

右坝肩地层岩性与左坝肩类似,地层产状340～350°/NE∠2～4°,边坡结构属水平层状边坡.坝轴线下游约270 m 处分布有深切的、与坡面交角仅30°的小南峪沟,导致右坝肩山体单薄,正常蓄水位条件下的最短渗径仅约170 m,且坝肩岩体风化卸荷作用强烈,岸坡顶部强风化卸荷带较厚,自然条件下,基岩裂隙水位仅略高于河水位或与之相平,未见地下分水岭.右坝肩属单薄山梁,岩体破碎强烈,绕坝渗漏问题严重.

1.2 水文地质条件

工程区属温带大陆性半湿润气候,多年平均降水量575 mm,地表水系由河谷溪流和河流构成,溪流流量一般为3～5L/min,河流流量0.3～0.5 m3/s,暴雨后猛增至数十个流量.水系分布受构造控制,地表水与地下水水力联系密切.上游河段,河槽基岩裸露,河水主要受两岸基岩裂隙水补给,夏季干旱时,地表径流量逐渐减少,河流断续分布,成为间断流.下游河段,河流大部分转化为地下潜流,地表径流进一步减少,夏季干旱时,基本干涸断流.

地下水有基岩裂隙水与河谷第四系孔隙潜水两类:第四系孔隙潜水主要赋存于河谷冲积砂砾卵石中,主要受河谷溪流及两岸基岩裂隙水补给.基岩裂隙水赋存于河谷两岸及河床基岩裂隙中,主要受大气降水补给,向河谷及下游渗流排泄.由于岩体裂隙发育,透水性好,径流通畅,故水力坡度较缓,随季节变化较大,坝址区两岸基岩裂隙水位仅略高于河水位或与之相平.

2 现场压水试验情况

根据工程地质条件,坝址区左右岸坝肩岩性、构造相近.为了获取坝址区岩体渗透系数,开展了现场压水试验.由于右岸溢洪道边坡因降雨发生了滑坡,交通公路被毁,因此选择左坝肩布置钻孔,即在左岸山体坝顶公路内侧坝轴线位置选取压水试验钻孔.钻孔位置如图1所示.

试验主要设备如下:

钻孔设备:采用XY-1型油压钻机,为金刚石钻具,钻孔直径91 mm.

止水栓塞:压水试验止水栓塞采用气压式栓塞.

供水设备:选用压力稳定、出水均匀的水泵,水泵出口安装容积大于5 L的稳定空气室,在1 MPa压力下能保持流量100 L/min.

量测设备:测量压力的压力表反应灵敏,卸压后指针可以回零;压力传感器的压力范围大于试验压力;测量流量的流量计能在1.5 MPa压力下正常工作,量测范围与水泵的出力相匹配.

实际钻孔过程中,因岩体破碎及存在空隙,发生了卡钻和掉钻,为此经两次变更钻孔位置,最终成功钻孔16 m.岩芯取样如图3所示.

图3 岩芯取样

钻孔后采用压水法洗孔.将钻具下到孔底,使水泵达到最大出水量,边洗孔边观察孔口回水的清洁程度,直至无岩粉随水流出时结束.

洗孔结束后,进行分段压水试验和数据采集.根据现场岩芯取样结果,选取孔深8、12、16 m 三个位置进行测试.首先进行试段隔离,将栓塞安设在压水试验全套设备内,栓塞前对压水试验工作管进行检查,确保工作管无破裂、弯曲、堵塞等现象.然后调整调节阀向试段压力送水,使试段压力达到预定值并保持稳定.使用压力表的极限压力值为1.25～1.75 MPa,压力传感器测定试验压力时的量测范围大于最大试验压力1.0 MPa.最后通过水表观测水流量,每间隔1～2 min观测一次,当流量无持续增大趋势,且5次流量读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%,或最大值与最小值之差小于1 L/min时,记录此时的流量Q以及试段压力p,试验由压力传感器自动将试验结果记录并显示在计算机终端上,并自动计算出相应岩体的吕荣值.

试验发现:由于左岸岩体破碎及裂隙发育,压水试验的结果稳定性差,岩体渗透系数大,即使水泵达到最大供水能力（100 L/min）或者缩短试段长度至1.5 m,也无法将水充满试段并维持稳定,因而孔内压力值始终为零,岩体吕荣值超过了试验设备所能测到的吕荣值范围.因此,试验记录了供水流量及孔内水位随时间的变化过程.孔深8、12和16 m 压水试验孔内水位随时间变化过程如图4所示.

图4 压水试验孔内水位随时间变化过程

3 非稳定渗流反演拟合法

由于各试验段未能得到试验规程要求的试验压力和流量（p-Q）曲线,不能应用规范推荐的计算方法确定p-Q曲线类型和计算试段透水率.因此,这里提出采用非稳定渗流理论进行反演分析,确定岩体的渗透系数.

3.1 渗流控制方程及边界条件

假定达西定律同样适用于非饱和渗流情况,则非稳定饱和-非饱和渗流的微分方程如下:

式中:hc为压力水头;为饱和渗透系数张量;ki3为饱和渗透系数张量中仅和第3坐标轴有关的渗透系数值;kr为相对透水率,是非饱和土的渗透系数与同一种土饱和时的渗透系数的比值,在非饱和区0＜kr＜1,在饱和区kr＝1;C为容水度,表示压力水头变化一个单位时,单位体积土体中水分含量的变化,,在饱和区C＝0;β为饱和-非饱和选择常数,在非饱和区等于0,在饱和区等于1;Ss为弹性贮水率,饱和土体的Ss为一个常数,在非饱和土体中Ss＝0,当忽略土体骨架及水的压缩性时对于饱和区也有Ss＝0;Q为源汇项.

考虑降雨入渗,非稳定饱和-非饱和渗流微分方程的定解条件如下:

式（2）～（6）中,式（2）为初始条件,式（3）～（6）为边界条件.其中:ni为边界面外法线方向余弦;t0为初始时刻;hc1为已知水头;qn为已知流量;qr（t）为降雨入渗流量;hc（t0）为初始t0时刻渗流场水头;Γ1为已知水头边界;Γ2为已知流量边界;Γ3为饱和逸出边界;Γ4为非饱和逸出面边界.

由于计算区域具有非均质性,且初始及边界条件复杂,故上述渗流问题一般采用有限元法求解[16-17].

3.2 反演分析及拟合结果

由于渗流场是非线性,反演分析通常采用正算优化方法.这里采用可变容差法[18]进行拟合和优化,确定岩体的渗透系数.

1）计算模型

根据渗流分析的一般原则确定计算模型的范围和边界.由于钻孔压水试验的计算域是轴对称结构,因此分别针对孔深8、12和16 m 三种情况,选取1/4建立有限元模型.模型长和宽均为10 m,高分别为20、24 和28 m.在模型的一角布置1/4 圆孔,孔 径0.091 m.经有限元法剖分,形成三维有限元网格.作为示例,孔深8 m 时计算模型网格如图5所示,有限元网格结点总数为7 854个,单元总数为6 544个.

图5 孔深8 m 压水试验反演分析有限元网格

对于非稳定渗流,渗流分析的边界类型主要有已知水头边界、出渗边界及不透水边界3种:

①已知水头边界包括钻孔四周孔壁及给定地下水位的截取边界,此处钻孔四周孔壁为上游水头边界,地下水位低于模型底面,即截取边界模型侧面x＝10 m 和y＝10 m 为出渗边界;

②出渗边界为模型上下游水位线以上的表面;

③不透水边界包括模型对称面,即x＝0和y＝0的截取边界,以及模型底面.

对于本次试验的非稳定渗流情况,钻孔水位随时间变化,即钻孔四周孔壁的上游水头边界是随时间变化的.

2）拟合结果分析

依据可变容差法,拟定岩体渗透系数初始范围（约束条件上下限值）为1.0×10－7～1.0×10－3m/s.反演分析时,控制每个时段钻孔周围岩体渗透流量的反演值和实测值的误差小于10%.

经非稳定渗流三维有限元法反演分析,可得孔深段0～8、8～12、12～16 m 岩体的渗透系数见表1.其中,在进行孔深12 m 试验反演分析时,孔深0～8 m段岩体的渗透系数采用该段反演分析已得到的渗透系数,仅反演8～12 m 段岩体的渗透系数,在进行孔深16 m 试验反演分析时,进行类似处理.各孔深各时段渗透流量反演分析成果见表2,渗透流量变化过程实测值与反演值比较如图6所示.可见各孔深段试验的流量变化过程反演值与实测值吻合较好,即反演分析拟合的非稳定渗流场很好地反映了压水试验的渗流场变化情况.因此,所得的渗透系数也可以反映岩体的实际透水性.

表1 压水试验反演的岩体渗透系数

表2 各孔深试验反演分析渗透流量成果表

续表2 各孔深试验反演分析渗透流量成果表

图6 压水试验反演分析渗透流量实测值与反演值比较

由孔深8、12、16 m 各试段岩体渗透系数反演分析结果可见,该坝址区左岸山体坝轴线附近坝顶公路内侧路面以下0～8、8～12 及12～16 m 处岩体的渗透系数相差不大,渗透系数值较大,约为8.70×10－6～1.12×10－5m/s.由工程地质条件及岩层分布规律可以推测,左坝肩山体较破碎、裂隙发育,渗透系数较大.

4 结论

某水库工程坝址区地质条件复杂,岩体破碎、裂隙发育、透水性强,不能采用常规现场压水试验获取岩体渗透系数.研究了采用非稳定渗流理论和有限元法反演分析技术,提出了非稳定渗流反演拟合法,拟合了现场钻孔压水试验过程的非稳定渗流场,以获取较为合理的岩体渗透系数.

1）根据工程实际情况,选取左坝肩坝顶公路内侧帷幕灌浆平洞部位,开展了坝址区岩体现场钻孔压水试验,测得了孔深8、12和16 m 三种孔深段的钻孔水位、流量随时间变化的关系.

2）建立了各孔深条件下钻孔压水试验的三维有限元模型,应用非稳定渗流有限元法结合可变容差法,反演分析了各孔深试验的非稳定渗流场,得到了各孔段岩体的渗透系数.计算的渗透流量随时间变化过程与实际钻孔充水流量吻合良好,岩体的渗透系数符合实际情况.

3）对于地质条件较差的工程,建议考虑采用非稳定方法对渗透系数进行反演分析,以获取符合工程实际的所需参数.

4）提出的渗透系数非稳定渗流反演拟合法可用于岩体渗透性强、钻孔压水试验不能维持孔内压力稳定、规范推荐的渗透率计算方法不能应用的情况,具有推广应用价值.