确定缓倾结构面渗透性参数的现场试验法

第7卷第4期

1999年　12月工　程　地　质　学　报JournalofEngineeringGeology　No.4Vol.7

Dec.,1999

文章编号:1004-9665(1999)04-0375-05

确定缓倾结构面渗透性参数的现场试验法

　周志芳　　　　　　　　杨　建　杨建宏

(河海大学地质及岩土工程系　南京　210098)　　　(成都水电勘测设计研究院勘测总队　成都　610072)

摘　要　本文基于渗流的基本定律出发,考虑到现场试验的可行性,以溪洛渡水电站工程为

例,提出了一种确定缓倾结构面渗透性参数的现场试验法。文章首先推导出确定缓倾结构面渗透性参数的计算公式,然后利用风钻对典型结构面单独成孔,作简易注水试验,求出结构面的透水性参数。

关键词　缓倾结构面　渗透性参数　现场试验法

中图分类号:　TV223.6　　文献标识码:A

1　前　言

本文基于渗流的基本定律出发,考虑到现场试验的可行性,以溪洛渡水电站工程为例,提出了一种确定缓倾结构面渗透性参数的现场试验法。溪洛渡水电站坝址玄武岩中缓倾角的层间层内错动带极为发育,这些缓倾角的结构面对整个岩体地下水的运动起着控制作用,是天然状态下和水库蓄水以后地下水的主要渗流通道。为了获取不同类型结构面透水性的定量参数,文章首先推导出确定缓倾结构面渗透性参数的计算公式,然后利用风钻对典型结构面单独成孔,作简易注水试验,求出结构面的透水性参数。研究成果表明,现场试验法不仅方法简单、花费少、易操作,而且计算结果可靠、实用性强。

2　基本原理

假定缓倾角结构面顺结构面方向无限延伸、结构面张开度相等(图1)。在垂直于结构面方向上有一半径为无限小的井孔,当以定流量Q向孔内注水时,由Dupuit公式不难得到结构面内距井孔距离为d的任意一点p的降深s为

s=ln2πKebd

其中:b为结构面宽度;Ke为顺结构面的渗透系数;R为影响半径。由于顺结构面方向延 收稿日期:1998-04-07;收到修改稿日期:1998-09-02.:(,.

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伸长度尺寸远远大于结构面垂向厚度,因此井孔可以近似地看成是薄板平面(结构面)上的一个源(或汇点)。

假定在岩体剖面露头(平硐壁)上顺结构面走向打一井孔(图1),这时当裸井孔离结构面露头较近

图1　结构面上的小井孔

Fig.1　Asmallholedrilledinstructuralface

时,结构面露头边界对井孔水流状

态产生的影响,可以用镜像法原理和叠加原理处理。同时必须考虑到

圆柱状裸井并非是一个点,但可以将其看成无数个源点(或汇点)组成的平面源线(或汇线),用平面源线(或汇线)代替圆柱状裸井的作用。设流量沿源线均匀分布,在源线上取一

微小的源线段ΔZi(图2),视为源点,其流量为　ΔQ=ΔZi(1)

Z2-Z1

每个微小源线段在结构面内任一点A引起的降深si为

isi=2ln(2)πbKe(Z2-Z1)di

对于岩壁附近的源点(如图2),由边界的影响,在岩壁对称位置上映出一个等强度的虚汇点。结构面内任一点的降深应为实源点和虚汇点产生降深的叠加,即

si==

ii

ln+ln2πKeb(Z2-Z1)d12πKeb(Z2-Z1)d2d1lnΔZi　　　　　　　　　22πKeb(Z2-Z1)d

(3)

1=2=其中:dr2+(Z-Z)

,dr+(Z+Z)

;Z2,Z1

为源线端点坐标;Z为线段ΔZi中点的坐标。

源线是由无数个这样的源点组成的,因此有

1

si=lim(ln)ΔZi

n→∞∑2πKeb(Z2-Z1)Δd2i=1Z→0=2πKeb(Z2-Z1)

n

图2　边界附近实源点

映射示意图

Fig.2　Schemeofrealsourceimaingneartheboundary

2

Z

1lndZ　　　　Zd21

　=4πKeb(Z2-Z1)

解得

2

Z

lndZ　Zr+(Z+Z)1

22

(4)

r2+(Z+Z1)2r2+(Z-Z1)2r2+(Z+Z1)2s={Z1ln+Zln ln4πKeb(Z2-Z1)r+(Z-Z1)r+(Z-Z2)r+(Z+Z2)

2122-Z2ln22r[arctan-arctan　　　　　　　2+r+(Z-Z21)rr

Z1+ZZ1-Z

-arctan+arctan]}　　　　　　　　　　　　　　　　(5)

r2

2

4期周志芳等:确定缓倾结构面渗透性参数的现场试验法377当r=rw,s=sw,且=0,Z2=l,Z取l时,有

wsw={2lln2rw(arctan-arctan2)}+4πKeblrw+4lrwrw

[ln+(2arctana-arctan2a)令=a,则sw=rw2πKebla1+4a2即Ke=[ln(2arctana-arctan2a)2+2πswb1+4aa222(6)(7)(8)

3　参数的确定

具体现场试验时,利用溪洛渡水电站坝址两岸平硐内玄武岩中现存的岩体声波测试孔。成孔的类型有两种(图3),a是平行于缓倾角的层间层内错动带的钻孔,b是斜交错动带的钻孔。试验采用了如图4的装置。分别在PD12和PD45两平硐的四个点计三种类型层内错动带进行了试验

。

图3　错动带成孔类型

Fig.3　Typesofholesindislocationzone

a平行于错动带钻孔　　b斜交错动带的钻孔

试验1:位于PD12硐深49m处的下游硐壁,沿层内错动带Lc2成孔。岩性为P2U玄6武岩,微风化岩体。错动带为绿帘石、石英脉充填,错动带岩脉坚硬、完整性好,产状近水平。岩脉与围岩接触面有钙膜及岩粉,顺岩脉与围岩接触面透水,垂直结构面不透水,脉厚2～3cm。透水类型属裂隙型。花管长l=1.23m,半径rw=2.25cm,注水试验前先在孔内试验注水,使水位至孔口,并保持一昼夜,取层内错动带平均厚度b=2.5cm,测得主孔稳定降深sw=99cm时,对应的流量为Q=2.049cm·min。

试验2:位于PD12硐深63～64m处的下游硐壁,斜交层内错动带Lc3打有2孔,孔距35cm,孔口在错动带上部10cm,以倾角18°斜交错动带,岩性P2U为玄武岩6,微风化岩体。错动带为绿帘石、石英脉充填,错动带岩脉坚硬、完整性好、向下游视倾角5°。岩脉与围岩接触面有钙膜及岩粉。试验前两相邻的斜交错动带的孔内均有水自孔口溢出,而与两试验孔相距仅20cm的位于错动带下部的另外两孔却干燥无水,表明仅顺岩脉与围岩接触面透水,垂直于结构面不透水,脉厚2～3cm,透水类型属裂隙型。孔深113cm。该孔,。3-1

378

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试验3:位于PD45硐下游支硐,岩性P2U为玄武岩6、微风化。顺Lc5层内错动带成孔。错动带宽6～7cm,带内为石英、绿帘石条带,产状N30°E/SE∠19°。在后期构造作用下,条带部分压碎成碎砾、碎屑,局部成粉状,碎砾2～0.2cm居多。错动带两侧有2～5cm的褐色破碎影响带。试验孔深l=119.0cm,降深sw=93.0cm,孔半径rw=2.25cm,流量Q=3.3cm3·min-1,取b=6cm。

试验4:位于PD45硐下游支硐108m处,岩性为玄武岩、微风化。顺层内错动带成孔。错动带宽20cm左右,以破碎角砾岩为主,角砾棱角明显,粒径以小于2cm的砾石属多,约占80%,岩屑充填于角砾间、挤压密实。错动带产状N60°∠8°,与两侧围岩接触面上各有一E/SE

层0～1cm灰白色细粒至粘土状的软岩。注水试验时顺错动带在距孔50cm范围内均有水溢出。试验孔深l=124.5cm,降深sw=100.0cm,孔半径rw=2.25cm,流量Q=240.0cm·min,取b=20cm。各试验求得的不同类型层内错动带渗透系数值如表1

所示。

表1　结构面透水性试验、计算成果

Table1　Resultofthepermeabilitytestandcalculationofstructuralfaces

试验编号试验1

位置PD12

结构面编号Lc2裂隙型

结构面类型本文方法

计算方法2.58×10-本文方法观测孔

裘布衣公式主孔裘布衣公式

试验3试验4其他方法

PD45Lc2404左岸右

LcLcLc5PD45

网络裂隙型孔隙-裂隙型玄武岩错动带错动带

本文方法本文方法水位恢复法反分析法反分析法

2

图4　错动带注水试验装置　SchemeofwaterinjectiontestFig.4

apparatusindislocationzone

3-1

渗透系数/m·d-1

2.99×10-53.65×10-24.49×10-27.57×10-21.84×10-23.74×10-21.68×10-28.0×10-29.97×10-2

渗透系数/·s-1cm4.23×10-5.20×10-8.76×10-2.63×10-4.32×10-1.95×10-9.26×10-1.15×10-55

试验2

PD12Lc3

裂隙型

555555

对于同一试验不同试验点求得的参数也有一定的差异。结构面现场试验,由于各试验点结构面类型不同,其试验的参数值有所不同。对于碎砾状的结构面,结构面具有一定的

宽度,结构面内的碎粒砾岩密实破碎呈孔隙裂隙介质,试验结果其透水性最大;网络裂隙型结构面透水性次之;而裂隙型结构面透水性最小。这与结构面透水性的宏观判断结果是

4期周志芳等:确定缓倾结构面渗透性参数的现场试验法379也较为一致。

4　结　语

本文提出的结构面现场试验法求缓倾结构面透水性参数不仅方法简单、花费少、易操作,而且在溪洛渡水利水电工程中的应用表明,具有较好效果。

值得一提的是参数计算公式是在假定结构面水平情况下推出的,估计当结构面倾角大于15°至20°时,将会产生较大的计算误差;另外,结构面的厚度对参数计算结果也会产生影响,当结构面的厚度小于钻孔直径时,建议取二分之一结构面厚度作为井孔半径。

参考文献

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[5]　ZhouZhifang.Discussiononproblemsofnumericalreverseoffissurewater,EnvironmentalHydraulics[C].A.

A.Balkema,Rotterdam,Brookfield:1991.1311-1316.

AFIELDTESTMETHODFORDETERMINING

PERMEABILITYPARAMETERSOFGENTLYDIPPING

STRUCTURALFACEINROCKMASS

ZHOUZhi-fang

(DepartmentofGeology,NanjingUniversity,Nanjing　210093

DepartmentofGeology&GeotechnicalEngineering,HehaiUniversity,Nanjing　210098)

　　YANGJian-YANGJianhong

(ChengduInstituteforSurveyingandDesignHydropowerprojects,Chengdu　610072)

Abstract

Basedontheprincipallawofseepageflow,consideringthepossibilityoffieldtest,anewfieldtestmethodisproposedinthispaperfordeterminingthepermeabilityparametersofgentlydippingstructuralfaceordiscontinuity.Firstly,aformulaofthepermeabilityparametersofgentlydippingisdeduced.Secondly,asimplewaterinjectiontestwascarriedoutintheholepenetratingtypicalstructuralfacesordiscontinuitiesbypneumaticdrilling,thenthepermeabilityparametersofthemwereobtained.Asanillustrativeexample,theXiluoduHydropowerStationispresentedanddiscussed.

Keywords　GentlyDippingDiscontinuity,Permeabilityparameters,Fieldtestm