紫坪铺水利枢纽工程地质渗透性分析及分区研究

2023-08-24 理论教育版权反馈

【摘要】：根据钻孔压水试验资料,结合本工程防渗要求,横剖面上将岩体渗透性可分为Ⅳ区。

11.1.5.1 砂岩的渗透特征

砂岩是坝区地下水的主要载体,坝区砂岩主要发育顺层、纵切、横切等3组裂隙,各组裂隙的产状和发育情况随所在构造部位而有所变化,将砂岩分割成近方形块体,发育较稳定、延伸长,对岩体的渗透性起主导作用。

坝区80多个钻孔的单孔压水试验数据的综合统计分析表明,坝区砂岩渗透系数随埋深呈明显的规律性变化(见图11-3、表11-2):当埋深大于140m时,渗透系数变化不大,而当埋深小于140m时,随埋深减小砂岩的渗透系数显著增大。考虑单位吸水量ω估算渗透系数的误差,参照图11-3坝区砂岩的渗透系数,可以用“平均渗透系数”和“偏大渗透系数”的数理统计曲线进行估值。

表11-2 砂岩渗透系数随埋深变化统计

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图11-3 坝区砂岩渗透性随埋深变化(根据80多个钻孔资料)

Ⅰ—强卸荷带；Ⅱ—弱卸荷带；Ⅲ—浅埋深带；Ⅳ—深埋深带；1—平均估计曲线；2—偏大估计曲线

为了定量考察砂岩在不同埋深区段的渗透性大小,将渗透系数按大小分为5个等级(不同等级的渗透系数是由岩体裂隙的张开程度与发育密度等因素决定的),各等级随深度的百分比变化不同(图11-4):①微透水(A级),渗透系数小于0.01m/d,百分含量低,随深度变化不大；②弱透水下带(B级),渗透系数介于0.01～0.05m/d之间,百分含量大于50%,随深度变化不大；③弱透水上带(C级),渗透系数介于0.05～0.2m/d之间,百分含量10%～30%,随深度略减少；④中等透水(D级),渗透系数介于0.2～1.0m/d,百分含量5%～30%,随深度加大而减少；⑤强透水(E级),渗透系数大于1.0m/d,百分含量极低,当深度大于80m时几乎为零。

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图11-4 坝区砂岩渗透性等级分配图

从上统计分析可以发现:①坝区砂岩的平均渗透系数随埋深增大呈指数规律衰减；②分层统计表明,渗透系数的大小随深度的变化与野外裂隙定性观察结果相同,存在4个垂向分带,即:强风化卸荷带埋深0～50m,弱风化卸荷带埋深50～80m,浅埋带(微新岩体带100～140m),深埋带(大于140m)；③从渗透系数分级统计可以看出,对砂岩渗透性起决定作用的是中、强透水的C、D两级岩体,决定了砂岩的“平均渗透系数”的大小,A、B两级渗透系数极小,而E级岩体在坝区中出现的概率极低。

为了考察砂岩渗透性与岩性相变、地质构造的关系,特取ZK47等9个钻孔的压水试验资料分析表明,不同砂岩层(T33xj12、T33xj13、T33xj14)的渗透性不存在明显的差异。不同粒度的砂岩,如中粗砂岩、细砂岩、粉砂岩,甚至泥质粉砂岩的平均渗透性也不存在决定性的差别。这不仅说明坝区砂岩空隙形式以构造裂隙为主(在脆性岩石中的分布相对均匀),而且在统一的构造应力场下,不同粒度的砂岩中的裂隙在发育密度和张开度之间存在某种均衡:密度大,则张开度小,反之,亦然；不同砂岩渗透性的“偏大估值”存在明显不同,如中粗砂岩的渗透性上限为0.73m/d,细砂岩为0.45m/d,粉砂岩为0.36m/d,泥质粉砂岩为0.12m/d。中粗砂岩和泥质粉砂岩相差5倍,表明不同岩性砂岩中,极强透水的宽大裂隙的发育程度是有较大差异的:岩石粒度越大,则其发育宽大裂隙的概率越大。

11.1.5.2 页岩(层间剪切带)的渗透特征

以煤质页岩和泥质粉砂岩挤压形成的层间剪切带,其渗透性通常具有一定的各向异性,表现在垂直于层面方向上的渗透性远比顺层方向的渗透性小,由钻孔压水试验计算的渗透系数主要反映的是页岩在顺层方向的渗透性(Kh),而垂层方向的渗透性(Kv)应该通过特殊的钻孔试验来判断。根据ZK47等几个钻孔的压水试验资料,煤质页岩、泥质页岩渗透系数一般小于0.05m/d,其平均值与泥质粉砂岩和粉砂岩差别不大,说明层间剪切带顺层方向上具有一定的渗透性。

从整个坝区钻孔压水试验段中泥页岩占80%以上的岩性段(共51段)的渗透性统计看,渗透性也明显随埋深加大而减小,但与构造部位关系不明显。如渗透系数偏大估值在沙金坝向斜NW翼(上游右岸和上游河心)可以达到0.5m/d,在SE翼渗透系数可以达到0.25m/d,在核部渗透系数可以达到0.3m/d。

将页岩段渗透系数按0.02m/d的间距分类统计,结果表明渗透系数小于0.02m/d的页岩占34.69%,说明页岩绝大多数属于微弱透水,其统计加权平均值为0.08m/d。

为了了解坝区页岩(层间剪切带)的垂直渗透性能及砂岩层之间的水力联系,确定坝区页岩渗透性的各向异性系数(Kh/Kv),为准确划分坝区水系统和建立数学模型提供依据,故在右岸坝肩和厂房后坡进行了多孔抽水试验,以CG3为抽水孔,抽水目标层为埋深108～202m段和④部分砂岩中的裂隙水,CG1、CG2为观测孔。CG1观测孔用于观测目标层①中的地下水位响应,CG2观测孔用于观测相邻下伏砂岩2③、④层中地下水变化,CG3止水后观测相邻上覆砂岩①上部及②砂岩层中地下水变化,通过CG2和CG3的水位观测来判断层间剪切L10和L11垂层渗透性。