摘 要：在對巖體結(jié)構(gòu)特征現(xiàn)場調(diào)查基礎(chǔ)上，通過裂隙統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、壓水試驗(yàn)等手段，發(fā)現(xiàn)處置場基巖裂隙的滲透性能具有明顯的垂向分帶性，其中在距地表近70 m范圍內(nèi)是處置場基巖裂隙水活躍帶。采用統(tǒng)計(jì)窗法進(jìn)行結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)測定，運(yùn)用赤平投影法對裂隙進(jìn)行分組，以各組裂隙數(shù)均值方向代表該組裂隙的方向，并計(jì)算出各組裂隙的平均間距，然后計(jì)算了巖體的滲透張量及主方向滲透系數(shù)。

　　關(guān)鍵詞：地震作用,廢物處置場,滲透特性,滲透張量

　　1 前言

　　“5.12”汶川地震對自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，在河谷地帶，大量泥沙隨崩塌、滑坡進(jìn)入河道，甚至堵塞形成堰塞湖，不僅明顯改變河流水文條件，而且影響水資源與水環(huán)境[1]。有些地區(qū)的地表水不能很好地排泄，造成積水現(xiàn)象。受地震影響，巖體松動(dòng)，滲透性增強(qiáng)，固體廢物可能會流入附近水體，改變水質(zhì)情況，造成水污染[2]。在地震作用下，某處置場巖土體滲透性有可能發(fā)生改變，河水與地下水發(fā)生互相補(bǔ)給，容易引起河水污染。為了確保萬無一失，采取河流改道方案，即由三面環(huán)水，采取截彎取直，變?yōu)橐幻姝h(huán)水，取直部位采用攔水壩。但是，河流改道后巖體滲透性能如何，地下水滲流場如何變化，地下水與河水的補(bǔ)給關(guān)系如何等問題有待于進(jìn)一步研究論證[3~6]。本文通過巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查、滲透張量計(jì)算、壓水試驗(yàn)等手段研究了巖體滲透性能。

　　2場地地層巖性及巖體結(jié)構(gòu)特征

　　2.1地層巖性

　　研究區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺與秦嶺和松潘―甘孜地槽褶皺系相互交接的地區(qū)。中生代時(shí)雖處于與龍門山構(gòu)造帶相伴生的前陸盆地，但第四紀(jì)時(shí)前陸盆地已向西南遷移到安縣西南的龍門山構(gòu)造帶中―西南段的前緣，區(qū)域構(gòu)造線方向?yàn)镹E~NEE。前后經(jīng)歷三次構(gòu)造旋回，即加里東構(gòu)造旋回，印支構(gòu)造旋回和燕山構(gòu)造旋回。加里東運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為整體升降運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致地層間呈平行不整合接觸。印支運(yùn)動(dòng)則表現(xiàn)為強(qiáng)烈地褶皺隆起，不僅導(dǎo)致侏羅系與三疊系地層呈角度不整合接觸，而且形成一系列復(fù)式褶皺。在復(fù)式背斜內(nèi)，斷裂構(gòu)造相當(dāng)發(fā)育，主要表現(xiàn)為逆沖斷層和逆掩斷層。這一系列的逆斷層走向均與褶皺軸向近于一致，西邊為NE向，東邊為NEE向。表明褶皺形成的同時(shí)，沿某一組剖面“X”節(jié)理發(fā)育逆沖斷層是本區(qū)的主要構(gòu)造特色。沿褶皺初期平面“X”節(jié)理發(fā)育的走滑斷層在本區(qū)相對較少。至于燕山期整體抬升導(dǎo)致的正斷層更是少見。雖然走滑斷層和正斷層不是本區(qū)主要構(gòu)造形跡，但它們改造印支期產(chǎn)生的逆沖斷裂構(gòu)造，使本區(qū)構(gòu)造復(fù)雜化。

　　區(qū)域上，第四系較為發(fā)育，按其成因類型劃分，主要有沖積、沖洪積、殘坡積、人工堆積等;按時(shí)代劃分則主要為中晚更新世(Q2、Q3)和全新世(Q4)。沖積物多沿河兩岸分布，構(gòu)成河流邊灘、心灘及河谷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地;洪積物零星分布于采石場及河流西岸;殘坡積在區(qū)內(nèi)分布較廣，遍及大多數(shù)的山坡地帶;人工堆積可分兩類，一為廠區(qū)、道路建筑物，一為大規(guī)模異地搬運(yùn)而來的石塊、巖屑堆積體。下伏基巖出露地層有奧陶系、志留系、泥盆-石炭系、侏羅系，所有地層巖石均未經(jīng)受區(qū)域變質(zhì)作用改造，以志留系下統(tǒng)的泥巖、粉砂泥巖分布最廣，遍及全區(qū)。研究區(qū)地層主要由第三系、第四系、志留系地層組成。

　　2.2巖體結(jié)構(gòu)特征

　　工作區(qū)地表揭露基巖結(jié)構(gòu)面主要以層面為主，產(chǎn)狀為N85°E;其次為N40°W方向的節(jié)理;N10°W的節(jié)理最不發(fā)育，見圖2-1。巖體結(jié)構(gòu)類型主要為鑲嵌~次塊狀結(jié)構(gòu)，巖體風(fēng)化程度一般為弱風(fēng)化，節(jié)理面平直稍粗糙，閉合，透水性差。

　　3 裂隙巖體滲透性能試驗(yàn)

　　研究區(qū)地下水按其賦存條件和運(yùn)動(dòng)方式分為第四系松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水兩種主要類型，源于大氣降水補(bǔ)給。由于孔隙水分布范圍有限，區(qū)內(nèi)地下水滲流問題主要在裂隙巖體在內(nèi)。活動(dòng)于巖體結(jié)構(gòu)面中的裂隙水，埋藏深度受季節(jié)、地形及結(jié)構(gòu)面規(guī)模等因素控制。由于基巖中有多層泥巖夾層起隔水作用，裂隙水多沿泥巖與砂巖以泉的形式出露。地下水的賦存、運(yùn)移明顯受控于巖體結(jié)構(gòu)，因此研究滲透特性必須充分考慮巖體結(jié)構(gòu)特征。區(qū)內(nèi)巖體曾經(jīng)受過幾次地殼變動(dòng)，尤其是龍門山推覆構(gòu)造的影響，產(chǎn)生了許多斷層和節(jié)理裂隙，這些結(jié)構(gòu)面可構(gòu)成地下水的流動(dòng)通道。為了評價(jià)巖體的滲透性，進(jìn)行了大量的鉆探及野外壓水試驗(yàn)工作。鉆孔壓水試驗(yàn)的工作原理是在鉆孔中以一定的壓力將水壓入孔壁周圍巖體，當(dāng)壓入流量達(dá)到相對穩(wěn)定的情況下，該段單位長度內(nèi)在某壓力下的滲流量，即稱之為單位吸水量或透水率，用來表征該巖體的透水性。通過試驗(yàn)資料的分析，用一個(gè)壓力點(diǎn)壓水成果的計(jì)算方法及公式Lu=巖石吸水量[(L/min)

　　得出鉆孔中巖土體的呂榮值。

　　根據(jù)上述方法，場地鉆孔中巖體的滲透率隨深度的變化如圖2~圖5(圖中橫坐標(biāo)為滲透率，縱坐標(biāo)為深度)。

　　圖中表示出了各鉆孔Lu值隨深度變化的關(guān)系，大致可分為兩種情況：第一類，從孔口往孔底Lu值交替變小，風(fēng)化、卸荷從地表開始，越往地下深處作用強(qiáng)度越弱，相應(yīng)的透水性也是從上往下遞減。因此這類曲線與實(shí)際的增大介質(zhì)滲透能力的作用向深度減弱的普遍規(guī)律是吻合的。第二類，鉆孔Lu值從上往下總體仍是遞減，但中間有Lu值變大的現(xiàn)象，這類鉆孔與壩區(qū)巖體結(jié)構(gòu)及巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育以及其分布有關(guān)。

　　根據(jù)前人的研究，裂隙的滲透性能隨埋深的增大將急劇性減少，當(dāng)達(dá)到一定的深度時(shí)，裂隙呈閉和狀態(tài)[6]。某低中放廢物預(yù)選處置場基巖裂隙滲透性在垂向上的上述特征主要受4個(gè)因素的控制，裂隙的構(gòu)造力學(xué)性質(zhì)、風(fēng)化、卸荷回彈和圍巖應(yīng)力。巖體隨著風(fēng)化、卸荷程度加劇，構(gòu)造發(fā)育，透水性增強(qiáng)，透水性具明顯的垂直分帶性，隨孔深的增加，透水性減弱，巖體完整性改善。

　　4 裂隙巖體滲透張量計(jì)算

　　4.1滲透張量計(jì)算方法

　　裂隙巖體中完整巖體的滲透性極為微弱，滲透水流主要在巖體裂隙中運(yùn)動(dòng)，而裂隙中的分布具有顯著的非均一性和方向性，沿裂隙運(yùn)動(dòng)的地下水流速與水力坡度不一致，因?yàn)槊枋鰩r體地下水流運(yùn)動(dòng)的達(dá)西定律中各向異性的滲透特性應(yīng)以張量 表示，滲透張量有三個(gè)主值K1、K2、K3， 是三個(gè)主值的幾何平均值。

　　(1)裂隙分組

　　在同一組內(nèi)的裂隙，它們的裂隙面不可能完全平行，而是呈一定分布規(guī)律處于離散狀態(tài)，但必然存在一個(gè)產(chǎn)狀，裂隙組內(nèi)所有裂隙與它的產(chǎn)狀偏差最小。顯然，用它來表示裂隙組的產(chǎn)狀最具有代表性。該產(chǎn)狀的法矢量為最大概率方向( )，它與裂隙組法矢量的合矢量 平行，即，

　　從上式可以看出，只要確定了分布常數(shù) 和 ，就可以確定分布函數(shù)。對于一組裂隙，如有N個(gè)隙寬測量數(shù)據(jù)，則兩個(gè)分布常數(shù)可以用下式估計(jì)

　　由分布參數(shù)，求得隙寬的數(shù)學(xué)期望()和方差(D)

　　平均隙間距為S的一組裂隙的滲透張量為

　　在滲流計(jì)算時(shí)，如果使Descartes坐標(biāo)系的三個(gè)軸與滲透張量主軸平行，不僅在理論上是可行的，而且可以極大地簡化計(jì)算過程，因此，滲透張量計(jì)算的結(jié)果一般以張量主軸及其方向的形式給出。

　　4.2滲透張量計(jì)算

　　本次研究中裂隙幾何參數(shù)測定量與巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查配合進(jìn)行，對工作區(qū)10處基巖露頭采用統(tǒng)計(jì)窗法進(jìn)行結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)測定，獲得20個(gè)測窗的資料。運(yùn)用赤平投影法對各個(gè)測窗的裂隙進(jìn)行分組，以各組裂隙數(shù)均值方向代表該組裂隙的方向，并計(jì)算出各組裂隙的平均間距，然后進(jìn)行滲透張量計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表1。

　　測點(diǎn)范圍內(nèi)，基巖最主要的導(dǎo)水結(jié)構(gòu)面是NWW向的層面，而最大的兩個(gè)滲透主軸基本在該平面內(nèi)，最小滲透主軸與層面基本垂直，主方向滲透系數(shù)平均值為3.55×10-4m/d。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況是比較吻合的，計(jì)算結(jié)果能真實(shí)反映工作區(qū)內(nèi)巖體的滲透性能。

　　5 結(jié)論

　　根據(jù)廢料處置場所在區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，通過對處置場巖體結(jié)構(gòu)的分析、滲透張量計(jì)算，得出以下結(jié)論：

　　(1)受地質(zhì)構(gòu)造及地震影響，基巖最主要的導(dǎo)水結(jié)構(gòu)面是NWW向裂隙，而最大的兩個(gè)滲透主軸基本在該平面內(nèi)，最小滲透主軸與層面基本垂直，主方向滲透系數(shù)平均值為3.55×10-4m/d。

　　(2)受淺表生改造及地震作用的影響，某處置場淺表部裂隙局部松弛，巖體裂隙滲透性在垂向上的上述特征主要受4個(gè)因素的控制，裂隙的構(gòu)造力學(xué)性質(zhì)、風(fēng)化、卸荷回彈和圍巖應(yīng)力。巖體隨著風(fēng)化、卸荷程度加劇，構(gòu)造發(fā)育，透水性增強(qiáng)，透水性具明顯的垂直分帶性，隨孔深的增加，透水性減弱，巖體完整性改善。處置場基巖裂隙的滲透性能在垂向上具有明顯的分帶性，其中在距地表近70 m范圍內(nèi)是處置場基巖裂隙潛水活躍帶。由于該基巖裂隙水活躍帶也是核素向河流遷移的活躍通道，因此必需采取河流改道、防滲等應(yīng)急措施，達(dá)到萬無一失。

　　(3)由于裂隙分布的方向性，處置場基巖裂隙具有各向異性的滲透系數(shù)。通過對處置場基巖裂隙的統(tǒng)計(jì)、分析，計(jì)算了基巖裂隙的滲透系數(shù)張量。

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