燕山水库坝基顺河断层管涌试验分析

　　燕山水库坝址位于河南省叶县东南干江河上，设计坝顶高程117.70m，最大坝高34.2m，正常蓄水位108.14m，拦河坝选用斜墙土坝。坝基河床段F₁₀₀顺河断层破碎带及影响带宽180余m，国内罕见，断层的性质尤其是渗漏及渗透稳定性显得尤为突出，它直接关系到该水库的投资及决策。为此，综合考虑该断层的埋藏特点，根据现场情况采用钻孔压水试验法求得了断层带的渗透破坏坡降，并总结出破坏规律，为设计取值提供了理论依据，同时也为类似工程求取渗透破坏坡降提供了一种切实可行的方法。

　　一、断层破碎带及影响带特征

　　F₁₀₀顺河断层为区域性隐伏断裂，垂直断距大于1000m，坝基下破碎带宽150m，属正断层，倾向左岸，倾角60°～70°。下盘为熊耳群下组安
山岩，上盘未揭示。本断层至少经历过两期大的活动，前期属压扭性，后期属张性。

　　断层破碎带物质成分比较复杂，其原岩有页岩、粉砂岩、细砂岩、石英砂岩和灰岩，断层构造岩破碎程度较高，粉砂岩、细砂岩和石英砂岩多呈砂状、碎屑及部分碎块状，局部甚至为粉末；页岩则呈泥状、泥饼状、碎片状。以上岩类构造岩相互混杂，以常见的断层泥、风化砂、角砾和原岩包裹体为主，呈微胶结状态，构造岩挤压紧密，结构较密实。

　　断层影响带全风化安山岩呈砂土、砂砾状，强风化安山岩以碎块、短柱状为主。

　　二、现场管涌试验

　　断层带处于河床卵石混合土层以下10余m，地下水位较高，埋深仅0.5～2.Om，现场开挖做管涌试验难度很大；另外，由于断层带物质组成杂乱且破碎，钻孔取原状样做室内试验亦不可能。因此，选用钻孔压水试验法做现场管涌试验。

　　1．试验原理

　　钻孔压水做现场管涌试验目前尚未积累成熟的经验，我们也是在尝试，但通过努力取得了具有较高参考价值的数据，为最终大坝防渗设计提供了依据。

　　钻孔压水做管涌试验是布置一对主孔和观测孔，主孔和观测孔相隔一定的距离，孔距根据试段的地质情况而定。燕山水库坝基顺河断层管涌试验采用的孔距为2m，随孔深由上至下分段进行试验，试段长一般5～10m。通过在主孔试验段压入一定序列的高压水流，同时观测主孔和观测孔的流量、水位变化。理论上当地层发生临界渗透破坏时，细粒物质被水冲走，出现管涌，随时间增长及很小的压力增量，地层结构即被破坏。此时，主孔试段周围的压力将突然释放，其压入水流量将增大，观测孔水位或流量明显增加。从而在相关压力与流量关系曲线上获得一组拐点，该点即为渗透破坏的临界点，以此来求得该地层发生渗透破坏的临界坡降。

　　2．试段岩体的物质组成

　　试段岩体主要为上述断层带构造岩和全、强风化安山岩。对每试段分别取样进行了颗粒分析。

　　3．岩体的透水性

　　断层破碎带渗透系数为10-5～10-4cm/s，以弱透水为主，部分中等透水；全风化安山岩渗透系数为10-4cm/s，中等透水性，强风化安山岩渗透系数为10-5cm/s，弱透水。

　　4．试验过程分析

　　通过总结管涌试验的现场经验，分析试验资料可知，由于试验段岩体透水性较小，地层发生渗透破坏前观测孔的水位(流量)变化很小，且不同压力下的变化幅度也不同，仅从观测孔的水位(流量)变化难以说明试验过程，而主孔的压力(P)与压人流量(Q)具有明显的相关性(见图1)。

试验过程归纳起来有以下四个阶段： 　　冲刷阶段：冲刷阶段发生在具有相对较大透水性的试验段，岩体内本身具有一定的裂隙或某种通道，在较小压力水流作用下，其中的部分细小 充填物即被冲走，相应地岩体透水性增大，该阶段不同于管涌。为此在做GY4-1段试验时，主孔压力由0.1MPa增至0.15MPa，压入流量由1L/min增至14L/min，继续增压试验至0.6MPa岩体并未出现破坏现象，尔后回压至0.1MPa，主孔压人流量仅10L/min,说明冲刷阶段是存在的。需要特别指出的是，并非所有试验段的试验都有冲刷阶段。 　　管流阶段：岩体本身有一定的透水性，或者裂隙被冲刷形成通道以后，随着压力增大，流量也相应增大，但岩体结构仍保持不变，此阶段压力与流量呈近直线关系。部分试验段压力增大流量增量反而减小，说明岩体裂隙反被充填。
	图1　主孔P-Q关系曲线 (注：ICI水的临界比降)

　　变形阶段：随着压力、流量的不断增加，透水通道周围的岩体具有较大的应力，当其超过岩体组成物质的胶结强度时，透水通道周围的岩体开始发生变形，同时在具有较高冲刷力水流的作用下岩体被冲蚀，大量物质开始移动并溢出，透水通道亦相应增大，此时即管涌。

　　破坏阶段：随着管涌变形的发展，岩体不断被冲蚀，给岩体以很小的压力增量，其结构即被完全破坏，此时主孔供水流量骤增，压力自动减小，观测孔水位明显上升。

　　三、试验成果分析

　　1．渗透破坏类型

　　断层破碎带构造岩和全风化安山岩不均匀系数多大于80，渗透破坏类型以管涌为主，强风化安山岩岩芯以碎块、短柱状为主，一般不具备渗透破坏条件。

　　2．试验成果分析

　　根据现场试验资料及试验过程分析，现将具有代表性的成果列于表1。

表1　试段管涌试验成果表

　　临界坡降通常指动水压力等于土体浮容重的水力坡降，其理论计算公式为：
　　I_临=(△s-1)(1-n)

式中：I_临为临界坡降，△s为土粒比重，n为土的孔隙比。

　　计算结果表明，一般土体发生渗透变形的临界坡降值为0.8～1.2，此值仅指土体结构比较疏松忽略土粒之间内摩擦力情况下的理论值。而现场
试验值要大得多，究其原因是断层破碎带构造岩挤压紧密且具有一定的胶结所致，两者之差反映了岩体本身的结构强度大小。从试验过程及颗粒分析成果看，断层破碎带构造岩细颗粒物质在较小的水力坡降下即可移动，部分试段出现冲刷现象即是此因，而强风化安山岩在很高的水力坡降下仍不会发生渗透破坏。因此，临界坡降的选取应综合考虑土体本身的结构强度。

　　3．试验成果评价

　　根据上述分析，F₁₀₀断层破碎带和全风化安山岩具有较高的试验渗透破坏坡降，由于钻孔压水做管涌试验方法的局限性，如各压力下延续时间不可能模拟坝基岩体长期经受渗透水流的情况，管涌试验发生渗透破坏的标志仅通过一系列较明显的宏观现象来判别，并未考虑岩体的微观变化，以及断层带组成物质比较复杂等因素，因此在实际应用中应选取合适的安全系数，建议取3。　■

(作者单位：河南省水利勘测总队)
责任编辑 韦凤年