岩体相对透水性的调查分析方法

从水利水电工程地基排水目的出发所研究的岩体透水性资料，一般来说，不宜直接用于指导灌浆。岩体中的透水通道（简称水径，下同）是由石英岩、砂岩、灰岩和玄武岩等的不连续面控制的。若不连续面系统发育良好，水径较好，水的流动特性符合达西定律。然而这一条件只存在于个别情况之中。岩体中的水径好坏，不仅取决于不连续面的类型、孔隙体积、间距、方向、延伸长度、宽度和形态，而且也取决于不连续面之间的水力联系。一个好的岩体透浆通道（简称浆径，下同），除了具有好的水径外，还要具有使水泥颗粒顺利通过的空间。一组密集细小的不连续面，一些被细颗粒充填的较大不连续面，尽管水径是良好的，但浆径是不通的。有透水性的岩体并不一定有可灌性。为了有效地排水和灌浆，必须对岩体的水径和浆径分别进行调查研究。

（一）层状岩体的水径形态及其相对透水性

1.调查分析方法

用抽水试验确定渗透系数的方法不适宜灌浆的目的，因为抽水试验确定的是试段的平均渗透系数。从开挖探硐壁等人工露头上了解水径的特点是最为合适的。在进行水径调查时，应选用那些对天然不连续面系统破坏最小的对象。用传统方法爆破开挖的探硐，其不连续面将被卸荷松弛，这对正确了解水径是不利的；用掘进机开挖的隧洞，其不连续面大都不会受到扰动。然而，用爆破开挖人工露头的方法又是地质工作者常用的方法，这些资料不使用是不可能的，必须对人工露头及岩质边坡上所获得的资料分析使用。

由于岩体向临空面移动，边坡岩体的渗透性是否比谷底以下岩体的渗透性大？上覆土质物体由上向下淋漓使不连续面被充填，以致深部岩体较最上面岩体的渗透性是否还强？水径是在一个相当长的地质历史时期中形成的，岩石类型、构造活动和地表因素等的各自作用或叠加作用是否有影响，其影响程度如何？地表渗入水可否使原水径加宽或产生新的水径，地形地貌对水径张开度的影响，边坡附近有否准侵蚀平原，陡坡使水流顺坡疾流，缓坡可否产生较大的渗入量等影响因素都必须进行详细分析。只有这样，对于那些缺少水径资料的地段，才能比较切合实际地使用已取得的资料。

2.原层状岩体内的水径形态

砂页岩和石灰岩及其变质岩都属层状岩体。这些岩体内的层面、裂隙面（含片理面、劈理面）和断层面等都为不连续面。原层状岩体（简称原岩，下同）是指既不受大断层影响也不受风化卸荷影响的岩体，实际上是指深埋的远离大断层的层状岩体。

裂隙在任何岩体中都存在。不同构造时期的不同方向的构造应力，作用在不同类型的岩石上，就可以形成不同系统的裂隙。不同构造时期形成的裂隙有可能几组都不平行。裂隙的形成不需要强烈的褶曲运动，即使水平岩层中也可找到规则的几组裂隙，不同力学性质的裂隙具有不同的渗透性：剪切裂隙多处于闭合状态，因为在剪切过程中，剪切面相对滑动，它与正应力呈锐角相交；张裂隙与最大张应力呈正交，无论这些裂隙，有没有被矿物质充填，其张开性是普遍的。裂隙发育程度和范围，对排水和灌浆工程都是极为重要的。对岩体的可灌性有决定意义的是裂隙的形态。一般来说，裂隙分为构造裂隙和层面裂隙两种，每种裂隙都有固有的形状特征参数。

（1）构造裂隙。以小浪底工程区岩体的构造裂隙为例进行如下分析。

本区的构造裂隙，从走向来划分，可分3 组；若从倾向来分析可分为4 组，因为本区发育有走向相同而倾向相背的共轭裂隙。

1）两壁特征。壁面粗糙度是描述裂隙两壁面特征的最好指标。壁面的粗糙度是影响裂隙透水性的最主要因素之一。据野外调查统计，小浪底地区的裂隙面按粗糙度可分为3类：平直粗糙为主，占统计总数的42.2% ；阶状粗糙次之，占统计总数的37.5% ；波状粗糙较少，占统计总数的20.3%左右。粗糙度类型与岩性有关：坚硬岩体的裂隙多属粗糙型；而软岩体的裂隙多属平直型。粗糙度类型还与其形成的力学属性有关：张性裂隙多粗糙；张扭性裂隙多阶状粗糙；压扭性裂隙多波状粗糙。

2）裂隙宽度。由于裂隙两壁多具粗糙度，因而不能用目测估算，必须用金属塞尺插入测量，只有这样才可以真正确定透水通道的宽窄。为了研究裂隙宽度，对各类岩体的裂隙宽度用塞尺进行了测量，在不受断层和卸荷影响的深部岩体内的构造裂隙宽度，变化于0.038～0.13mm之间（表3-1）；在断层及其影响带内的岩体裂隙宽度比前者有不同程度地加宽；在卸荷带内的岩体裂隙宽度，要比深部岩体裂隙宽2～4 倍；在开挖工程的不同方位的岩体内，其裂隙宽度都有明显的加宽，有的甚至发展成为塌方和滑坡。

3）裂隙间距。大量调查资料表明，裂隙的发育程度主要表现在裂隙间距的变化上，裂隙间距的变化主要受地质构造部位、地层岩性和风化卸荷等作用的影响。为了真正了解到原岩的裂隙间距的变化，必须首先排除风化卸荷、断层和地质构造部位的影响，为此我们选择了远离大断层及其影响带的深部岩体，按岩组对不同组别的构造裂隙进行了统计（表3-3）。按构造裂隙的倾向不同，可分为4 组构造裂隙；按构造裂隙的走向不同，可分为两组，即表列的第一组与第三组合为一组；第二组与第四组合为一组。从表3-1 可以看出：第一组到第四组裂隙的平均间距分别为1.47mm、0.55mm、2.68mm 和3.11mm，其中以第二组最为发育（密度最大），隙距仅有0.55mm；第二组与第四组裂隙为走向近东西向裂隙，第一组与第三组裂隙为走向近南北向裂隙，前者与后者相比，前者的密度（隙间距）要密88% ，也就是说，该区的裂隙发育程度以走向EW 的裂隙最为发育；裂隙间距愈小，裂隙的隙宽愈大，即EW走向的隙宽比南北走向的隙宽大，倾向W和倾向S的裂隙宽度要比倾向N和倾向E的裂隙宽大；在同一产状的构造裂隙中，位于坚硬岩体（为岩组）内的裂隙间距要比较软岩体（为岩组）内的裂隙间距小，即坚硬岩体内裂隙要比较软岩体内的裂隙发育。

表3-1　深部岩体各组裂隙产状、隙距、隙宽均值表

4）裂隙走向长度。在探硐和竖井内，由于底面积有限（或宽度有限），绝大多数的裂隙走向长度被截短了；在地表露头区内，也常常需要清理覆盖层使统计裂隙的难度加大。在清理后的开挖基坑内，进行走向长度的统计是一个极为理想的地方。我们在引水建筑物进口的建基面上，对裂隙走向长度长于3.5m的裂隙进行了统计（表3-2）。从表中可以看出：如果按构造裂隙的走向划分，可以把倾向143.3°与倾向317.1°的裂隙划归一组，即把第三组与第四组裂隙划归一组；裂隙宽度随构造裂隙频率的大小而变化，频率愈高裂隙宽度愈大；平均每条裂隙所占的面积为14.4m2，即平均3.8m×3.8m的每个方格内可遇到1条裂隙；平均构造裂隙的走向长度为7.89m。

表3-2　引水建筑物地基构造裂隙走向长度统计表（均值）

表3-3　构造裂隙在倾向上的切层情况统计表

5）裂隙倾向长度。由于层状砂、页（泥）岩地层，在倾向上的岩性变化频率远远大于地层走向上的岩性变化频率。因而在地质构造应力作用下，使裂隙走向长度远远大于常常止于层面或其他不同岩层层面的裂隙倾向长度。前已谈及裂隙在倾向上的延伸性，其结论是：泥岩厚度大于0.1m时，裂隙的切穿率只有14%；砂岩中的裂隙多发育在砂岩岩性层内。由此可知，只要了解到一个地区的地层岩性剖面，特别是泥岩及其厚度和砂岩的岩性层厚度后就可推算出裂隙的倾向长度。

我们对6个竖井的裂隙都进行了详细的地质素描与编录，发现构造裂隙在其倾向上的切层情况都是有规律的，现选择两个竖井的切层情况列表3-3予以说明。从该表可以看出：构造裂隙在倾向上只切割单层的占大多数，为76.4%～81%；切割岩性层的裂隙占少数，为10.2%～16.4%。表列数据非常有意义地显示：在一个已知岩性和各个单层厚度的地层剖面上，可以肯定有78.7%的构造裂隙倾向长度是单层的厚度，如果再知道裂隙产状、密度资料，我们就可认为地层剖面上的裂隙分布，绝大多数是确定的。

（2）层面裂隙。有明显可辨的层面是层状地层的最突出特征。严格地说，层面都是透水的，但其透水性由于层面起伏等原因，使层面缝宽有较大差别，其透水性也就有大有小了。

1）层面类型。按照层面起伏的成因和起伏差的大小，可将层面起伏分成以下几种：

A.平直层面。在厚层的砂、页岩互层中，在不太大的范围内，它们的层面有一大部分是平直的。它是在水体中的悬浮物发生沉积，而水底部又没有扰动的情况下，相互近似平行的沉积层叠置而成。

B.原生起伏层面。在一部分厚层砂岩、页岩和大部分中等厚度（10～30cm）的砂岩中，常见层面是起伏不平的，一般称为起伏层，也称层面构造。在成岩之前形成的波痕起伏面就是原生起伏面。波痕层面，这是在砂岩层面上常见的一种原生起伏面。波痕由波峰（波痕的最高点）、波谷（波痕的最低点）、波长L（相邻两波峰或波谷的最短距离）、波高h（相邻的波峰与波谷的高差）组成（图3-1（a））。浪成波痕多分布于三叠系的和的中细砂岩层面上（图3-1（b））；流成波痕多分布于三叠系的粉细砂岩层面上。一般说来，前者的波痕规模多大于后者的规模。较小的波痕要比较大的波痕扁平。载荷构造层面是砂岩覆盖在软泥层上，软泥在上部压力作用下，使砂层的界面上出现许多复杂的瘤状突出体（数毫米至几十毫米）伸入到软泥层面中［图3-1（c）］而形成的原生起伏面。

图3-1　层面构造示意图

（a）波长与波高示意图；（b） 岩组中，砂岩、页岩波状起伏面（28号平硐西侧）示意图；（c）载荷构造（沟西公路西壁）示意图
①—砂岩；②—波状起伏面；③—泥岩

C.次生起伏层面。前述的原生起伏层面，在地质构造应力作用下发生褶曲而使层面起伏的面都为次生起伏层面。

2）层面隙宽。在风化卸荷区和断层带及其影响带地区，各个岩组的层面隙宽，都是深层岩体所反映出的层面隙宽，经断层作用和风化卸荷作用再加工而形成的。为此我们选择了分布在断层、风化卸荷作用影响以外的5 个探硐内的5 种岩组，对其层面裂隙进行了详细测量和分析统计（表3-1）。从表列数据可以看出，层面隙宽与其所在区的岩性有密切关系；若把隙宽按大小排列起来的话，它们恰与岩性颗粒按粗细排列起来的序次成对应关系。

在一个地区，地层岩性是基础资料，一般都是确定的，加之层面分布可以认为是无限远的，尽管沿层面的走向和倾向上岩性都是会有变化的，但和构造裂隙相比要稳定得多。因此，我们认为层面隙宽是可确定的一个问题。

3.层状岩体的相对透水性

对小浪底地区的裂隙层状岩体的原岩裂隙宽度与岩体强度之间的关系进行了大量统计。从统计成果中可以看出：(www.xing528.com)

（1）岩石的平均单轴饱和抗压强度的大小与岩性的胶结物成分有密切关系。胶结物的强度是随硅质→钙质→泥质的排列顺序而由强变弱的。

（2）岩体的变形模量、弹性模量与岩性的胶结物有密切关系。它们的相关关系与平均单轴饱和抗压强度和胶结物强度的关系是相似的。此外，变形模量指标的大小还与受力方向、层面的关系不同而有明显的差别。这说明裂隙层状岩体变形的不均质性，平行层面的变形模量远大于垂直层面的变形模量。

（3）构造裂隙宽度及其密度和层面裂隙宽度均与岩性有密切关系。随着不同岩性强度的变小，裂隙宽度和密度逐渐变窄和变大。层面是由于沉积物质变化而形成的，其间距可大可小，厚度可厚可薄。沉积物颗粒的突变形成的层面清晰可辨。在水平方向上岩相变化，即使在较大范围看也极不明显。岩层层面有光滑状、起伏状和贝壳状等形态之分。层面的形态是形成水径的重要因素。沉积物的突然变化而形成的层面不仅是明显的而且是较光滑的，沿层面法线方向上的抗拉强度、变形模量和抗蚀性最低，它对岩体的可灌性有很大影响。所以层面在不连续结构面中占有特殊位置。层面裂隙的宽窄不仅与上覆岩体荷载有关，而且也与岩性有关，坚硬岩体的层面裂隙要比较软岩体层面裂隙宽。无论是构造裂隙还是层面裂隙的宽窄，都决定于岩体强度，岩体裂隙的宽窄决定着岩体透水性的大小。岩体的岩性决定着岩体的透水性。

在大致相同的地质构造部位和相似的层序条件下，岩体的裂隙宽度决定于胶结成分和粒径成分。在一个已基本了解岩性和地质构造的地区，利用表3-4内所列的排序（Ⅰ1～22）即可大致了解到某个地段原岩的相对透水性。

表3-4　裂隙层状岩体相对透水性大小排序表

在此要着重指出的是，尽管岩性（含胶结物）是相同的，若构造部位不同，其裂隙密度可能存在较大的差别；在总厚度较大的砂岩内的裂隙宽度及其密度，与两层软岩相夹的砂岩内裂隙宽度及其密度相比是不同的，后者即使在相同应力场内，由于局部应力易于集中（易产生层间错动），砂岩内的裂隙宽度及其密度要比前者大得多；在粉砂质粘土岩内，其裂隙密度与岩层厚度有关，在本区内，粘土岩厚度小于30cm时，其裂隙密度要比大于30cm的粘土岩裂隙密度大得多。

（二）断层带及其影响带内岩体的相对透水性

相邻岩体沿某一方向发生位移而形成断层中的水径形式是多种多样的。沿着这些相对位移面所发生的构造运动所产生的力也是多种多样的。相邻岩体是否发生改变以及如何改变，粗大水径能否形成以及如何形成，这些都取决于运动的方向及岩体的岩性。从运动方向上可以判断断层的性质，即正断层和逆断层等。相背的力使岩体内产生张拉力，进而可以形成张性裂隙和断层；相向的力（挤压力）会形成与该力平行的张性水径，而不能形成与该力垂直方向上的张性水径。

断层两盘的岩石类型对形成水径的性质是相当重要的，因为在断层形成过程中，坚硬粗粒岩类比细粒软岩更易于形成水径。在前种岩石内，断层主要形成粗粒的断层角砾岩；而后种岩石内则形成具有明显塑性的细粒粘性糜棱岩。

为了做好小浪底工程地基排水和灌浆工作，我们对本区与工程有关的断层带及其影响带进行了大量的裂隙编录。从中得知断距小于5m的断层，它们的断层影响带不明显；在断层两盘上的岩体裂隙宽度和密度也没有明显的变化。然而在断距大于30m 的F236、F238、F28和F1 等断层的断层带及其影响带内的裂隙宽度、密度等要素，具有明显的规律性和分带性。

（1）发育完善的断层影响带，可细分为如表3-5 所示的5 个带，它们的透水性是有明显差别的。

表3-5　断层带及其影响带的相对透水性表

1）在以硬岩为主的岩体内，断层带的断层错动面或两错动面之间的核体，都是透水的，基本上属于各向同性透水；轻微和一般影响带，分别为各向异性的弱透水和强透水；其余3个带，由于裂隙宽度的明显增大，密度明显加密，构造裂隙、层面裂隙等裂隙相互沟通，分别具各向同性的强和极强透水性。

2）在以软岩为主的岩体内，断层带物质以泥为主体，是隔水的，惟断层带两侧的错动面为微透水。其余分别为各向异性弱透水和由于错乱层序而变成的各向同性的弱透水。

3）在硬、软岩互层中的岩层内，断层影响带的透水性介于1）、2）类之间。保持原岩结构的影响带，软岩隔水，硬岩裂隙宽度和密度增大而使透水性增大；原岩结构破坏，硬岩角砾被搓成泥的软岩所包裹，成层性已不存在，它们具有随影响弱强的不同而使透水性由强变弱。

（2）除了硬软岩互层中断层的严重、强烈和极强影响带以外，各类影响带的透水性变化趋势是，随着影响程度的加强，其透水性由弱变强。断层带不都是隔水的，影响带也不都是透水的，而是有其固有规律的。

（3）对于同一条断层，其断层带常常不是一条断层带。F236、F238、F28（发育在硬岩、硬软岩互层中）、F1（发育在软岩中）断层的各断层带的厚度分别为1.5m、3.5m、5m和25m。前3条断层影响带宽度变化于20～50m之间，而发育在以软岩为主的F1 断层，其轻微影响带几乎不存在。

当我们对分别发育在坚硬岩层、硬软岩互层和以软岩为主的岩层内的F236、F238、F28以及F1 断层带及其影响带，在各探硐内进行编录以后，我们提出了如表3-5所示的分类表，只要按分类表对断层带及其影响带进行进一步分带后，我们就可用“对号入坐”的办法对透水性进行初步评价。

不连续面的发育情况与断层错断的岩性强度有密切关系，发育在以坚硬岩层为主的F236、F238和F28断层中，与发育在以软岩为主的F1 断层相比有着本质的差别，后者裂隙面增多了但透水性是微弱的。对于发育在硬软岩互层内的断层，由于受层间扭力和断层扭力的影响，使夹于软岩之间的硬岩裂隙大量增加，其透水性也变大了许多。

（三）风化卸荷带内岩体的相对透水性

无论是天然河谷或露天开挖基坑，也无论是开挖的地下洞室，都不可避免地使岩体应力场、应变场作出新调整。凡出现拉应力的范围都会使岩体裂隙拉开而形成新的卸荷裂隙（表3-6），从卸荷裂隙分类表中可以看出：

（1）常见的卸荷裂隙可分为8个带，每个带尽管有某些相似之处，但它们都有各自的应力场与应变场。

（2）不同部位的岩体，由于有独特的两个场，因而就产生了不同范围不同深度的拉应力区，继而引起不同范围不同深度的卸荷裂隙带。

（3）在天然卸荷带内，由于开挖而引起应力再分布。尽管其成因机制不变，但其卸荷程度则要严重得多；在原岩内开挖，应力再分布引起的卸荷结果：露天卸荷与河谷相似；地下洞室卸荷则与一条河谷镜像反映成对应两条河谷卸荷情况相似。

对于表3-6 所列的8 个卸荷带，根据构造裂隙是否产生扭动，密度是否增加，层面和构造裂隙是否增宽等因素，可将前3 项有变化的地段称为强烈卸荷带，它具有极强的透水性，无论从工程地质观点还是水文地质观点来说都是要进行工程处理的。在本区，这个带的深度大都在0～10m之间。对于仅增宽裂隙宽度的卸荷带，称之为裂隙一般卸荷带。这个卸荷带深度变化比较大，大都在10～50m之间。总的来说，卸荷裂隙发育深度是有限的，其原因是到一定深度以后，上覆岩体自重作用增大，导致深部卸荷力远远小于岩体移动所受到的摩阻力。

表3-6　小浪底裂隙岩体内的卸荷裂隙分布表

总之，裂隙层状岩体的相对透水性指标，主要是通过研究裂隙宽度、密度的相对大小变化而取得的。裂隙宽度、密度相对变大些，其透水性就相对变大些，反之则相对变小些。

不受断层和卸荷风化作用强烈影响的原岩，其裂隙宽度、密度的变化，除了取决于被研究岩体所处的不同构造部位以外，而主要决定于被研究岩体的岩性或强度，强度大的岩体，裂隙宽度显著地比强度小的岩体裂隙要宽。简单地说，原岩的裂隙宽度和密度是研究复加影响因素的基础指标，即隙宽和密度再变化的基础指标。研究原岩裂隙是研究裂隙岩体相对透水性的第一步。

当具有一定裂隙宽度和密度的原岩，遭受断层作用后，其宽度和密度的变化程度，取决于断层规模和断层性质等。为了剖析裂隙，我们把大断层或具有强烈断层作用的地段，分成原岩裂隙和断层（裂）裂隙两个层次分析，即用“在原岩裂隙的基础上，叠加断层作用”的方法，来研究断层带及其影响带内裂隙宽度和密度的变化规律。研究结果表明，断层带及其影响带内的裂隙宽度和密度存在着固有的变化规律，当然，其相对透水性的变化也是有规律可循的。

靠近地表（层）的岩体裂隙变化，是原岩裂隙叠加卸荷风化作用的结果；靠近表层的断层带及其影响带的裂隙宽度和密度的变化，是原岩裂隙叠加断层和卸荷风化作用的结果。

任何地区（段）岩体的裂隙变化都是一种、两种和三种作用不同组合作用的结果。本章分别研究了这三种作用，发现原岩裂隙、原岩加断层裂隙、原岩加断层加风化卸荷裂隙都存在着裂隙宽度、密度变化的固有规律，因而按这个规律就可推知和框定裂隙层状岩体的相对透水性了。