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摘要：在对岩体结构特征现场调查基础上，通过裂隙统计、计算、压水试验等手段，发现处置场基岩裂隙的渗透性能具有明显的垂向分带性，其中在距地表近70 m范围内是处置场基岩裂隙水活跃带。采用统计窗法进行结构面几何参数测定，运用赤平投影法对裂隙进行分组，以各组裂隙数均值方向代表该组裂隙的方向，并计算出各组裂隙的平均间距，然后计算了岩体的渗透张量及主方向渗透系数。
关键词：地震作用 废物处置场 渗透特性 渗透张量
1 前言
“5.12”汶川地震对自然环境造成了严重的破坏，在河谷地带，大量泥沙随崩塌、滑坡进入河道，甚至堵塞形成堰塞湖，不仅明显改变河流水文条件，而且影响水资源与水环境[1]。有些地区的地表水不能很好地排泄，造成积水现象。受地震影响，岩体松动，渗透性增强，固体废物可能会流入附近水体，改变水质情况，造成水污染[2]。在地震作用下，某处置场岩土体渗透性有可能发生改变，河水与地下水发生互相补给，容易引起河水污染。为了确保万无一失，采取河流改道方案，即由三面环水，采取截弯取直，变为一面环水，取直部位采用拦水坝。但是，河流改道后岩体渗透性能如何，地下水渗流场如何变化，地下水与河水的补给关系如何等问题有待于进一步研究论证[3~6]。本文通过岩体结构调查、渗透张量计算、压水试验等手段研究了岩体渗透性能。
2场地地层岩性及岩体结构特征
2.1地层岩性
研究区位于扬子准地台与秦岭和松潘―甘孜地槽褶皱系相互交接的地区。中生代时虽处于与龙门山构造带相伴生的前陆盆地，但第四纪时前陆盆地已向西南迁移到安县西南的龙门山构造带中―西南段的前缘，区域构造线方向为NE~NEE。前后经历三次构造旋回，即加里东构造旋回，印支构造旋回和燕山构造旋回。加里东运动和燕山运动主要表现为整体升降运动，导致地层间呈平行不整合接触。印支运动则表现为强烈地褶皱隆起，不仅导致侏罗系与三叠系地层呈角度不整合接触，而且形成一系列复式褶皱。在复式背斜内，断裂构造相当发育，主要表现为逆冲断层和逆掩断层。这一系列的逆断层走向均与褶皱轴向近于一致，西边为NE向，东边为NEE向。表明褶皱形成的同时，沿某一组剖面“X”节理发育逆冲断层是本区的主要构造特色。沿褶皱初期平面“X”节理发育的走滑断层在本区相对较少。至于燕山期整体抬升导致的正断层更是少见。虽然走滑断层和正断层不是本区主要构造形迹，但它们改造印支期产生的逆冲断裂构造，使本区构造复杂化。
区域上，第四系较为发育，按其成因类型划分，主要有冲积、冲洪积、残坡积、人工堆积等；按时代划分则主要为中晚更新世（Q2、Q3）和全新世（Q4）。冲积物多沿河两岸分布，构成河流边滩、心滩及河谷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地；洪积物零星分布于采石场及河流西岸；残坡积在区内分布较广，遍及大多数的山坡地带；人工堆积可分两类，一为厂区、道路建筑物，一为大规模异地搬运而来的石块、岩屑堆积体。下伏基岩出露地层有奥陶系、志留系、泥盆-石炭系、侏罗系，所有地层岩石均未经受区域变质作用改造，以志留系下统的泥岩、粉砂泥岩分布最广，遍及全区。研究区地层主要由第三系、第四系、志留系地层组成。
2.2岩体结构特征
工作区地表揭露基岩结构面主要以层面为主，产状为N85°E；其次为N40°W方向的节理；N10°W的节理最不发育，见图2-1。岩体结构类型主要为镶嵌~次块状结构，岩体风化程度一般为弱风化，节理面平直稍粗糙，闭合，透水性差。
图1研究区基岩节理玫瑰花图
3 裂隙岩体渗透性能试验
研究区地下水按其赋存条件和运动方式分为第四系松散堆积層孔隙水和基岩裂隙水两种主要类型，源于大气降水补给。由于孔隙水分布范围有限，区内地下水渗流问题主要在裂隙岩体在内。活动于岩体结构面中的裂隙水，埋藏深度受季节、地形及结构面规模等因素控制。由于基岩中有多层泥岩夹层起隔水作用，裂隙水多沿泥岩与砂岩以泉的形式出露。地下水的赋存、运移明显受控于岩体结构，因此研究渗透特性必须充分考虑岩体结构特征。区内岩体曾经受过几次地壳变动，尤其是龙门山推覆构造的影响，产生了许多断层和节理裂隙，这些结构面可构成地下水的流动通道。为了评价岩体的渗透性，进行了大量的钻探及野外压水试验工作。钻孔压水试验的工作原理是在钻孔中以一定的压力将水压入孔壁周围岩体，当压入流量达到相对稳定的情况下，该段单位长度内在某压力下的渗流量，即称之为单位吸水量或透水率，用来表征该岩体的透水性。通过试验资料的分析，用一个压力点压水成果的计算方法及公式Lu=岩石吸水量[（L/min）
m-1]*
得出钻孔中岩土体的吕荣值。
根据上述方法，场地钻孔中岩体的渗透率随深度的变化如图2~图5（图中横坐标为渗透率，纵坐标为深度）。
图2ZK1钻孔Lu随深度变化
图3ZK2钻孔Lu随深度变化
图4ZK3钻孔Lu随深度变化
图5ZK4钻孔Lu随深度变化
图中表示出了各钻孔Lu值随深度变化的关系，大致可分为两种情况：第一类，从孔口往孔底Lu值交替变小，风化、卸荷从地表开始，越往地下深处作用强度越弱，相应的透水性也是从上往下递减。因此这类曲线与实际的增大介质渗透能力的作用向深度减弱的普遍规律是吻合的。第二类，钻孔Lu值从上往下总体仍是递减，但中间有Lu值变大的现象，这类钻孔与坝区岩体结构及岩体结构面发育以及其分布有关。
根据前人的研究，裂隙的渗透性能随埋深的增大将急剧性减少，当达到一定的深度时，裂隙呈闭和状态[6]。某低中放废物预选处置场基岩裂隙渗透性在垂向上的上述特征主要受4个因素的控制，裂隙的构造力学性质、风化、卸荷回弹和围岩应力。岩体随着风化、卸荷程度加剧，构造发育，透水性增强，透水性具明显的垂直分带性，随孔深的增加，透水性减弱，岩体完整性改善。
4 裂隙岩体渗透张量计算
4.1渗透张量计算方法
裂隙岩体中完整岩体的渗透性极为微弱，渗透水流主要在岩体裂隙中运动，而裂隙中的分布具有显著的非均一性和方向性，沿裂隙运动的地下水流速与水力坡度不一致，因为描述岩体地下水流运动的达西定律中各向异性的渗透特性应以张量表示，渗透张量有三个主值K1、K2、K3，是三个主值的几何平均值。
（1）裂隙分组
在同一组内的裂隙，它们的裂隙面不可能完全平行，而是呈一定分布规律处于离散状态，但必然存在一个产状，裂隙组内所有裂隙与它的产状偏差最小。显然，用它来表示裂隙组的产状最具有代表性。该产状的法矢量为最大概率方向（），它与裂隙组法矢量的合矢量平行，即，
∥（4-1）
因此，可以用式（3-1）来计算最大概率方向。式中，为第i条裂隙的法矢量。
（2）裂隙间距计算
设测量面的走向和长度以矢量表示，裂隙组的产状用单位法矢量表示，裂隙组内有N条裂隙，则裂隙间距（S）可以表示为
（4-2）
（3）隙宽分布及其计算
隙宽（b）的分布函数为
（4-3）
从上式可以看出，只要确定了分布常数和，就可以确定分布函数。对于一组裂隙，如有N个隙宽测量数据，则两个分布常数可以用下式估计
由分布参数，求得隙宽的数学期望（）和方差（D）
上述计算过程由JCLASS程序自动完成。
（4）渗透张量计算
当水力梯度平行于裂隙面时，地下水在单裂隙内的渗流量可以表示为
（4-4）
式中，g、、J分别为重力加速度、运动粘滞系数和平行于隙面的水力梯度；、为隙宽分布参数。
由于渗流场中的总水力梯度不可能平行于每一条裂隙面，因此，需要计算出总水力梯度中平行于隙面的分量，为此，需要引入渗透张量。
岩体中单裂隙的渗透张量（）为
（4-5）
式中
（4-6）
、分别为单位张量和并矢。
平均隙间距为S的一组裂隙的渗透张量为
（4-7）
如果岩体中有N组裂隙，则总渗透张量（）为
（4-8）
式中，為第i组裂隙的渗透张量。
在渗流计算时，如果使Descartes坐标系的三个轴与渗透张量主轴平行，不仅在理论上是可行的，而且可以极大地简化计算过程，因此，渗透张量计算的结果一般以张量主轴及其方向的形式给出。
4.2渗透张量计算
本次研究中裂隙几何参数测定量与岩体结构面调查配合进行，对工作区10处基岩露头采用统计窗法进行结构面几何参数测定，获得20个测窗的资料。运用赤平投影法对各个测窗的裂隙进行分组，以各组裂隙数均值方向代表该组裂隙的方向，并计算出各组裂隙的平均间距，然后进行渗透张量计算。计算结果见表1。
测点范围内，基岩最主要的导水结构面是NWW向的层面，而最大的两个渗透主轴基本在该平面内，最小渗透主轴与层面基本垂直，主方向渗透系数平均值为3.55×10-4m/d。计算结果与实际情况是比较吻合的，计算结果能真实反映工作区内岩体的渗透性能。
表1 研究区岩体优势方向的渗透系数张量
5 结论
根据废料处置场所在区域的地质构造环境，通过对处置场岩体结构的分析、渗透张量计算，得出以下结论：
（1）受地质构造及地震影响，基岩最主要的导水结构面是NWW向裂隙，而最大的两个渗透主轴基本在该平面内，最小渗透主轴与层面基本垂直，主方向渗透系数平均值为3.55×10-4m/d。
（2）受浅表生改造及地震作用的影响，某处置场浅表部裂隙局部松弛，岩体裂隙渗透性在垂向上的上述特征主要受4个因素的控制，裂隙的构造力学性质、风化、卸荷回弹和围岩应力。岩体随着风化、卸荷程度加剧，构造发育，透水性增强，透水性具明显的垂直分带性，随孔深的增加，透水性减弱，岩体完整性改善。处置场基岩裂隙的渗透性能在垂向上具有明显的分带性，其中在距地表近70 m范围内是处置场基岩裂隙潜水活跃带。由于该基岩裂隙水活跃带也是核素向河流迁移的活跃通道，因此必需采取河流改道、防渗等应急措施，达到万无一失。
（3）由于裂隙分布的方向性，处置场基岩裂隙具有各向异性的渗透系数。通过对处置场基岩裂隙的统计、分析，计算了基岩裂隙的渗透系数张量。
参考文献：
赵祥润，卿太明. 汶川地震对我省水土保持生态环境建设的影响[J].四川水利.2008，5：26-28.
尹炜，蒋固政，叶闽，雷阿林. 汶川地震灾后重建与水资源保护关系初探[J].人民长江.2008，39(19)：35-37.
张立杰，杜新强，廖资生. Visual Modflow在水库坝区渗控设计方案确定中的应用[J].地温建筑技术.2007，1：44-46.
武强，朱斌，徐华等. MODFLOW在淮北地下水数值模拟中的应用[J]. 辽宁工程技术大学学报.2005，24(4)：500-503.
杨青春，卢文喜，马洪云. Visual Modflow在吉林省西部地下水数值模拟中的应用[J].水文地质工程地质，2005，3：67-69.
王青海，王兰生，李晓红.低中放废物处置场的岩体渗透特性分析[J].重庆大学学报.2003,26（12）：134~137.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地震作用 废物处置场 渗透特性 渗透张量
1 前言
“5.12”汶川地震对自然环境造成了严重的破坏，在河谷地带，大量泥沙随崩塌、滑坡进入河道，甚至堵塞形成堰塞湖，不仅明显改变河流水文条件，而且影响水资源与水环境[1]。有些地区的地表水不能很好地排泄，造成积水现象。受地震影响，岩体松动，渗透性增强，固体废物可能会流入附近水体，改变水质情况，造成水污染[2]。在地震作用下，某处置场岩土体渗透性有可能发生改变，河水与地下水发生互相补给，容易引起河水污染。为了确保万无一失，采取河流改道方案，即由三面环水，采取截弯取直，变为一面环水，取直部位采用拦水坝。但是，河流改道后岩体渗透性能如何，地下水渗流场如何变化，地下水与河水的补给关系如何等问题有待于进一步研究论证[3~6]。本文通过岩体结构调查、渗透张量计算、压水试验等手段研究了岩体渗透性能。
2场地地层岩性及岩体结构特征
2.1地层岩性
研究区位于扬子准地台与秦岭和松潘―甘孜地槽褶皱系相互交接的地区。中生代时虽处于与龙门山构造带相伴生的前陆盆地，但第四纪时前陆盆地已向西南迁移到安县西南的龙门山构造带中―西南段的前缘，区域构造线方向为NE~NEE。前后经历三次构造旋回，即加里东构造旋回，印支构造旋回和燕山构造旋回。加里东运动和燕山运动主要表现为整体升降运动，导致地层间呈平行不整合接触。印支运动则表现为强烈地褶皱隆起，不仅导致侏罗系与三叠系地层呈角度不整合接触，而且形成一系列复式褶皱。在复式背斜内，断裂构造相当发育，主要表现为逆冲断层和逆掩断层。这一系列的逆断层走向均与褶皱轴向近于一致，西边为NE向，东边为NEE向。表明褶皱形成的同时，沿某一组剖面“X”节理发育逆冲断层是本区的主要构造特色。沿褶皱初期平面“X”节理发育的走滑断层在本区相对较少。至于燕山期整体抬升导致的正断层更是少见。虽然走滑断层和正断层不是本区主要构造形迹，但它们改造印支期产生的逆冲断裂构造，使本区构造复杂化。
区域上，第四系较为发育，按其成因类型划分，主要有冲积、冲洪积、残坡积、人工堆积等；按时代划分则主要为中晚更新世（Q2、Q3）和全新世（Q4）。冲积物多沿河两岸分布，构成河流边滩、心滩及河谷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地；洪积物零星分布于采石场及河流西岸；残坡积在区内分布较广，遍及大多数的山坡地带；人工堆积可分两类，一为厂区、道路建筑物，一为大规模异地搬运而来的石块、岩屑堆积体。下伏基岩出露地层有奥陶系、志留系、泥盆-石炭系、侏罗系，所有地层岩石均未经受区域变质作用改造，以志留系下统的泥岩、粉砂泥岩分布最广，遍及全区。研究区地层主要由第三系、第四系、志留系地层组成。
2.2岩体结构特征
工作区地表揭露基岩结构面主要以层面为主，产状为N85°E；其次为N40°W方向的节理；N10°W的节理最不发育，见图2-1。岩体结构类型主要为镶嵌~次块状结构，岩体风化程度一般为弱风化，节理面平直稍粗糙，闭合，透水性差。
图1研究区基岩节理玫瑰花图
3 裂隙岩体渗透性能试验
研究区地下水按其赋存条件和运动方式分为第四系松散堆积層孔隙水和基岩裂隙水两种主要类型，源于大气降水补给。由于孔隙水分布范围有限，区内地下水渗流问题主要在裂隙岩体在内。活动于岩体结构面中的裂隙水，埋藏深度受季节、地形及结构面规模等因素控制。由于基岩中有多层泥岩夹层起隔水作用，裂隙水多沿泥岩与砂岩以泉的形式出露。地下水的赋存、运移明显受控于岩体结构，因此研究渗透特性必须充分考虑岩体结构特征。区内岩体曾经受过几次地壳变动，尤其是龙门山推覆构造的影响，产生了许多断层和节理裂隙，这些结构面可构成地下水的流动通道。为了评价岩体的渗透性，进行了大量的钻探及野外压水试验工作。钻孔压水试验的工作原理是在钻孔中以一定的压力将水压入孔壁周围岩体，当压入流量达到相对稳定的情况下，该段单位长度内在某压力下的渗流量，即称之为单位吸水量或透水率，用来表征该岩体的透水性。通过试验资料的分析，用一个压力点压水成果的计算方法及公式Lu=岩石吸水量[（L/min）
m-1]*
得出钻孔中岩土体的吕荣值。
根据上述方法，场地钻孔中岩体的渗透率随深度的变化如图2~图5（图中横坐标为渗透率，纵坐标为深度）。
图2ZK1钻孔Lu随深度变化
图3ZK2钻孔Lu随深度变化
图4ZK3钻孔Lu随深度变化
图5ZK4钻孔Lu随深度变化
图中表示出了各钻孔Lu值随深度变化的关系，大致可分为两种情况：第一类，从孔口往孔底Lu值交替变小，风化、卸荷从地表开始，越往地下深处作用强度越弱，相应的透水性也是从上往下递减。因此这类曲线与实际的增大介质渗透能力的作用向深度减弱的普遍规律是吻合的。第二类，钻孔Lu值从上往下总体仍是递减，但中间有Lu值变大的现象，这类钻孔与坝区岩体结构及岩体结构面发育以及其分布有关。
根据前人的研究，裂隙的渗透性能随埋深的增大将急剧性减少，当达到一定的深度时，裂隙呈闭和状态[6]。某低中放废物预选处置场基岩裂隙渗透性在垂向上的上述特征主要受4个因素的控制，裂隙的构造力学性质、风化、卸荷回弹和围岩应力。岩体随着风化、卸荷程度加剧，构造发育，透水性增强，透水性具明显的垂直分带性，随孔深的增加，透水性减弱，岩体完整性改善。
4 裂隙岩体渗透张量计算
4.1渗透张量计算方法
裂隙岩体中完整岩体的渗透性极为微弱，渗透水流主要在岩体裂隙中运动，而裂隙中的分布具有显著的非均一性和方向性，沿裂隙运动的地下水流速与水力坡度不一致，因为描述岩体地下水流运动的达西定律中各向异性的渗透特性应以张量表示，渗透张量有三个主值K1、K2、K3，是三个主值的几何平均值。
（1）裂隙分组
在同一组内的裂隙，它们的裂隙面不可能完全平行，而是呈一定分布规律处于离散状态，但必然存在一个产状，裂隙组内所有裂隙与它的产状偏差最小。显然，用它来表示裂隙组的产状最具有代表性。该产状的法矢量为最大概率方向（），它与裂隙组法矢量的合矢量平行，即，
∥（4-1）
因此，可以用式（3-1）来计算最大概率方向。式中，为第i条裂隙的法矢量。
（2）裂隙间距计算
设测量面的走向和长度以矢量表示，裂隙组的产状用单位法矢量表示，裂隙组内有N条裂隙，则裂隙间距（S）可以表示为
（4-2）
（3）隙宽分布及其计算
隙宽（b）的分布函数为
（4-3）
从上式可以看出，只要确定了分布常数和，就可以确定分布函数。对于一组裂隙，如有N个隙宽测量数据，则两个分布常数可以用下式估计
由分布参数，求得隙宽的数学期望（）和方差（D）
上述计算过程由JCLASS程序自动完成。
（4）渗透张量计算
当水力梯度平行于裂隙面时，地下水在单裂隙内的渗流量可以表示为
（4-4）
式中，g、、J分别为重力加速度、运动粘滞系数和平行于隙面的水力梯度；、为隙宽分布参数。
由于渗流场中的总水力梯度不可能平行于每一条裂隙面，因此，需要计算出总水力梯度中平行于隙面的分量，为此，需要引入渗透张量。
岩体中单裂隙的渗透张量（）为
（4-5）
式中
（4-6）
、分别为单位张量和并矢。
平均隙间距为S的一组裂隙的渗透张量为
（4-7）
如果岩体中有N组裂隙，则总渗透张量（）为
（4-8）
式中，為第i组裂隙的渗透张量。
在渗流计算时，如果使Descartes坐标系的三个轴与渗透张量主轴平行，不仅在理论上是可行的，而且可以极大地简化计算过程，因此，渗透张量计算的结果一般以张量主轴及其方向的形式给出。
4.2渗透张量计算
本次研究中裂隙几何参数测定量与岩体结构面调查配合进行，对工作区10处基岩露头采用统计窗法进行结构面几何参数测定，获得20个测窗的资料。运用赤平投影法对各个测窗的裂隙进行分组，以各组裂隙数均值方向代表该组裂隙的方向，并计算出各组裂隙的平均间距，然后进行渗透张量计算。计算结果见表1。
测点范围内，基岩最主要的导水结构面是NWW向的层面，而最大的两个渗透主轴基本在该平面内，最小渗透主轴与层面基本垂直，主方向渗透系数平均值为3.55×10-4m/d。计算结果与实际情况是比较吻合的，计算结果能真实反映工作区内岩体的渗透性能。
表1 研究区岩体优势方向的渗透系数张量
5 结论
根据废料处置场所在区域的地质构造环境，通过对处置场岩体结构的分析、渗透张量计算，得出以下结论：
（1）受地质构造及地震影响，基岩最主要的导水结构面是NWW向裂隙，而最大的两个渗透主轴基本在该平面内，最小渗透主轴与层面基本垂直，主方向渗透系数平均值为3.55×10-4m/d。
（2）受浅表生改造及地震作用的影响，某处置场浅表部裂隙局部松弛，岩体裂隙渗透性在垂向上的上述特征主要受4个因素的控制，裂隙的构造力学性质、风化、卸荷回弹和围岩应力。岩体随着风化、卸荷程度加剧，构造发育，透水性增强，透水性具明显的垂直分带性，随孔深的增加，透水性减弱，岩体完整性改善。处置场基岩裂隙的渗透性能在垂向上具有明显的分带性，其中在距地表近70 m范围内是处置场基岩裂隙潜水活跃带。由于该基岩裂隙水活跃带也是核素向河流迁移的活跃通道，因此必需采取河流改道、防渗等应急措施，达到万无一失。
（3）由于裂隙分布的方向性，处置场基岩裂隙具有各向异性的渗透系数。通过对处置场基岩裂隙的统计、分析，计算了基岩裂隙的渗透系数张量。
参考文献：
赵祥润，卿太明. 汶川地震对我省水土保持生态环境建设的影响[J].四川水利.2008，5：26-28.
尹炜，蒋固政，叶闽，雷阿林. 汶川地震灾后重建与水资源保护关系初探[J].人民长江.2008，39(19)：35-37.
张立杰，杜新强，廖资生. Visual Modflow在水库坝区渗控设计方案确定中的应用[J].地温建筑技术.2007，1：44-46.
武强，朱斌，徐华等. MODFLOW在淮北地下水数值模拟中的应用[J]. 辽宁工程技术大学学报.2005，24(4)：500-503.
杨青春，卢文喜，马洪云. Visual Modflow在吉林省西部地下水数值模拟中的应用[J].水文地质工程地质，2005，3：67-69.
王青海，王兰生，李晓红.低中放废物处置场的岩体渗透特性分析[J].重庆大学学报.2003,26（12）：134~137.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。