广西花山花岗岩体风化带的渗透系数

广西花山花岗岩体风化带的蛔系数李有光;蓝俊康;黎容伶;杨标【摘要】Huashangraniteweatheringzoneisrichinrareearthore.Inthefutureextractionprocess,thelocalgroundwaterenvironmentmaybeseriouslypolluted.Inordertoevaluatetheriskofgroundwaterpollutionduringmining,thepermeabilitycoefficientsoftheweatheringzonesofHuangshangraniteareneededtotestcomprehensivelyandtostudysystematically.Comprehensivetestsarecarriedoutbymeansofwaterseepagetestsonthesurfaceandpumpingtestsandwaterpressuretestsinboreholes.Meanwhile,long-termmonitoringofgroundwateriscarriedout,sothatthepermeabilitycoefficientsoftheweatheringzonesandtheirpartitionsareobtainedthroughGMSnumericalsimulation.Theresultsindicatethatthepermeabilitycoefficientsoftherockstratumintheweatheredzoneofgranitearegettingsmallerandsmallerastheweakeningofweatheringfromthesurfacetothedepths.Thepermeabilitycoefficientsofeachweatheringzoneareasfollowing:residualsoillayer2.3-3.80m/d,completelyweatheringlayer0.50-2.30m/d,stronglyweatheringlayer0.01-0.50m/d,moderateweatheringlayer0.003-0.01m/d,weakweatheringlayer8.64x10-5-0.003m/d,unweatheredlayer<8.64x10-5m/d.%花山花岗岩体风化带内富含稀土矿，在浸提开采过程中会对当地的地下水环境造成严重污染,为评价污染的风险性，需要对其渗透系数进行综合测试和系统的研究.通过在地表进行的渗水试验和在钻孔中进行的抽水试验、压水试验等进行综合性测试，同时还根据地下水长期监测结果，并通过GMS数值模拟来反求渗透系数，以确定渗透系数的大小及其分区结果显示,随着风化程度的减弱，花岗岩风化带的岩土层自地表向下渗透系数逐渐减小，各风化带的渗透系数(K)为:残积土层2.3-3.80m/d,全风化层0.50~2.30m/d,强风化层0.01-0.50m/d,中风化层0.003-0.01m/d,微风化层8.64x10-5-0.003m/d,未风化层<8.64x10-5m/d.【期刊名称】《桂林理工大学学报》【年(卷)，期】2016(036)004【总页数】7页(P681-687)【关键词】花岗岩;风化带;渗透系数;数值模拟【作者】李有光;蓝俊康;黎容伶;杨标【作者单位】桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心广西桂林541004;桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心广西桂林541004;桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心广西桂林541004;长沙勘察设计院广西分院，南宁530022【正文语种】中文【中图分类】P641.2由于未风化的花岗岩具有完整性和均匀性好、孔隙率及渗透率低的特点，故花岗岩地区是我国高放废物深地质处置的优选场址，已有学者对花岗岩的渗透性进行过深入的研究，如陈群策等［1］通过瞬时加压试验，利用记录试验段的水压随时间的衰减曲线，解偏微分方程来确定岩石的渗透系数;刘君等［2］采用几何测量法对花岗岩地区地表裂隙岩体及现场试验法对地下坑道中的裂隙围岩分别进行渗透系数张量的计算分析;胡少华等采用气体瞬态压力脉冲法测试不同围压下北山花岗岩在三轴压缩过程中的渗透率变化特征［3］;冯子军等测量了花岗岩在三轴应力作用下升温过程中渗透率的变化［4］。本文则通过现场渗水试验和在钻孔中进行的抽水试验、压水试验等手段进行综合测试，同时还根据地下水长期监测的结果通过数值模拟反求水文地质参数、确定渗透系数分区等系统研究花山花岗岩各风化带的渗透系数。姑婆山-花山花岗岩是南岭西段著名的中生代花岗岩基，国内已有众多地学工作者先后对其进行了大量的岩石学、矿床学、地球化学、同位素年代学等研究［5-8］,然而关于该花岗岩体的水文地质参数的测试和研究迄今未见报道，鉴于花山花岗岩体风化带内蕴藏着大量的稀土矿，这些稀土矿在原地浸提开采过程中很可能对周围的水环境造成严重污染，故迫切需要对其渗透系数进行测试和系统研究，以便预测矿山开采所引起的水环境污染程度并采取适宜的防污措施。1.1自然地理概况调查区位于广西钟山县花山乡境内，区内为花岗岩剥蚀地貌中的低山隆丘谷次级地貌单元，地形起伏较大，整个地势由西向东倾斜，采矿区的东部为思勤江，故以思勤江为调查区的东边界，地面标高197-260m，调查区的其余边界则以矿区外围的山脊（分水岭）为界，总面积确定为94.0km2，该范围包含了4个独立的水文地质单元（图1）。调查区地处中低纬度，属亚热带季风型气候，区内降雨充沛，年降水量1500-1900mm。降水量的季节性变化很大，雨季主要集中在5-9月份，丰水期雨量占全年总降雨量66.6%，平水期为10月及翌年3、4月份，枯水期为11、12月及翌年1、2月份。1.2地层岩性根据野外地质调查、区域地质资料及现场水文地质钻探结果，调查区地层如下：耕土（Q:主要分布于耕作田地表面，厚度0.3-0.5m,其岩性主要为黑、灰黑色流塑状饱和粘性土，土层松散，含大量有机质和腐殖质。冲洪积层():分布于思勤江及其支流两岸的一级阶地、河漫滩及河床冲积物，总厚度6~9m,主要为灰黄、褐黄色砂土、褐色粉质粘土，底部以粗砂为主，局部夹细砾石。坡-残积层()：主要分布于山坡和山脚处，为浅黄色、灰白色、中密砾质粘性土，含花岗岩、脉石英、砂岩等砾石，砾石的分选性、磨圆度很差，排列无规则，厚3~20m。标贯试验锤击数N<30击/30cm。花岗岩。根据钻孔内的标贯锤击数、岩心的完整性，按风化程度将其自上而下分为以下4个亚层：④-1全风化花岗岩:由岩浆岩土状风化层构成，原岩结构基本破坏，土质松散，呈褐黄、暗黄、灰褐色，厚1.4~16m,平均厚度为4.6m。成分以石英、长石为主，含少量黑云母，岩心多被磨成砾砂状，间隙充填粘粒。标贯试验锤击数N=30~50击/30cm。④-2强风化花岗岩:岩体结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩体破碎，标贯试验锤击数N>50击/30cm。为灰黄、灰白、肉红色，厚2.6~13.5m，平均厚度为7.5m。成分以石英、长石为主，含少量黑云母，岩心多被磨成砾砂状,间隙充填粘粒。④-3中风化花岗岩:原岩结构部分破坏，有少量风化节理，部分裂隙见铁质渲染，岩心呈短柱状，呈灰白、肉红色，厚1.1~9.8m，似斑状~细粒状构造，块状结构,以石英、长石为主,含少量黑云母。④-4微风化花岗岩:原岩结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙，岩石较完整，岩心呈长柱状。岩石呈灰白、肉红色，似斑状构造，块状结构。岩石致密，质硬，成分以石英和长石为主，含少量黑云母。埋深为13.8~36.8m，平均20m左右。④-5未风化花岗岩:结构未变，岩心呈长柱状。岩石呈灰黑色或肉红色，似斑状结构，块状构造，裂隙不发育。岩石致密，质硬，主要矿物为石英、长石、黑云母，含少量角闪石、辉石，局部有石英岩脉。埋深为20.4-48.8m，平均埋深34m左右。1.3地质构造本调查区几乎全为花岗岩侵入体，仅东南角有少量接触变质围岩(大理岩)出现，调查区内无大的断裂构造(图1)。1.4地下水类型按含水介质分，调查区内的地下水类型有第四系松散岩类孔隙水、花岗岩风化带网状裂隙水两种。第四系松散岩类孔隙水:主要分布于思勤江两岸一级阶地及河漫滩冲洪积层及更新统粘土砾石层或砂砾石层内。该类型的地下水位埋藏较浅，但水量丰富，水位埋深0.10-0.6m，年水位波动仅0.5m。花岗岩风化带网状裂隙水多分布于山区山岭之中。调查区内泉眼众多，花岗岩风化裂隙水经常流出成泉水，泉水流量多在0.1-0.5L/s，是山区居民的主要生活饮用水源，泉水常年不断流，流量较为稳定。通过抽水试验，该地下水类型的钻孔单位涌水量为1.05-100.94m3/(d・m),平均为39.02m3/(d・m)(相当于0.451L/(s・m)),富水性等级为〃中等”。1.5地下水的补、径、排特征补给源:大气降水是本地区孔隙水、裂隙水的主要补给源。此外，调查区山高林密，在春、冬两季山上雾气很大，且雾气出现的时间长，雾气容易凝结在树叶上或裸露的岩石表面上，进而对地下水进行补给。地下水流场:含水层的基底为不透水的岩基(未风化花岗岩)，各水文地质单元中的地下水流场各成体系，各体系之间不存在水力联系。在各系统内，地下水的运动基本上与地表水一致，即从地势较高处向地势较低处渗流，先进入思勤江各支流的河道内，最终汇入思勤江。地下水排泄主要有3种形式:(1)通过网状裂隙、孔隙向下游河道排泄;(2)以泉的形式出露地表;(3)人为抽水利用，在思勤江岸边有不少民井，个别水井的抽水量还很大。2.1水文地质钻探及水文地质长期监测对调查区进行为期16个月的长期水位观测，监测的目的是为了在数值模拟中能够利用实测的地下水位来反求水文地质参数及分区。除调查区内已有民用大水井3眼和常年流水的泉水点14处外，为补充地下水观测点的不足，以及进行水文地质试验和了解深部地层组合，在调查范围内及周边施钻19个孔，钻孔累计进尺767.3m，孔深为19.1~64.1m,其中8个钻孔深入微风化岩5.0-6.0m，其余11个钻孔均钻进未风化带10-21.0m。在钻探过程中，为了确定各风化带的分层界限，利用标贯试验进行测试，以确定各风化带的分界(按N<30击/30cm为残积土，30<Nv50击/30cm为全风化带，N250击/30cm为强风化带)。为了确定花岗岩各风化带的渗透系数，在8个钻孔内进行抽水试验，在4个孔内进行分段压水试验，另在地表10处进行双环渗水试验。2.2稳定流抽水试验8个钻孔中仅因1孔出水量偏小而作了2次降深，其余7孔都进行了3次稳定降深的抽水试验。由于各分带的土层较薄，且之间没有隔水层，无法对各分带进行隔离以作分层抽水试验，故所有试验都属于混合层的潜水完整井的抽水试验，所求得的混合层渗透系数主要是反映钻孔内透水性最强层位的渗透性(因透水性最强的层位对混层抽水反求得的水文地质参数的影响最大)。因各个钻孔之间距离很远，故亦为单孔抽水试验。混合层的渗透系数按下列公式迭代法求得[9-10]式中:R为影响半径(m);s为抽水井稳定降深(m);K为含水层的渗透系数(m/d);H为平均水头(m)，其值等于抽水前水井水位与抽水稳定后水井稳定水位的平均值;Q为钻孔的抽水量(m3/d);rw为抽水井半径(m)。根据计算结果，混合层抽水试验所确定的渗透系数K=0.1~8.0m/d(表1),该数值主要反映了地下水面以下渗透性最强的浅层(冲洪积层、全风化层)的渗透性。此结果与前人的研究成果大致相同:如刘君等［2］利用几何测量法得到花岗岩地区各露头的渗透系数在10-7-10-3m/s(即0.00864~86.4m/d)范围内变化，并主要集中在10-5~10-4m/s(即0.864~8.64m/d)量级。2.3双环渗水试验鉴于抽水试验无法进行分层抽水，只能求得混合层的渗透系数，故利用渗水试验进行补充测试。在调查区内共布置10个点进行渗水试验。试验点位置的选择主要考虑两个方面：1)不同的水文地质单元均有布置;2)在不同风化层进行测试。由于调查区内个别地段有挖方(如开挖路基、房基、采石场等)，强风化层、中风化层乃至微风化带都有可能露出地表，这为在地表直接测定这些层位的渗水系数带来可能，故试验点分别选在花岗岩残积土层、冲积土层、全风化层、强风化层、中风化层进行渗水试验，以测试它们的渗透系数。渗透系数的计算按《水利水电工程注水试验规程》(SL345-2007)推荐的公式进行，即式中:K—试验土层的渗透系数(cm/s);Q—内环的注入水量(L/min);F—内环的底面积(cm2);H—试验水头(cm),试验时坑内水头H=10cm;Ha—试验土层的毛细上升高度(cm),因查表所得的经验值一般都小于坑底深度，故大都按试坑深度取值;z—从试坑底算起的渗入深度(cm),用麻花钻确定。根据渗水试验计算结果，各土层的渗透系数(表1)：冲残积层为2.3~3.8m/d，全风化层1.32~1.6m/d，强风化层0.24~0.5m/d，中风化层(2.858-2.936)x10-3m/d。这些数据显示:随着风化程度的减弱，花岗岩风化层从上至下越来越致密，空隙越来越少，渗透系数越来越小。2.4压水试验安排4个钻孔对各个风化分带进行分段压水试验，每个钻孔在各个分层都进行了2个段次测试，试验结束后利用下面公式分别求得各风化带的透水率[9]式中:q为试段的透水率(Lu);Q为稳定压入流量(L/min);L为试段的长度(m);P为试段总水压力(MPa)。由于各试段均位于地下水位以下，且透水性均较小(q<10Lu,P-Q曲线为层流型)时，可按下式计算岩体的渗透系数[9]式中:K为岩体的渗透系数(m/d);H为试验水头(m);r0为钻孔半径(m);L、Q的意义同式(4)。压水试验结果显示，各土层的渗透系数(表1)：强风化层0.10~0.233m/d，中风化层3.52x10-3-4.22x10-3m/d，微风化层为8.82x10-4-1.267x10-3m/d，未风化层为3.53x10-4-4.22x10-4m/d，这些数据也显示:随着风化程度的减弱，花岗岩风化层从上至下渗透系数逐渐减小。3.1边界条件1)平面分界。由于花岗岩基底为隔水性能良好的未风化花岗岩体，因此研究区内各河流的汇水流域自成体系，调查区可分成4个相对独立的水文地质单元(编号见图1)。为减少模拟的工作量，本文把4个水文地质单元当作一个大的水文地质单元进行整体模拟，把各单元间的分界线视为内部隔水边界，则此时模拟区的边界就取4个单元的外围边界。模拟区的东侧边界:东部以思勤江为定水头边界(已知水头边界)，其余边界则以分水岭为界(亦为隔水边界)。各水文地质单元区的谷底河流(思勤江各支流)作为各单元的地下水的排泄基准面，亦作为第一类边界处理。模拟区的14处长年涌水的泉水点为地下水水位恒定点(恒等于泉水出露点的地面标高)，在模拟时亦作为地下水水位控制点。2)垂向分界。上界面以潜水为自由边界，其高度根据实测水位值及插值求得;含水层底部以未风化的花岗岩的顶面为隔水边界，即第二类边界。3.2数学模型考虑地下水的垂向流动，把地下水流视为三维的非稳定流，其数学模型根据《环境影响评价技术导则地下水环境》(HJ610—2011)附录F求得。式中:h为地下水水位(m);Kx、Ky、Kz分别为x、y、z方向的渗透系数(m/d);「1为已知水头边界(第一类边界)；「2为隔水边界;h1为河流水位(m);W为源汇项(d-1)；Q为渗流区域;3为贮水率(m-1),根据经验值取0.0008m-1;t为时间(d);为边界「2的夕卜法线方向…3.3网格划分平面上的单元剖分。研究范围是一个不规则的区域，需对研究区的网格进行合理的剖分。综合考虑网格密度对求解精度的影响和计算工作量的大小，采取的剖分如下:平面上为200行，150列，共计30000个矩形单元体。地形高程以散列点的形式输入到模型中，运用IDW插值法进行赋值。垂向上的单元剖分。在垂向上把含水层分成5个分层，即根据风化带的界线把含水层细分为表土层(冲积层或坡残积土层)、全风化层、强风化层、中风化层、微风化层等5层，把未风化层顶板作为含水层的隔水底板。3.4模型的识别和验证参考水文地质普查报告所提供的降雨入渗系数的经验值，并根据渗水试验、压水试验和抽水试验的求参结果赋予各分区和各风化带的渗透系数初值，通过结合自动反演和反复试算的方法，不断调整水文地质参数(含水层的渗透系数、降雨入渗系数、给水度)及各参数的分区大小，来拟合2014年各监测点(共17处)的4~12月份的实测的水位，当达到最佳拟合度时，则可认为模拟的结果是可信的。2014年5月份拟合的地下水位与实际观测水位的对比情况见图2，拟合程度较为理想。利用此模型来验证1~6月份的实测水位，各监测点的水位计算值与实测值的也吻合较好，这证明反演所得的水文地质参数及其分区结果可信。3.5模拟结果经GMS数值模拟反求的各分区、各层的渗透系数平均值见表2。本区花岗岩各风化带中的渗透系数:残积土层2.3~3.3m/d，全风化层0.8~1.8m/d，强风化层0.01-0.25m/d，中风化层0.003m/d，微风化层0.001m/d。渗透系数的分区情况见图3所示。第10分区主要是印支期花岗岩分布区，第4、8、9分区主要是思勤江干河冲积层覆盖区，第6、7分区主要是汤公河(思勤江支流)阶地的分布区，第2、3分区为北曹河(思勤江另一支流)阶地的分布区。综合考虑抽水试验、压水试验、试坑渗水试验及利用实测地下水位数值模拟反求参数等方法所确定的渗透系数，最终广西花山花岗岩各风化带的渗透系数建议值见表1。经过综合测试和系统研究，发现随着风化程度的减弱，花岗岩风化带的岩石自地表而下越来越致密，空隙越来越少，渗透系数越来越小，各风化带的渗透系数(K)大致为:残积土层2.3-3.80m/d,全风化层0.50~2.30m/d,强风化层0.01-0.50m/d，中风化层0.003-0.01m/d，微风化层8.64x10-5-0.003m/d，未风化层＜8.64x10-5m/d。在断裂构造不发育的花岗岩分布区内，由于基底岩石比较完整，基底的隔水性好，各条河流的汇水流域自成体系，各体系之间的地下水没有水