岩体的渗透稳定性问题是岩体水力学研究的一个重要方面，指在地下水渗透作用下岩体的稳定程度。坝址岩体的渗透稳定性对于坝基抗滑稳定的影响，主要表现为地下水静水压力和动水压力对岩体的作用力，以及对岩体软弱结构面的物理—化学作用。岩体渗透变形是指在地下水的物理—化学作用以及力学作用下，岩体产生体积和形状的变化以及岩体内产生相对位移等现象。

由岩体的渗透变形导致大坝失稳破坏的事例，在国内外均有报道。在国外，著名的法国马尔帕塞（Malpasset）坝的溃决最具典型性（彭进夫等，2001）。该坝是一座底宽仅为6.26m、顶宽1.5m的薄拱坝，坝高60m，兴建在片麻岩岩体上。在投入运行后还不到6 年，即于1959 年12月2日在较高库水位作用下，该拱坝突然发生溃决。根据事后的调查分析，认为左坝肩特殊的地质构造组合以及由此产生的渗透变形是导致该灾害发生的根本原因。左坝肩支座恰位于由上、下游断层构成的破碎带之上，显然上游侧断层位于蓄水状态下的拉应力分布区，而下游侧断层则位于压应力分布区。结果导致上游侧断层受拉而张开、空隙水压上升，下游侧断层则受压、渗透压力升高而使左岸坝体上举。随着基础岩体渗透变形的发展，上覆坝体的位移逐渐增加并使拱坝内应力重新分布。结果，由于左坝肩承受不了由有效拱传来的巨大推力，而引起相应部位混凝土基墩的滑动，从而导致整个大坝的溃决。在国内，安徽梅山连拱坝于蓄水初期也因基础岩体的渗透变形而险些酿成灾害。在投入运行后也不到6 年，即1962 年9 月28 日水库蓄水至竣工后最高水位125.56m、且持续至1962年11 月6 日凌晨时，右岸坝肩基础裂隙岩体因渗透变形发展至一定阶段而出现流量陡增，达70L/s；与此同时，14 号垛基一个未封堵的灌浆孔出现喷水，压力水头达31m，相当于该处全水头的82%。另外，相应部位坝顶及拱、垛部位多处出现裂缝，其中15 号拱冠内侧产生裂缝由拱顶向下延伸长达28m，最大缝宽6.6mm。经放空水库检查，发现右岸13～16 号垛拱台前缘基础岩体出现了由渗透变形所致的局部的滑动以及岩体裂隙的张裂，其影响范围长达100余米，宽约30～80m。后及时采取了坝基固结灌浆及帷幕灌浆，并增设右岸坝垛重力墩、支撑墙、基岩预应力锚固和坝后排水设施等工程补强措施，才使大坝运行恢复正常（李珍照，2004）。由此可见，基础岩体的渗透稳定性程度将直接影响到上覆大坝的抗滑稳定性以及整体稳定性。

综上所述可见，岩体的渗透稳定性主要是由其所含的结构面及其组合所控制的，而地下水对于岩体损伤的力学改造作用则主要是通过对其结构面的改造作用得以进行的。因此，在水利水电工程枢纽区，如下两个问题应是岩体渗透稳定性研究的重要内容。

1.2.6.1　夹层软化、泥化问题

夹层是指在相对坚硬岩层中呈层状或条带状分布的岩层。在实际工作中，因其厚度往往很薄而以夹层称之；又因其岩性明显弱于两侧岩层而以软弱夹层（sandwich）称之。显然，它是软弱结构面的一种类型。

在水利水电工程建设中，基础地质体中的软弱夹层控制着大坝的抗滑稳定、边坡工程的稳定以及地下洞室的稳定，因而由此引发的问题是一个工程地质问题。同时，此类夹层是在地下水的物理—化学作用下发生软、泥化的，因而它又是一个水文地质问题。

按照成因，软弱夹层可分为原生型和次生型两类。在成岩作用之后，无论是构造错动还是地下水活动所形成的软弱夹层，均属次生型。此类软弱夹层在沉积岩、变质岩和岩浆岩等三大岩类中均有分布，在前两类岩层中呈层状或似层状延伸，而在后一类岩体中则多出现在构造断裂带与围岩接触部位，或沿岩脉发育，呈条带状展布。

已有的研究表明，夹层软泥化尤其泥化的成因比较复杂。它既与夹层中所含的黏土矿物的含量及其种类有关，也与构造破坏作用有关。前者中，如蒙脱石类矿物由于分散度高，表面积大，同晶替代作用显著，带有大量负电荷，并且晶格具有胀缩性，因而亲水性强，可形成较厚的表面溶剂化层（王幼鳞，1980），故其工程地质特性弱于由其他黏土矿物形成的泥化层。后者反映在：①破坏了夹层的完整性和致密性，增大了裂隙性和透水性；②破坏了夹层原有的结构连接，恢复和增强了介质的物理化学活性；③在破坏原有结构的同时，形成了与构造作用力相平衡的新的结构状态。研究也表明，上述夹层无论是在软化还是在泥化过程中地下水都起着十分重要的作用。由于特有的敏感性，此类软岩遇水后极易吸水而具有较强的崩解性、软化性，从而导致体积膨胀、强度减弱以及刚度下降等。由于特有的物理—化学作用，地下水可改变夹层中颗粒的连接及其排列状况，并在细小颗粒（如黏土颗粒）的周围可形成结合水膜，使颗粒间排列松散，含水量增大。若此类软岩处于长期的浸泡状态，可溶解其中的盐类，液—固相间发生离子交换，从而对夹层泥化的形成及其性质的改变都将产生显著的影响。在地下水的物理—化学双重作用下，夹层的泥化一经形成并将继续演变，其结果可导致结构疏松、抗冲刷能力下降，从而使一定条件下的渗透变形成为可能。就渗透变形现象本身而言，一般前期以化学管涌为主；而后期则可能伴有物理（或机械）管涌，其危害是不言而喻的。

软弱夹层的泥化过程实际上是由软岩向松散泥质转化的过程，是在表生环境下进行的（彭汉兴，1993）。因此，从某种意义而言，夹层的软泥化是化学风化作用的产物。化学风化作用是指在地下水参与下，由于化学和物理—化学因素使组成岩石的矿物发生分解，直至形成在环境中稳定的新矿物组合。表生环境中，由于氧、二氧化碳以及有机质等物质的参与，极大地加快了矿物的分解速度，其结果一方面使矿物中部分被溶解的元素转移到水溶液中并随之发生迁移，另一方面水溶液中部分元素也可与难溶的或残留的组分相互作用而形成新的矿物，从而导致泥化夹层的形成。

在水利水电工程枢纽区，基础岩体中存在软弱夹层的现象不乏实例，如葛洲坝、新安江、陈村、盐锅峡以及八盘峡水电站等。此类地质体潜在的软、泥化及其产生的危害已引起了多方的关注，有关研究已取得了长足的进展。目前，人们对环境水作用下坝址基础岩体中夹层软化的标志还是有相对一致的认识，但对其泥化标志的认识则还不统一。

因此，有关方面还需要继续深入探讨。需要探讨的方面包括：研究区内环境水质尤其是地下水质的时、空变化，幕后地下水析出物的矿物及化学成分的变化，幕后排水孔局部坍塌及其淤积物的矿物及化学成分，岩性的物探测试（如声波测试、单孔测井、跨孔测试以及井下电视等）以及钻孔岩芯的宏、微观鉴定等。

1.2.6.2　高水头作用下岩体水力劈裂问题

水力劈裂（Hydraulic fracturing）是指由于水压力的抬高，在岩体中引起细小裂隙（或裂纹）发生扩展的一种物理现象。实际上，它是20世纪50年代在石油天然气行业开始得到应用的一项新技术，即通过给钻井孔内注入高压水流迫使岩体内已经存在的呈断续分布的裂隙发生失稳而扩展、贯通，从而提高油气井的产量。如今，这一新技术在地热开发、核废料处置等领域也得到了应用（盛金昌等，2005）。(www.daowen.com)

在工程实践中，水力劈裂作用有时会导致严重的灾害发生。较为典型的工程实例是，1976 年美国的Teton坝在蓄水初期突然失事，经分析认为水力劈裂所致；我国广州抽水蓄能电站的输水系统经放空再充水之后，局部实测水压力与前期相比，增大近100m（李宗利等，2005）；又如浙江天荒坪抽水蓄能电站在运行期间发现在其输水系统下平段区一施工探洞内多处出现高压射水现象，经初步分析也认为与水力劈裂有关。

随着国民经济建设的发展，越来越多的地质工程将处于高水头、大埋深等特殊的水文地质环境下，因而裂隙岩体在渗流与应力耦合作用下的变形、损伤破坏及稳定性问题正成为多学科共同关注的一大课题（谢兴华等，2004）。

研究表明，诸如输水系统一类地下洞室围岩体在高压水头作用下，存在一个使岩体发生大量渗水以致发生渗透破坏的极限水力坡降（J0）。显然，当实际水力坡降J＞J0 时，相应部位围岩体就会出现渗透稳定性问题；而只有当J＜J0时，相应部位围岩体才是稳定的。研究还表明，由于岩体固有的蠕变性，在长期的高压水头作用下，上述极限水力坡降值具有减小的趋势。

根据岩体力学的基本知识，水工建筑物枢纽区高压输水系统在内水压力作用下，在其洞室周边产生环向拉应力，当这种环向拉应力大于岩石抗拉强度与初始地应力之和时，洞壁岩石将产生水力劈裂；而对于裂隙岩体，高压水可直接进入裂隙中，当内水压力大于围岩初始应力时，裂隙就会出现扩张，即其开度出现一个增量，由此而引发围岩体的渗透非稳定问题。

为揭示岩体在高压水作用下的渗流性态或渗透稳定性程度，可在现场进行水力劈裂试验或高压渗透试验（Higher Pressure Permeability Test，简称HPPT），有关成果可望为深埋地下洞室衬砌方案的设计提供依据。这两个原位试验的基本原理有着相似之处。前者是在钻孔中测试岩体裂隙重张压力的渗透试验，其劈裂压力是指在某水压力作用下，试验段流量与压力呈非线性变化时的特征压力点，此时岩体被劈裂而以开度出现扩张、所含充填物受到冲刷以及流量出现非线性增大等作为标志。后者也是通过钻孔来测试岩体在高压水作用下的渗流特性。在法国，HPPT是在所选的一定范围内沿一定方向钻两个平行的试验孔中展开的。其中之一为主动孔，对其充以高压水，观测围岩在一定压力和循环荷载作用下的渗水量，并从另一被动孔观测渗水量的变化。而另外一种方法则由美国一公司提出，即根据具体的地质条件，施钻长度不等的试验孔和观测孔；在试验孔中充以高压水，并同步观测试验孔内试验段的渗水量以及观测孔内相应试段的渗水压力。上述中，后一种HPPT方法已在我国浙江天荒坪抽水蓄能电站得到了成功的应用。通过该原位试验，目前已积累了一些可供借鉴的经验（米应中，2000）。

（1）高压水的渗透作用不存在尺寸效应，因此可以用钻孔代替洞室。

（2）钻孔试验段必须有足够的长度。

（3）试验水压力必须大于电站运行水压力，这是因为考虑到岩体具有蠕变性。

（4）进行循环试验是必要的，以揭示岩体所能承受的最大压力。

尽管如此，由于试验场地地质条件的复杂性以及工程背景、研究目的的不同，目前国内外对上述HPPT一类非常规压水试验尚未形成一个统一的技术标准，因而与之相关的一些方面仍需要探讨。

考虑到上述问题的孕育、发展及其演变与工程运行条件下区内地质体的演变密切相关，本书首先对地质环境与大坝工程之间的相互作用及其互馈效应进行探讨，然后对上述问题依据现代水文地质学及相关学科的最新理论和方法逐一展开分析。本书的特色可归纳为：紧密结合工程实际，从解决问题的实用性和有效性出发，遵循由机理分析到定性、定量评价相融合的基本原则；采用的技术路线是将现场调查、测试、取样与室内多手段化验、模拟相结合，将宏观分析与细观、微观分析相结合，将定性分析与定量解析相结合。作者认为，作为地学数据的一类，坝址环境水动态监测数据也具有海量、多解性等特点，采用上述技术路线有助于较为客观地提取蕴含在各类（包括宏观的，如扬压力及排水量等；微观的，如水质等）资料系列中的信息，因而也有利于探讨运行工况下坝址区可能出现的相关环境水文地质问题的成因及其演变，为必要时采取工程补强措施提供科学依据。