1、对碎裂结构岩体似连续介质特征的一点研究JournalofEngineeringGeology 工程地质 10049665/2008/16(01)-0017-05对碎裂结构岩体似连续介质特征的一点研究周洪福韦玉婷聂德新(成都理工大学环境与土木工程学院成都 610059)(l)fl 省地质工程勘察院成都 610072)摘要通常情况下认为碎裂结构的岩体具有非连续介质的特征.但是随着西部大量水电工程的勘查和建设,遇到了一类比较特殊的岩体,这类岩体中裂隙发育,结构面间距很小,按照国标划分为碎裂结构岩体,但是其本身又具有较高的力学性质,表现为具有较高的变形模量,抗剪强度参数和完整性系数,并且具有似连续介质
2、的特征,这与通常的碎裂结构岩体有本质的区别.本文将利用两个实例工程对这一现象进行初步的分析,得到了水电工程可利用岩体的一种新的评价方法.关键词水电站岩体结构完整性系数裂隙间距岩体力学性质中图分类号:P642.22 文献标识码:ASoTELIKELYCoNT=【NUoUSMEDIUMFEATURESoFCATACLASTICRoCKIASSZHOUHongfuWEIYutingNIEDexin()EnvironmentandCivilEngineerCollege,ChengduUniversityofTechnology.Chengdu610059)()CeoEngineeringlnvest
3、ingationInstituteofSichuanProvince.Chengdu610072)AbstractCataclasticrockmasshasdominantdiscontinuousmediumfeatures.TherealeaspecialrockmassalongwithreconnaissanceandbuildingofHydropowerinthewest.Therockmassshouldbecataclasticrockmassbe.causeofsmallspacebetweendiscontinuities.Buttherockmassdiffersfro
4、mthecommoncataclasticrockmassesbe.causeithashighmechanicalcharacteristicsandlikelycontinuousmediumfeatures.Therockmasshashighmodu.lusofdeformation,highshearstrengthandhighsounddegreecoefficient.Itishopedtohavereferencetootherprojects.Twoexamplesareanalyzed.Anewmethodofavailablerockmassinhydropowerpr
5、ojectisobtained.KeywordsHydropowerplant,Rockmassstructure.Sounddegreecoefficient,Spacebetweendiscontinuities,Mechanicalcharacteristicsofrockmass1 引言“岩体结构是一定地质条件下由结构面和结构体(单元岩块 )共同组合的一种地质结构形式“,这一概念是孙玉科于 1965 年提出的.1979 年谷德振在“ 岩体工程地质力学基础“ 一书中作了比较全面的论述.经过多年的研究和发展,特别是水电部门众多大型工程的研究成果,“岩体结构“ 已成为评价岩体工程地质特性,岩
6、体稳定性的重要基础理论和收稿日期:20070731;收到修改稿日期:20070921.基金项目:国家自然科学基金项目(编号:40372127).第一作者简介:周洪福,主要从事工程岩土体稳定性研究 .Email:zht800726163.tom18JournalofEngineeringGeology 工程地质 2008方法.并且已经被列入水利水电工程地质勘查规范(表 1).表 1GB5028799 中岩体结构划分标准(部分)Table1ConceptionsignificanceofrockmassstructureinGB50287992 问题的提出通常情况下由于碎裂结构岩体中结构面发育,结
7、构面间距较小,导致其力学性质较低,因而具有非连续介质的特征.对于碎裂结构岩体及其特征,许多学者对其进行了多方面的研究 J.但是在我国广袤的西部地区,由于所处的特殊地理环境,地质条件复杂,岩体普遍受到多期构造运动的影响,岩体中裂隙较为发育,导致其结构面的间距较小(一般小于 30cm),如果按照表 1 所列的标准对其进行岩体结构划分,那么对应的则为碎裂结构岩体.但是深入研究就会发现,在某些地区,这些碎裂结构的岩体由于各种特殊原因,岩体本身的力学性能较高,使得岩体出现似连续介质的特征.因此,本文以金沙江和怒江上两座水电站在勘察期间所遇到的一些特殊的碎裂结构岩体提出自己的一点看法,希望能对其他类似工程
8、有一定的借鉴意义.3 工程实例分析金沙江中游的金安桥水电站位于云南省丽江县,永胜县分界的金沙江中游河段,电站坝型为混凝土重力坝,坝基岩体为二叠系玄武岩,库容 7.42 亿m,电站装机 1600MW.在水电站的勘察阶段发现,在河床坝基和两岸边坡部位分布有一层厚 4070m,基本平行似层面的绿泥石化玄武岩,从左岸PD7 号平洞中可直观的看到,绿泥石化玄武岩中裂隙较为发育(图 1),裂隙间距较小.另外从大量的河心钻孔所得到的岩芯资料也同样证实了这一点,在坝基裂面绿泥石化岩带的钻孔,岩芯破碎,岩石质量指标 RQD 多在 20%30%,以此对岩体结构进行划分,应属于碎裂结构岩体,岩体的质量等级应归属级,
9、级岩体 J.图 1PD7 号平洞绿泥石化玄武岩中洞壁裂隙展布图(130150m)Fig.1DiscontinuitiesdistributionofbasaltinPD7但是从现场的观察可以明显地感觉到无论是位于地下水位以上的 PD7 平洞,还是位于河水位以下的 XJ202 斜井水平段,不仅洞室周边的岩体无任何掉块,塌方现象,而且位于河水位下的 XJ202 斜井水平段不见任何渗水现象,就是滴水现象也难以见到,这表明岩体处于一种相对紧密的状态.为揭示这一问题的本质,在 PD7 平洞,PD207 平洞,XJ202 斜井及其他地段开展了大量的孔内(风钻孔)声波速度测试,获得的岩体纵波速度及完整性系数
10、,绝大部分地段在 0.75 以上,出现了块度为碎块状,而完整性指标却为完整,较完整性的完全相反,不对应的现象(表 2).出现上述完全不对应的情况在以往的水电工程中是较少见的,究其原因,作者认为:由于裂面绿泥石化裂隙在玄武岩后期热液作用下岩石蚀变形成绿泥石或热液中的绿泥石沉淀于隙壁,对裂隙有一定粘结的作用.并且形成于玄武岩后期作用的裂面绿泥石化岩体,尽管时间稍晚,但仍可归属于与玄武岩成岩时同期形成,裂隙有原生性特征.使得看似碎裂结构的岩体具有似连续介质的特征.因此,裂面绿泥石化裂隙及其改造的岩体,尽管碎裂,但却是原位下的碎裂,完全不同于构造作用形成的破碎带,岩块间有错位的碎裂岩体.16(1)周洪
11、福等 :对碎裂结构岩体似连续介质特征的一点研究 19怒江中游某水电站位于云南保山市,坝型为混凝土重力坝,坝址区横跨两套地层,右岸为石炭系玄武岩,左岸为三叠系白云岩.怒江深大断裂从坝址区外围通过,区内断裂构造发育,岩体完整性受到一定的影响.特别是左岸的白云岩,无论是边坡表部还是平洞深处(边坡深部),白云岩岩体中微裂纹极为发育,岩体被强烈切割,微裂纹的间距普遍在 1cm到数厘米之间,局部地方微裂纹的间距甚至低于lcm.并且从左岸钻孔揭露的白云岩岩芯也同样显示了这一特点:岩芯破碎,岩石质量指标 RQD 极低,在部分地段 RQD 甚至为零(图 2).并且这种现象在左岸白云岩地区大部分的钻孔中均有发现,
12、这和在平洞内观察到的情况是一致的.按照表 1 所列的标准对其进行岩体结构划分,则左岸的白云岩全部应为碎裂结构,对应的岩级为一 V 级岩体.如此大范围,微裂纹极为发育的碎裂白云岩分布于左岸坝肩,按照通常的认为,其坝肩岩体的稳定性应该较差,在左岸坝肩所打的勘探平洞也应该出现垮塌,掉块,渗水等现象.但是从现场观察的情况可知,左岸坝肩斜坡表部除第四系的崩坡积物外,没有见到大的垮塌现象.并且从现场左岸平洞中观察可以明显感觉到无论是位于高处的 PD9 和 PD10 号图 2 左岸钻孔中揭露的典型的破碎白云岩(ZKll651.8m 一 59m)Fig.2Typicaldolomiteofboreinleft
13、平洞,还是位于低处的 PD1,PD3 和 PD5 补平洞,岩体嵌合紧密,在没有任何支护措施的条件下,平洞洞顶和边墙处没有发现任何的掉块,塌方现象,平洞内整体干燥,甚至在断层处都未见滴水和渗水情况.为了试验白云岩的成洞条件和自稳能力,在 PD3 号平洞洞底处挖掘了一个边长在 10m 以上近似矩形的试验洞,在经历了长时间无任何支撑的放置后,试验洞顶部和边墙也没有发现任何的塌方,掉块现象.这说明岩体处于一种相对紧密的状态,使得岩体能够具有较高的整体稳定性.JournalofEngineeringGeology 工程地质 2008为了证实岩体的紧密程度,在左岸的各个平洞内开展了风钻孔声波测试,利用声波
14、资料得到岩体的完整性系数.从表 3 中可以看出:除断层破碎带和影响带,在其他地段岩体的波速普遍在 3000m?s 以上,对应的岩级则在级以上,这与利用岩体裂隙间距划分的岩体结构和对应的岩级应为一V 级是完全不对应的.表 3PD9 岩体波速,完整性程度及对应岩级Table3Soundwavevelocity,sounddegreecoefficientandrockmassqualityinPD9为了进一步证实白云岩的力学性质,在左岸河边和平洞内做了一些变形和大剪试验.按照通常的认为,碎裂结构岩体的变形模量应该较低.但是通过左岸白云岩变形试验和大剪试验可知(表 4 和表5):除受到放炮松弛影响(
15、BY 上游)以及位于强风化岩体内(PD5 补一 B1)的两个点的变形模量较低以外,其余变形试验点的平均变形模量为 9.18GPa,这与通常碎裂岩体中变形模量普遍在 3GPa 以下的结果是不匹配的.岩体的大剪试验结果同样证实了这个特点:除掉 PD3 号平洞内位于强风化带内弱面大剪的强度参数较低以外(/为 0.57,C 为 0.22MPa),其余两个试验点位于 PD1 号平洞弱风化段,其岩体抗剪断强度参数均较高,对照国标 GB5028799 中提出的岩体质量分级与力学参数表可知,它们已经达到级岩体的标准.表 4 左岸白云岩变形试验结果Table4Resultofexperimentalresear
16、chondeformationfordolomiteinleft注:除去 BY 上游和 PD5 补一 Bl 以外其他变形点的平均值:9.18GPa放炮松弛影响;位于强风化带表 5 左岸白云岩大剪试验结果Table5Resultofsheartestfordolomiteinleft上述研究成果表明,坝址左岸白云岩岩体中虽然微裂纹发育,呈现碎裂结构岩体特征,但是岩体的力学参数却普遍较高,与通常的碎裂岩体是完全不同.通过分析可知:坝址区邻近怒江断裂构造带,断裂较发育,在较强的构造动力环境下,性脆的白云岩在受到强烈的构造运动冲击时发生强烈的碎化,形成类似刚化玻璃受冲击时的碎裂状况和大量破劈理,细裂纹
17、,而刚度相对较大的玄武岩仅有较多的裂隙而未碎裂.构造运动后,碎裂的白云岩在地下水16(1)周洪福等 :对碎裂结构岩体似连续介质特征的一点研究 21长期作用下,溶蚀的钙质向下渗流到玄武岩与白云岩接触的部位时,由于玄武岩渗透系数较小,属于相对的隔水层,携带的钙质在白云岩底部靠近玄武岩的部位淀积下来,充填于大量的裂纹中,愈合岩体中的裂纹.使原来碎裂的岩体向连续介质转变,成为具有充填胶结碎裂结构的岩体,从而使得岩体的力学性质大大提高.4 结论上面利用两个工程实例对一种特殊的碎裂结构岩体进行了分析,从分析的结果来看,这类岩体具有一些普遍的特征:岩体中裂隙发育,结构面间距较小,按照传统方法划分为碎裂结构岩
18、体,对应的岩级为V 级.但是在不扰动破坏其自身结构的情况下,具有较高的力学性质,可以达到级以上岩体的标准.究其原因,是由于岩体中的结构面在特殊的情况下被一些物质充填胶结,使得岩体从非连续介质向连续介质转变.因此,对于这类特殊的岩体,是仍然沿袭以往的以结构面间距单一指标去予以判定,还是综合岩体波速,岩体完整性系数,坚硬岩体的透水性指标,岩体所处的环境条件,岩体变形参数,岩体强度参数去认真研究,分析后以大坝的变形,稳定来确定其可利用性,是目前工程地质评价值得关注的研究对象.参考文献1中华人民共和国行业标准编写组.水利水电工程地质勘察规范(GB5028799)s. 北京:中国计划出版社,1999.T
19、heProfessionalStandardsCompilationGroupofPeoplesRepublicofChina.Codeforwaterrsourcesandhydropowerengineeringgeolagiealinvestigation(GB5028799).Bering:ChinaPlanningPress,1999.2J 崔银祥 .碎裂岩体用作高混凝土重力坝坝基的可能性评价D.成都:成都理工大学 ,2005.CuiYinxiang.ProbabilityevaluationofeataelastierocknloSusedf0rhishconcretedamfou
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21、erostruetureproper-tiesofdiscretestructuralsurroundingrookmflflsinthelowgeostressregion.JournalofEngineeringGeology,2004,12(4):3964OO.5J 宋战平 ,李宁,张西前.似连续介质边坡从属稳定性的数值试验研究J.水土保持通报,2006,21(1):1619SongZhanping,LiNing,ZhangXiqian.Hypotaxisstabilityanalysisofseemcontinummediumslope.Bulletinofsoilandwaterconservation,2006,21(1):16196J 薛守义 .论连续介质概念与岩体的连续介质模型J. 岩石力学与工程,1999,l8(2):230232.XueShouyi.BasicaspectsofmechanicsofrockmassascontinuOUSmedium.ChineseJournalofReckMechanicsandEngineer-ing,1999,l8(2):230232.
