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水利工程中的柱状节理岩体分类及质量评价(徐卫亚 郑文棠 石安池)
http://www.hwcc.com.cn
时间: 2011-04-13 10:30:00
来源:《水利学报》2011年3月
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摘要:在总结国内外水利水电工程涉及柱状节理岩体工程问题的基础上,根据我国拟建的白鹤滩水电站工程不规则柱状节理岩体现场勘测和测试结果,对柱状节理岩体的分类方法进行了探讨,提出了柱状镶嵌块状结构和柱状镶嵌碎裂结构的分类方法。应用岩体质量评价的RMR 法和GSI 法对白鹤滩水电站两类柱状节理岩体进行了分析,并与美国汉佛德玄武岩核废料埋藏工程柱状节理岩体分类实例进行了对比。研究表明,RMR法和GSI法能较好地反映白鹤滩柱状节理岩体的工程力学特性。

关键词:不规则柱状节理;岩体分类;岩体质量评价;白鹤滩水电站

中图分类号:TU45 文献标识码:A 文章编号:0559-9350201103-0262-09

Classification and quality assessment of irregular columnar jointed basaltic rock mass for hydraulic engineering

XU Wei-ya1ZHENG Wen-tang1SHI An-chi2

AbstractThe data of hydropower projects involving the problem of columnar jointed rock mass in China were gathered and analyzed. On this basis the classification and quality assessment of irregular columnar jointed basaltic rock mass were investigated according to the site survey and in-situ tests results for the Baihetan Hydropower Project China. The appropriate rock mass classification method was discussed and the classification method for columnar mosaic blocky structure and columnar mosaic cataclastic structure were proposed. The RMR and GSI rock mass quality assessment methods were applied to analyze these two kinds of jointed rock mass and compared with the result of the method applied to the Hanford Basalt Waste Isolation Project USA. The results show that the RMR method and GSI method can well describe the engineering mechanical properties of irregular columnar jointed basaltic rock mass in the Baihetan Hydropower Project.

Key wordsirregular columnar jointsrock mass elassifieationrock mass quality evaluationBaihetan Hydropower Project

1 研究背景

当前水利水电工程的坝基岩体主要以块状和厚层状结构为主,厚层块状岩体是水利工程的优良建筑材料,其工程岩体力学特性不乏有相似成功的案例可供类比和参考。密集发育柱状节理的岩体在以往的国内外水利水电工程中较少提及。柱状节理岩体是否可以作为水工建筑物的坝基持力岩体,现阶段尚无系统考证,而现有的岩体质量分级方法和经验公式的适用性也亟待研究。

1列出了国内外相关涉及柱状节理岩体问题的水利水电工程[1-10],表明柱状节理岩体是一种常见的发育原生节理的浅层喷发岩。中国西南已建和在建的多个中型和巨型水电站,均揭露了二叠系峨眉山玄武岩组,如四川乐山境内的铜街子水电站和金沙江下游的金安桥、溪洛渡和白鹤滩等巨型水电站。但到目前为止,柱状节理岩体主要分布在水电站的硐室和边坡,尚未发现因柱状节理岩体的工程问题而导致坝址改选或坝线调整的案例。同时已有工程对柱状节理岩体的定名、分类、试验和参数研究甚少。拟建的白鹤滩巨型水电站,在坝基和地下厂房区域均揭露出大量密集发育的细长状柱状节理,其原位试验成果揭示柱状节理岩体力学特性较为特殊,引起了国内专家学者的重视。

本文以白鹤滩水电站的不规则柱状节理岩体为研究对象,旨在探讨适合柱状节理岩体的岩体分类方法和经验评价公式。

2 柱状节理岩体分类

2.1 按几何特征分类

柱状节理岩体由完整坚硬的岩块和呈规则或不规则多边形的柱状节理组成。徐松年[11]详细考察了中国浙江东部的新生代柱状节理玄武岩,首先从地质学的角度提出了规则柱状节理的几何形态分类方法。本文比较了白鹤滩水电站和国内外相关柱状节理岩体的几何形态发现[211-13],白鹤滩柱状节理岩体的柱面形态以四边形和五边形为主,属于非规则型。参照文献[11]的分类方法和文献[2]的柱状节理地质描述,可将白鹤滩柱状节理岩体分为三类:(1)非规则小型:柱状节理呈细长状密集发育,柱体长度一般为2~3m,直径13~25cm。柱体内发育微裂隙,块度为5cm左右,主要分布在峨眉山组的P2β33-1P2β33-2P2β33-3 亚层,见图1a);(2)非规则中型:柱状节理发育不规则,未切割成完整的柱体,柱体长度一般在0.5~2.0m之间,直径25~40cm,其内微裂隙较发育,但相互咬合,未完全切断,块度在10cm左右,主要分布在峨眉山组的P2β32P2β61P2β71P2β82岩层,见图1b);(3)非规则大型:柱状节理发育不规则,柱体粗大,柱体长度1.5~5.0m 不等,直径0.5~2.5m,切割不完全,嵌合紧密,主要分布在峨眉山组的P2β22 P2β23P2β41层,见图1c)。

1 国内外涉及柱状节理岩体问题的相关水利水电工程

 

1 白鹤滩水电站中不同柱体直径的非规则柱状节理岩体

2.2 按力学特性分类

按现行水利水电工程地质勘察规范[14],密集发育一类和二类柱状节理的玄武岩,应属于Ⅲ类镶嵌碎裂结构或Ⅳ类碎裂结构,岩体变形模量较低,这与白鹤滩浅表层卸荷松弛区及平硐开挖扰动区的柱状节理岩体原位试验成果一致。但是同样密集发育细长状柱状节理的深部玄武岩体,现场原位试验及声波试验均获得了高变形模量和高波速值,这似乎有悖于感观认识。以下综合考虑岩体结构特征和原位试验成果,按照力学特性将白鹤滩水电站的柱状节理岩体分成以下两类。

1)柱状镶嵌块状结构岩体。主要发育在P2β22P2β23P2β32P2β33等亚层内,见图2b)和(c)。其中P2β32P2β33两亚层细长柱状节理最为发育,分布于白鹤滩水电站坝基及左岸地下硐室群处,岩块镶嵌紧密-较紧密,受开挖卸荷扰动小。隐节理闭合性好,平均间距>20cm;柱状节理闭合,构造结构面未张开或张开度<0.5mm;层内错动带不发育,平均间距>10m。韩爱果等[15]在分析了溪洛渡水电站坝肩节理玄武岩体的节理统计资料后,指出按各组节理间距最小值进行岩体结构的划分,较为符合实际的地质情况。柱体间距是白鹤滩水电站深部柱状节理岩体的最小节理间距,其平均节理线密度达每米5条以上。现场原位试验表明,此类岩体的变形模量较高,表现出明显的各向异性特征,其中平均间距为4m的层内错动带对各向异性力学性质影响较大,微裂隙、隐节理及柱状节理所表现出的各向异性特征较小,可视为具有柱状镶嵌块状结构的各向异性岩体。此类岩体主要受承载作用,最大需承受289m拱坝自重荷载和280m水荷载,其变形模量和极限承载力对白鹤滩水电工程意义重大,属于工程利用岩体。

2 分布于白鹤滩坝基及右岸高边坡柱状节理

2)柱状镶嵌碎裂结构岩体。主要分布于左、右岸地下厂房围岩的开挖损伤区及右岸坝肩高边坡P2β61P2β71P2β82等亚层的风化卸荷区,见图2b)和(c)。岩块镶嵌松弛-较松弛,柱状节理张开1mm以上,横向隐节理平均间距在5~10cm,结构面普遍张开5mm以上,充填次生夹泥或岩屑,综合考虑各级结构面后,其节理线密度可达每米15条以上。受表生改造作用,右岸坝肩边坡表面的柱状节理岩体沿断层、错动带、裂隙风化卸荷较强,柱状节理面及平行柱面的隐节理普遍张开,表现为裂隙状风化和夹层状风化,部分呈全强风化状态。现场原位承压板试验表明,此类岩体呈破碎状柱状镶嵌结构特征,变形模量较低,各向异性明显,定义其为柱状镶嵌碎裂结构。这种岩体在地下硐室及高边坡开挖爆破中,主要受卸荷作用,原生柱状节理易解体,其与微裂隙、隐节理及层间错动带可构成局部不稳定块体,属于工程改造岩体。

3 柱状节理岩体的岩体质量评价和工程案例类比

工程岩体质量评价和分级方法是岩体稳定性评价的一种简易快速的方法。根据工程试验和岩石力学试验研究,针对各类岩石工程特点,将工程岩体按岩体质量和稳定性进行分类,作为岩石工程建设的评价标准,对于经济合理地进行工程选址、设计和岩体加固设计及施工,都具有重要的意义。

3.1 基于RMR法的柱状节理岩体质量评价

Bieniawski提出的RMRRock Mass Rating)是适用于节理化岩体的地质力学分类方法,已经成功应用于众多地下工程设计中,其各项指标物理意义明确,且考虑了产状的方向性。早期主要用于隧洞及地下工程,目前已逐渐推广到矿山、边坡和坝基等工程的岩体分类中。RMR分类是一种定量与定性相结合的多参数综合分类法,它得到了国内外各行业的广泛应用和认可。

柱状节理岩体是一种特殊的节理岩体,国外为数不多的柱状节理岩体工程案例表明,RMR法对评价柱状节理岩体质量具有普适性。如Justo等[16]采用RMR法评价了Tenerife Island一座高达40层楼房的节理玄武岩地基的变形模量,美国能源部[17]和Schultz18]采用RMR法成功评价了美国汉佛德玄武岩核废料埋藏工程(Basalt Waste Isolation Project)的柱状节理岩体(closely jointed basalt)的岩体质量。

RMR法按照岩石强度(用单轴抗压强度或点荷载)、岩芯质量指标(RQD)、结构面间距、结构面开度填充情况和地下水条件来综合评分。参照汉佛德柱状节理岩体的RMR分项评分,白鹤滩两类柱状节理岩体的RMR各项分值和总分见表2

2 白鹤滩水电站与美国汉佛德柱状节理岩体RMR评分对比

Bieniawski19]给出了RMR 与岩体变形模量Em 之间的经验公式:

Em = 2RMR - 100 (RMR > 50) 1

Serafim等[20]认为,当RMR<50时,采用下式拟合较好:

Schultz18]根据式(1)和式(2)对汉佛德柱状节理岩体进行了岩体质量评价,其预测柱状节理岩体的变形模量为14~31GPa,与美国能源部1988年测得的原位试验值10~40GPa较为吻合。这表明采用式(1)和式(2)预测柱状节理岩体的变形模量是合理可行的。根据式(1)和式(2)计算白鹤滩两类柱状节理岩体的变形模量,同时采纳Bieniawski建议,考虑RMR经验公式的误差为±18 ,计算可得:柱状镶嵌块状结构玄武岩的变形模量估值区间为22.96~33.04GPa,均值为28.00GPa;柱状镶嵌碎裂结构玄武岩的变形模量估值区间为5.48~7.89GPa,均值为6.68GPa

3 白鹤滩水电站各类岩体刚性承压板变形试验成果

注:表中数据摘自中水顾问集团华东勘测设计研究院于2006年完成的《金沙江白鹤滩水电站柱状节理玄武岩工程地质研究报告》[2],并补充了截止200911月份底完成的刚性承压板变形试验成果。

3为现场承压板试验成果。比较RMR经验公式估算值和表3的现场承压板试验成果可知:柱状镶嵌块状结构岩体变形模量的RMR法估值22.96~33.04GPa,均值28.00GPa)与新鲜-微风化柱状节理岩体的水平方向变形试验成果(22.31~31.99GPa,均值26.18GPa)较为吻合,偏差在7 以内。考虑到弱下段弱卸荷柱状节理岩体中,水平向微裂隙及层内错动带较为发育,同时硐底表层岩体受卸荷松弛影响最大,可将其近似为轻微卸荷松弛的柱状镶嵌碎裂结构玄武岩,弱上段、强卸荷柱状节理岩体可视为强烈卸荷松弛的柱状镶嵌碎裂结构玄武岩。分析可知,柱状镶嵌碎裂结构玄武岩的变形模量估值(5.48~7.89GPa,均值6.68GPa)位于弱下段弱卸荷及弱上段强卸荷柱状节理岩体铅直方向试验值的均值之间(3.70~7.52GPa)。对比表明采用RMR法估计白鹤滩两类柱状节理岩体的变形模量是较为合理的。

3.2 基于GSI法的柱状节理岩体质量评价

20世纪90年代以来,Hoek21]发展了一种新的岩体分级方法即地质强度指标法(Geological Strength Index,简称GSI)。这一体系是Hoek经过多年来与世界各地与之合作的地质工程师的讨论发展起来的,特别适用于非均质岩体及扰动岩体。地质强度指标GSI的确定主要基于岩体的岩性、结构和不连续面条件等因素,它联系了破坏准则和野外对岩体的地质观察,通过对路堑、硐壁及钻孔岩芯等表面开挖或暴露的岩体进行现场描述岩体地质特征和岩体结构参数以及影响岩体性质的其它主要因素,评价各种地质条件对岩体强度削弱程度,对岩体质量进行量化的评分和分级,然后利用岩体质量指标值与岩体变形模量之间的经验关系来确定岩体变形模量。

Hoek等[22]通过分析494个原位试验数据(其中火成岩179组,玄武岩46组)得到的GSI 与岩体变形模量Em之间的关系,并考虑岩体扰动效应D,得到与原位数据拟合率达90 以上的经验公式如下

式中:Em单位为MPaD 为岩体扰动因子,其与爆破产生的损伤大小及岩体应力卸荷程度有关。

参照Hoek对边坡爆破扰动的取值建议,本文将白鹤滩柱状节理岩体因开挖、爆破和施工等引起的扰动、损伤或破坏分为4 级:轻微扰动取D=0.1,局部扰动取D=0.5,小规模爆破或机械开挖D=0.7,大型生产爆破取D=1.0

柱状镶嵌块状结构玄武岩的结构面十分粗糙,属于新鲜未风化的结构面,结构体相互镶嵌、紧密咬合,受四边形或五边形棱柱状节理切割,据GSI分类表其对应的GSI 评分为55~70。柱状镶嵌碎裂结构玄武岩属于由4组或更多的节理形成的多面棱角块体,其对应的GSI 评分为35~55。对于质量较好的岩体(GSI >25),Hoek建议GSI 值可直接从式(1)确定,同时建议地下水分值取10,则柱状镶嵌块状结构GSI=66,属于地质强度指标分类表中的块状结构(GSI=60~80);柱状镶嵌碎裂结构的GSI=45,属于地质强度指标分类表中的镶嵌结构(GSI=40~60)。两类柱状节理岩体与GSI岩体分类对应较好。

本文计算了不同爆破工况下(D=00.10.50.71.0)柱状镶嵌块状结构玄武岩的变形模量估值,见表4。无扰动情况下,基于式(1)和式(3)计算的柱状节理岩体变形模量均值分别为28.00 30.61GPa,稍大于新鲜-微风化柱状节理岩体水平方向原位承压板试验成果26.18GPa。考虑到试验岩体的扰动,原位试验成果会偏低。由于硐室顶拱及底板处的扰动最大,两侧壁次之,本文认为D=0.1对应白鹤滩新鲜-微风化柱状节理岩体的水平方向原位试验成果,D=0.5对应白鹤滩新鲜-微风化柱状节理岩体的铅直方向原位试验成果。D>0.5时,岩体损伤趋于破碎并产生一定深度的塑性区。采用式(3)计算D=1.0时的柱状镶嵌块状结构岩体变形模量,其降低为无扰动下的7.1 ,接近弱上段、强卸荷柱状节理岩体试验小值的平均值。这表明若不控制爆破工艺,则柱状镶嵌块状结构岩体会恶化为柱状镶嵌碎裂结构岩体。采用式(2)和式(3)估算柱状镶嵌碎裂结构玄武岩的变形模量较为一致,均为6GPa左右,与白鹤滩弱下段弱卸荷柱状节理岩体铅直方向承压板试验值区间和均值接近。计算表明:基于两种经验公式的岩体质量评价与原位试验成果具有较好的一致性。

4 白鹤滩水电站柱状节理玄武岩变形模量原位试验成果与经验公式估值对比 (单位:GPa

注:上标①、②分别为白鹤滩新鲜-微风化柱状节理岩体水平方向和铅直方向承压板试验成果;③为弱下段、弱卸荷柱状节理岩体铅直方向承压板试验成果小值平均值;④为弱上段、强卸荷柱状节理岩体承压板试验成果小值平均值;⑤为白鹤滩弱下段-弱上段的弱卸荷-强卸荷柱状节理岩体承压板试验成果。

3.3 柱状节理岩体相似工程案例类比

工程地质类比法也是水利水电工程中一种很重要的研究方法。已有的水利水电工程规范中都明确规定,在有关地质工程设计中尽可能采用工程类比法,特别是已经成功运行的水利水电工程,其工程勘测设计经验更是工程类比法的重要依据。Schultz23]指出汉佛德玄武岩核废料埋藏工程开展的对大尺度柱状节理原位试验成果可以应用到岩土工程设计和施工中。本文从柱状节理成生环境、柱体特征和RMR法质量评分各方面比较了美国汉佛德和中国白鹤滩水电站柱状节理玄武岩,以探讨柱状节理岩体的工程适宜性。

美国汉佛德柱状节理玄武岩形成于位于太平洋板块与美洲板块交界处的哥伦比亚高原[24]。哥伦比亚高原的Columbia River Basalt GroupCRBG)是世界上重要的大陆溢流玄武岩,其覆盖区域达16.4km2,分布于Washington东部、Oregon北部及Idaho西部,其形成时间为中新世(约16~6Ma),见图3a)。白鹤滩柱状节理玄武岩位于印度洋板块和亚欧板块交界的扬子地台西南缘与青藏高原东南缘,形成时间为二叠世晚期(230Ma)[25],由于攀西裂谷的岩浆活动,形成了覆盖云贵川三省广大地域,分布面积达50多万km2的峨眉山大陆溢流玄武岩(ECFB),代表性岩组为二叠纪峨眉山组玄武岩系(P2)。中国西南诸多大型水电站均构建在二叠纪峨眉山玄武岩P2上。汉佛德和白鹤滩柱状节理玄武岩的成生环境类似,都分布在大洋板块和大陆板块交界处的高原;生成机制相同,都属于平稳泛式溢流,易于形成面积宽广且平稳的玄武熔岩,因此冷凝收缩形成相似的柱状节理岩体。

3 哥伦比亚河玄武岩分布范围和汉佛德柱状节理岩体

Goehring等[26]详细调查了美国汉佛德Pomona玄武岩亚层近地表试验区的柱状节理岩体后,将柱状节理岩体分为两类:一类为规则小型或中型柱状节理岩体,见图3b),柱体类型以六边形为主,柱长2.4m,半径15~30cm,平均20cm,倾角15°~20°,水平微裂隙发育,平均间距20cm,综合考虑原生和构造结构面的发育程度后节理线密度达每米13条以上;另一类为大直径不规则块状柱状节理岩体,见图3c);同时局部岩层还发育锯齿状节理(hackly joints)和枕状节理(pillow joints)。相比而言,白鹤滩柱状节理岩体的柱体断面形状以四边形和五边形为主,属于非规则型,同时柱体平均直径、柱体倾角均与汉佛德柱状节理岩体具有较好的相似性,即小型柱状节理平均直径均为20cm,倾角在20°左右,节理线密度都在每米13条以上,大型柱状节理则均表现为不规则大直径型。因此两者柱状节理岩体的岩体结构基本一致,其原位试验成果具有较好的工程类比性。

Moak等[27]在详细调查汉佛德柱状节理特征后认为,虽然玄武岩中包含密集型柱状节理(节理线密度超过了每米13条),但是原位试验表明其岩体质量评分很高。美国能源部对汉佛德柱状节理岩体的RMR 评分为45~67Schultz18]对汉佛德柱状节理玄武岩的RMR 评分为58~67。白鹤滩柱状节理岩体的RMR 分值为43~64,两者不规则柱状镶嵌块状结构的RMR 分值较为吻合,属于较好的岩体。白鹤滩不规则柱状镶嵌碎裂结构玄武岩受微裂隙、隐节理和层内错动带等影响,RMR 分值稍低于汉佛德的规则小型或中型柱状节理岩体。

美国汉佛德核废料工程和白鹤滩水利工程柱状节理岩体的工程地质类比表明:密集发育细长柱体的玄武岩,是一种质量较好的工程可利用岩体。我国水电领域目前正开展柱状节理岩体的理论和试验研究,如能搜集美国能源部、劳伦斯伯克利实验室和哥伦比亚大学等在20世纪80年代开展的大型柱状节理玄武岩室内试验和原位试验资料,则可从美国汉佛德柱状节理岩体的岩体质量、变形模量、强度参数及长期稳定性技术报告中借鉴相关工程经验。

4 结论

本文在总结柱状节理岩体工程问题和地质结构特征基础上,对白鹤滩水电站不规则柱状节理岩体进行了地质和力学分类,并根据工程可利用性和重要性将其分成两类岩体结构:柱状镶嵌块状结构和柱状镶嵌碎裂结构。在此分类基础上,采用RMR法和GSI法估算了柱状镶嵌块状结构和柱状镶嵌碎裂结构的岩体变形模量,并得到白鹤滩水电站原位试验成果的验证。最后比较了国内外相关柱状节理工程案例。研究表明:RMR法和GSI法能较好的反映白鹤滩柱状节理岩体的工程力学特性,柱状镶嵌块状结构玄武岩岩体质量评分较高,属于工程可利用岩体。

白鹤滩水电工程现场承压板试验表明,柱状节理岩体具有显著的各向异性, RMR法和GSI法可以较好地描述柱状节理岩体的等效变形模量,但不能评价柱状节理岩体的各向异性变形参数,目前已有相关文献分析了白鹤滩柱状节理玄武岩各向异性力学特性[29-31]。但根据美国汉佛德玄武岩柱状节理岩体大型三轴压缩试验成果可知[32],1MPa围压下铅直方向和水平方向变形模量的差异在一倍以上,9MPa围压下两个方向的变形模量差异则降低到10 以下,表明柱状节理岩体的各向异性特征在高围压下呈明显弱化的趋势,因此提供承载力的柱状镶嵌块状结构玄武岩体,在拱坝自重和水荷载下,各向异性程度将会减弱,可视同各向同性体处理。随着白鹤滩水电工程的大型原位试验进展,柱状节理玄武岩体的各向异性力学特性将得到进一步深入研究。

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作者简介:徐卫亚(1962-),男,江苏张家港人,教授,博士,主要从事岩石力学与工程研究。

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