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【摘 要】客观、准确的评价坝基岩体质量,提供合理的岩体物理力学参数,对水工建筑设计方案尤为重要。本文在深入分析坝基岩体结构特征、岩体紧密程度等单一地质因素对岩体质量影响的基础上,考虑各种因素的相互影响,采用多因素综合评判的方法,对坝基岩体质量级别进行了划分与评价。
【关键词】 岩体结构;结构面发育程度;紧密程度;嵌合程度;风化卸荷;岩体声波;岩体透水性
Baopinhe water electricity station dam Ji rock physical endowment quantity ratings and evaluation
Zhang Jian-hong
(No.1 branch of Gansu water conservancy electricity survey research design institute Zhangye Gansu 734000)
【Abstract】Objective and accurate of the evaluation dam Ji rock physical endowment quantity, provide reasonable of rock body physics mechanics parameter, to water work building design project is importance.This text at thorough analysis dam Ji rock body structure characteristic, rock body close degree etc. one geology factor to rock physical endowment quantity influence of foundation up, consideration various factor of mutually influence, adoption many factor comprehensive the method for adjudicate, to the dam Ji rock physical endowment quantity the Class carried on divide the line and evaluation.
【Key words】Rock body structure;The structure noodles growth degree;Close degree;The Qian match degree;The morals and custom unload a lotus;Rock body voice wave;Rock body deeply water
1. 概况
宝瓶河水电站为黑河干流中游大峡谷段规划中的梯级水电站之一,地处甘、青两省交界处,工程由引水枢纽、引水发电系统及发电厂区三部分建筑物组成。设计坝高93.60m,正常蓄水位2521m,库容1855万m3,总装机容量120MW,工程等级为中型Ⅲ等工程。
2. 地层岩性及地质构造
坝址区两岸山体雄厚,谷坡陡峻,相对高差500m以上,为典型的深切“V”型谷。岸坡基岩大部裸露,岩性有蛇纹岩、石英岩、英安岩。蛇纹岩为坝址区主要岩石,分布广泛,系加里东早期侵入岩变质而成,淡绿～墨绿色,纤片状、纤维状结构,块状构造,局部片理发育,单轴饱和抗压强度Rb=50.3～74.5MPa,属中～坚硬岩。石英岩以条带状或团块状夹杂于蛇纹岩体中,主要分布于坝址区左岸,灰白色或浅褐色,鳞片状或细粒变晶结构,块状构造,表部节理发育,耐风化,岩石单轴抗压强度Rb=69.4～88.6MPa,属坚硬岩。英安岩以团块状夹杂于蛇纹岩体中,零星出露,灰白色略带淡绿色,斑状结构,块状构造,耐风化,岩石单轴抗压强度Rb=85.2～95.3MPa,属坚硬岩。
根据地质测绘及勘探,坝址区无规模较大的控制性软弱结构面分布,发现小断层17条,一般延伸长度150～400m,破碎带宽0.3～1m,组成物为压碎岩、角砾岩、岩屑等,一般泥钙质胶结差,挤压紧密。裂隙的发育程度与岩性和构造部位密切相关,具一定区段性,裂隙宽度一般0.5～3cm,个别宽达10～20cm,充填岩屑、岩粉、泥和岩石碎块,泥钙质胶结差或无胶结,延伸长度一般10～20m,少数裂隙延伸长30～50m,裂隙性质以剪性为主,极少数为张裂隙,部分张裂隙在岸边有卸荷迹象。
3. 岩体质量级别划分
坝址区岩性变化较大,岩体内断层及裂隙较为发育,谷坡深部岩体内地应力高,浅表部岩体由于应力释放卸荷松弛强烈,这些因素构成了影响岩体质量及其力学性质的主要地质因素。为客观评价坝址区岩体的工程特性,首先根据现场地质调查成果进行了工程地质单元划分,在此基础上对各单元岩性组合特征及各类结构面发育情况进行了统计分析,同时结合室内及现场试验、测试资料、工程类比,并参照有关规程规范,分别从以下几个方面对坝址区岩体质量进行了的初步划分。
3.1 岩体结构特征。
岩体内结构面类型、发育程度、张开充填情况、岩块尺寸大小等结构特征是制约岩体力学特性和影响岩体质量的关键因素。坝址区岩石建造类型复杂,构造改造强烈,岩体内不同类型的构造结构面发育;谷坡形成后由于地应力释放,浅表一定范围内的岩体沿结构面松弛拉裂张开明显,进一步降低了岩体完整性。
根据平硐、钻孔地质调查资料分析,综合原岩建造及构造和浅表层改造结果, 将坝区岩体结构分为块状结构、次块状结构、次块状～镶嵌结构、镶嵌～碎裂结构、碎裂～散体结构五种类型,不同结构类型岩体的基本地质特征及岩体完整性指标(RQD) 和体积节理数(Jv)见表1。
3.2 岩体紧密程度。
坝址区深部岩体结构面多挤压紧密,岩体抗变形能力强,浅表岩体由于应力释放沿结构面松弛张开明显,岩体抗变形能力显著降低。因此,在岩体质量分级时,必须考虑岩体所处围岩状态对岩体力学性质的影响,不同的围岩状态直接表现为岩体紧密程度的变化,而岩体紧密程度可用定性的岩块嵌合程度、风化卸荷状况以及定量的声波纵波速度值的大小来表征。
(1)岩块嵌合程度:根据平硐内节理裂隙松弛张开程度、硐壁地应力现象等宏观地质调查结果,结合钻孔压水试验成果,岩块嵌合程度可分为紧密、较紧密、较松弛、松弛、极松弛五级。
(2)岩体风化:坝址区石英岩、英安岩抗风化能力强,风化微弱;蛇纹岩则抗风化能力相对较弱,风化较强。岩体风化作用主要使节理裂隙面锈染变色,并造成断层破碎带物质进一步分解蚀变成风化夹层。总的看,风化作用对岩体质量有一定影响,按风化作用结果,可分为强风化夹层、弱风化岩体、微风化～新鲜岩体三级。
(3)岩体卸荷:坝址区岸坡高陡,谷坡岩体受卸荷作用强烈,与谷坡近于平行的结构面松弛拉裂明显,导致岩体紧密程度显著降低,岩体完整性变差,故卸荷作用构成了影响岩体质量的主要地质因素之一。由于卸荷裂隙多为张开的空缝状,对岩体变形具有控制意义,按卸荷强度划分为强卸荷、弱卸荷、无卸荷三级。
(4)岩体声波纵波速分级:岩体弹性波速的高低主要取决于岩性、岩体结构、围压状态、岩体含水性等基本地质因素,是一种表征岩体质量的综合指标。本工程在可研、初设阶段勘测过程中,进行了大量现场波速试验,采用的方法有硐壁对穿声波测试、钻孔声波测试等。根据岩体声波纵波速测试成果,波速值的高低与岩体卸荷程度密切相关,综合反映了岩体质量的优劣。坝基岩体按声波纵波速分级见表2。
4. 岩体质量分级结果
在深入分析坝址区岩性组合、岩体结构特征、岩体紧密程度等单一地质因素对岩体质量影响的基础上,综合上述地质因素对岩体质量的影响,结合岩体力学试验成果,参照《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50287～2008)中的坝基岩体工程地质分类方法,将坝址区岩体质量划分为四级,具体分级结果见表3。
5. 岩体基本地质特征及评价
(1)Ⅱ级岩体:主要为两岸弱卸荷以里、河床弱风化以下的石英岩、英安岩体,岩石坚硬,微风化～新鲜,无卸荷。以块状结构为主,可见1～2组裂隙,间距>50cm,嵌合紧密,透水性微弱,总体较完整,属良好地基。
(2)Ⅲ级岩体:包括两部分,一是两岸弱卸荷以里、河床弱风化以下的的蛇纹岩体,微风化～新鲜,无卸荷,岩体嵌合较紧密;总体上该级岩体整体性较好,抗变形能力较强,可作为坝基利用岩体。二是两岸弱卸荷、河床弱风化带内的石英岩、英安岩体,岩体嵌合较松弛～较紧密,发育3组以上裂隙,间距10～30cm,延伸一般<10m,偶见裂隙充填泥膜、碎屑、方解石膜,经一定工程处理后可作为坝基利用岩体。
(3)Ⅳ级岩体:包括两部分,一是两岸弱卸荷、河床弱风化带内的蛇纹岩体,岩体嵌合松弛,完整性差,裂隙风化显著,普遍充填泥膜,部分充填碎屑,常见贯穿性结构面,不宜作为坝基利用岩体,需进行加固处理;二是有一定胶结或挤压紧密断层破碎带,呈碎裂结构,岩体嵌合松弛,不能直接作为坝基利用岩体,需作专门处理。
(4)Ⅴ级岩体:包括两部分,一是无胶结、松散的断层破碎带,呈碎裂～散体结构,岩体嵌合极松弛,不能直接作为坝基利用岩体,需作专门处理。二是两岸强卸荷的蛇纹岩体,呈散体结构,不能作为坝基利用岩体,需开挖清除。
6. 结语
岩体质量取决于多种地质因素的偶合作用,各种因素对岩体力学性质的影响不尽相同,在不同的地质单元中起控制作用的各种地质因素之间的主次关系也常常会发生变化。因此,任何单一因素的分级都不能全面反映岩体质量级别,必须采用多因素综合评判的方法,考虑各种因素的相互影响,进行系统的分析评价,才能客观、准确的划分出岩体质量级别,并合理的提出各级岩体物理力学参数,为水工建筑物设计提供可靠的依据。
参考文献
[1] GB50487-2008,水利水电工程地质勘察规范
[2] GB50218-94,工程岩体分级标准
[文章编号]1619-2737(2010)03-12-77
[作者简介]张建红(1975-),男,河北省青龙县人,工程师,学士,从事水文地质与工程地质勘测工作。
【关键词】 岩体结构;结构面发育程度;紧密程度;嵌合程度;风化卸荷;岩体声波;岩体透水性
Baopinhe water electricity station dam Ji rock physical endowment quantity ratings and evaluation
Zhang Jian-hong
(No.1 branch of Gansu water conservancy electricity survey research design institute Zhangye Gansu 734000)
【Abstract】Objective and accurate of the evaluation dam Ji rock physical endowment quantity, provide reasonable of rock body physics mechanics parameter, to water work building design project is importance.This text at thorough analysis dam Ji rock body structure characteristic, rock body close degree etc. one geology factor to rock physical endowment quantity influence of foundation up, consideration various factor of mutually influence, adoption many factor comprehensive the method for adjudicate, to the dam Ji rock physical endowment quantity the Class carried on divide the line and evaluation.
【Key words】Rock body structure;The structure noodles growth degree;Close degree;The Qian match degree;The morals and custom unload a lotus;Rock body voice wave;Rock body deeply water
1. 概况
宝瓶河水电站为黑河干流中游大峡谷段规划中的梯级水电站之一,地处甘、青两省交界处,工程由引水枢纽、引水发电系统及发电厂区三部分建筑物组成。设计坝高93.60m,正常蓄水位2521m,库容1855万m3,总装机容量120MW,工程等级为中型Ⅲ等工程。
2. 地层岩性及地质构造
坝址区两岸山体雄厚,谷坡陡峻,相对高差500m以上,为典型的深切“V”型谷。岸坡基岩大部裸露,岩性有蛇纹岩、石英岩、英安岩。蛇纹岩为坝址区主要岩石,分布广泛,系加里东早期侵入岩变质而成,淡绿～墨绿色,纤片状、纤维状结构,块状构造,局部片理发育,单轴饱和抗压强度Rb=50.3～74.5MPa,属中～坚硬岩。石英岩以条带状或团块状夹杂于蛇纹岩体中,主要分布于坝址区左岸,灰白色或浅褐色,鳞片状或细粒变晶结构,块状构造,表部节理发育,耐风化,岩石单轴抗压强度Rb=69.4～88.6MPa,属坚硬岩。英安岩以团块状夹杂于蛇纹岩体中,零星出露,灰白色略带淡绿色,斑状结构,块状构造,耐风化,岩石单轴抗压强度Rb=85.2～95.3MPa,属坚硬岩。
根据地质测绘及勘探,坝址区无规模较大的控制性软弱结构面分布,发现小断层17条,一般延伸长度150～400m,破碎带宽0.3～1m,组成物为压碎岩、角砾岩、岩屑等,一般泥钙质胶结差,挤压紧密。裂隙的发育程度与岩性和构造部位密切相关,具一定区段性,裂隙宽度一般0.5～3cm,个别宽达10～20cm,充填岩屑、岩粉、泥和岩石碎块,泥钙质胶结差或无胶结,延伸长度一般10～20m,少数裂隙延伸长30～50m,裂隙性质以剪性为主,极少数为张裂隙,部分张裂隙在岸边有卸荷迹象。
3. 岩体质量级别划分
坝址区岩性变化较大,岩体内断层及裂隙较为发育,谷坡深部岩体内地应力高,浅表部岩体由于应力释放卸荷松弛强烈,这些因素构成了影响岩体质量及其力学性质的主要地质因素。为客观评价坝址区岩体的工程特性,首先根据现场地质调查成果进行了工程地质单元划分,在此基础上对各单元岩性组合特征及各类结构面发育情况进行了统计分析,同时结合室内及现场试验、测试资料、工程类比,并参照有关规程规范,分别从以下几个方面对坝址区岩体质量进行了的初步划分。
3.1 岩体结构特征。
岩体内结构面类型、发育程度、张开充填情况、岩块尺寸大小等结构特征是制约岩体力学特性和影响岩体质量的关键因素。坝址区岩石建造类型复杂,构造改造强烈,岩体内不同类型的构造结构面发育;谷坡形成后由于地应力释放,浅表一定范围内的岩体沿结构面松弛拉裂张开明显,进一步降低了岩体完整性。
根据平硐、钻孔地质调查资料分析,综合原岩建造及构造和浅表层改造结果, 将坝区岩体结构分为块状结构、次块状结构、次块状～镶嵌结构、镶嵌～碎裂结构、碎裂～散体结构五种类型,不同结构类型岩体的基本地质特征及岩体完整性指标(RQD) 和体积节理数(Jv)见表1。
3.2 岩体紧密程度。
坝址区深部岩体结构面多挤压紧密,岩体抗变形能力强,浅表岩体由于应力释放沿结构面松弛张开明显,岩体抗变形能力显著降低。因此,在岩体质量分级时,必须考虑岩体所处围岩状态对岩体力学性质的影响,不同的围岩状态直接表现为岩体紧密程度的变化,而岩体紧密程度可用定性的岩块嵌合程度、风化卸荷状况以及定量的声波纵波速度值的大小来表征。
(1)岩块嵌合程度:根据平硐内节理裂隙松弛张开程度、硐壁地应力现象等宏观地质调查结果,结合钻孔压水试验成果,岩块嵌合程度可分为紧密、较紧密、较松弛、松弛、极松弛五级。
(2)岩体风化:坝址区石英岩、英安岩抗风化能力强,风化微弱;蛇纹岩则抗风化能力相对较弱,风化较强。岩体风化作用主要使节理裂隙面锈染变色,并造成断层破碎带物质进一步分解蚀变成风化夹层。总的看,风化作用对岩体质量有一定影响,按风化作用结果,可分为强风化夹层、弱风化岩体、微风化～新鲜岩体三级。
(3)岩体卸荷:坝址区岸坡高陡,谷坡岩体受卸荷作用强烈,与谷坡近于平行的结构面松弛拉裂明显,导致岩体紧密程度显著降低,岩体完整性变差,故卸荷作用构成了影响岩体质量的主要地质因素之一。由于卸荷裂隙多为张开的空缝状,对岩体变形具有控制意义,按卸荷强度划分为强卸荷、弱卸荷、无卸荷三级。
(4)岩体声波纵波速分级:岩体弹性波速的高低主要取决于岩性、岩体结构、围压状态、岩体含水性等基本地质因素,是一种表征岩体质量的综合指标。本工程在可研、初设阶段勘测过程中,进行了大量现场波速试验,采用的方法有硐壁对穿声波测试、钻孔声波测试等。根据岩体声波纵波速测试成果,波速值的高低与岩体卸荷程度密切相关,综合反映了岩体质量的优劣。坝基岩体按声波纵波速分级见表2。
4. 岩体质量分级结果
在深入分析坝址区岩性组合、岩体结构特征、岩体紧密程度等单一地质因素对岩体质量影响的基础上,综合上述地质因素对岩体质量的影响,结合岩体力学试验成果,参照《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50287～2008)中的坝基岩体工程地质分类方法,将坝址区岩体质量划分为四级,具体分级结果见表3。
5. 岩体基本地质特征及评价
(1)Ⅱ级岩体:主要为两岸弱卸荷以里、河床弱风化以下的石英岩、英安岩体,岩石坚硬,微风化～新鲜,无卸荷。以块状结构为主,可见1～2组裂隙,间距>50cm,嵌合紧密,透水性微弱,总体较完整,属良好地基。
(2)Ⅲ级岩体:包括两部分,一是两岸弱卸荷以里、河床弱风化以下的的蛇纹岩体,微风化～新鲜,无卸荷,岩体嵌合较紧密;总体上该级岩体整体性较好,抗变形能力较强,可作为坝基利用岩体。二是两岸弱卸荷、河床弱风化带内的石英岩、英安岩体,岩体嵌合较松弛～较紧密,发育3组以上裂隙,间距10～30cm,延伸一般<10m,偶见裂隙充填泥膜、碎屑、方解石膜,经一定工程处理后可作为坝基利用岩体。
(3)Ⅳ级岩体:包括两部分,一是两岸弱卸荷、河床弱风化带内的蛇纹岩体,岩体嵌合松弛,完整性差,裂隙风化显著,普遍充填泥膜,部分充填碎屑,常见贯穿性结构面,不宜作为坝基利用岩体,需进行加固处理;二是有一定胶结或挤压紧密断层破碎带,呈碎裂结构,岩体嵌合松弛,不能直接作为坝基利用岩体,需作专门处理。
(4)Ⅴ级岩体:包括两部分,一是无胶结、松散的断层破碎带,呈碎裂～散体结构,岩体嵌合极松弛,不能直接作为坝基利用岩体,需作专门处理。二是两岸强卸荷的蛇纹岩体,呈散体结构,不能作为坝基利用岩体,需开挖清除。
6. 结语
岩体质量取决于多种地质因素的偶合作用,各种因素对岩体力学性质的影响不尽相同,在不同的地质单元中起控制作用的各种地质因素之间的主次关系也常常会发生变化。因此,任何单一因素的分级都不能全面反映岩体质量级别,必须采用多因素综合评判的方法,考虑各种因素的相互影响,进行系统的分析评价,才能客观、准确的划分出岩体质量级别,并合理的提出各级岩体物理力学参数,为水工建筑物设计提供可靠的依据。
参考文献
[1] GB50487-2008,水利水电工程地质勘察规范
[2] GB50218-94,工程岩体分级标准
[文章编号]1619-2737(2010)03-12-77
[作者简介]张建红(1975-),男,河北省青龙县人,工程师,学士,从事水文地质与工程地质勘测工作。