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萍乡山口岩工程导流洞围岩工程地质分类刘 萍1,陈 健2(1.江西省水利规划设计院,江西 南昌330029;2.江西省鄱阳县水利电力勘测设计室,江西 鄱阳333100)摘 要:采用现行水利水电工程地质勘察规范附录P进行导流洞围岩工程地质分类,同时引进了Q系统(隧道围岩质量指标)围岩工程地质分类。关键词:围岩岩石强度;围岩完整系数Kv;RQD岩石质量指标;围岩强度应力比S;Q系统中图分类号:U452112 文献标识码:B 文章编号:10045716(2008)030071041工程概况山口岩水利枢纽工程位于袁水上游,处于萍乡市芦溪县上埠镇境内,距萍乡市区约30km。坝址以上控制集雨面积为230km2,初拟正常蓄水位244.00m,坝顶高程为247.8m,最大坝高99.8m,属于高坝建筑物。库容为105.16106m3,电站装机容量为20.6104kW,属大()型水利枢纽工程。该工程导流隧洞设置于河床右岸,进口位于拱坝轴线上游约100m,出口位于拱坝轴线下游100m处。隧洞总长182m,为城门型,断面尺寸为4.0m6.0m,进口地形坡度45 53,底板高程166.00m。出口地形坡度为45 53,底板高程165.10m。洞线沿右岸半山坡方向布置,地形起伏,山坡大部分为基岩裸露,仅局部见第四系全新统残坡积层,厚为1.52.0m。该隧洞上覆山体较雄厚,围岩较新鲜坚硬,一般为弱风化下部-微新岩体,局部为弱风化上部岩体,弱风化上部岩体主要分布进、出口段附近。沿线除局部浅层存在卸荷带外,未见其它不良物理地质现象。隧洞沿线穿越岩层分别为:C1d2-1-2灰、灰黑色夹肉红色、灰白色含炭(质)粉砂岩、细砂岩夹石英细砂岩,局部夹煤线。该岩层下部以薄层状构造为主,上部为中厚层状构造夹薄层状构造。石英细砂岩、含炭细砂岩为细粒结构,中厚层状构造,多为硅质胶结,局部为泥质、钙质胶结,一般呈弱风化状,为坚硬岩;炭质粉砂岩为粉粒结构,中薄层状构造,泥质、钙质胶结,局部为钙质胶结,为中硬岩;C1d2-1-3灰白、灰色石英细砂岩、含炭细砂岩夹炭质粉砂岩,局部夹煤线。多为中厚层状,局部夹薄层状。一般为硅质胶结,少部分为泥质、钙质胶结,较完整坚硬;C1d2-2-1灰、7 马蔼乃.遥感概论M:科学出版社,1984.8 肖鹏峰,刘顺喜,冯学智,林广发.基于中分辨率遥感图像的土地利用与覆被分类系统构建J.中国土地科学,2006,20(2):33238.9 秦平.高分辨率遥感影像的快速几何纠正研究与实现D.武汉大学硕士学位论文,2005,5.Extract Automatically of Regional Landscape Sight underthe Information of Remote Sensing and Frastats Softw areZHOU Qing2shan1,PENGJun2huan2,YU De2qing3,HE Yuan2rong4(1.Department of Civil Engineering,Guilin Institute ofTech2nology,Guilin Guangxi541004,China;2.Department of L andScience and Technology,Beijing University of Geosciences,Bei2jing100083,China;3.Hunan Remote Sensing Center,ChangshaHunan410007,China;4.School of Physics Science and Technol2ogy,Zhongnan University,Changsha Hunan410083,China)Abstract:The landscape index is an important parameter of jud2ging landscapes quality,is also the importance basis of carryingout the design and planning of regional ecology.To the place ofinsufficient and short of the traditional vector graph of geographyand computing of landscape sight in Excel or SPSS remote senseimage,the article has studied a method of landscape computing,it base on automatic classification of landscape of high resolutionSPOT25 remote sense image in ENVI 4.2 and the extract auto2matically of landscape exponent in Fragstats3.3 software,Theexperiment has studied Quyuan farm and gained landscape currentsituation map and information of partial landscape exponent,theexperiment show that the gain of landscape information is high ef2ficient,timeliness is strong,by the method,it is a effectivetechnology means of landscape manages、designs and planning.Key words:landscape sight;SPOT25;Fragstats;Decision treeclassification;Quyuan farm172008年第3期 西部探矿工程 灰白、肉红色砾岩,中部夹一透镜体状炭质粉砂岩,砾岩具巨厚层状构造,砾状结构,为基底式胶结形式,硅质胶结,砾径一般为1.52.0cm,磨圆度较差-较好,呈次棱角 次圆状,砾石成分一般以石英、石英砂岩及黑色物质为主。岩层产状一般为N30 37E/NW45 63,岩体较完整坚硬,表层一般呈弱风化状。2围岩结构特征及其物理力学性质根据坝址区岩石物理力学试验、室内砼/岩石抗剪(断)试验、现场岩体力学试验、岩体声波测试及平硐、露头点的节理裂隙统计及岩石质量指标(RQD)统计等工作,从而可获得围岩岩体分类所需(基本判据)的几项因素。2.1围岩岩石强度炭质粉砂岩:中厚层状构造,弱风化下部岩石一般饱和抗压强度为40.368.9MPa,平均值为50.6MPa,属中硬岩。其中一组岩石饱和抗压强度为14.7MPa,岩石强度偏低,造成岩石强度偏低的主要原因是:岩石沿着隐裂隙面破坏;微风化岩石一般饱和 抗压强度为43.995.3MPa,小值平均值为56.1MPa,属中硬岩。石英砂岩:中厚层状构造,弱风化下部-微风化岩石饱和 抗压强度为52.5125.4MPa,平均值为95.4MPa,属坚硬岩。试验低值岩石为沿隐裂隙面破坏;微风化岩石取高值。石英细砂岩:中厚层状构造,弱风化下部岩石饱和抗压强度为65.6087.7MPa,平均值为71.3MPa,属坚硬岩;微风化岩石为112.1123.1MPa,平均值为117.5MPa,属坚硬岩。砾岩:巨厚层状构造,弱风化下部岩石饱和抗压强度为77.8144.1MPa,平均值为107.1MPa,属坚硬岩。其中一组岩石饱和抗压强度为67.2MPa,烘干抗压强度为62.7MPa,烘干岩石强度较饱和抗压强度小且偏低,造成烘干岩石强度偏低的主要原因是:该类岩石性脆,且存在隐裂隙,试件沿着隐裂隙面破坏。2.2围岩完整程度利用岩体弹性波速表示岩体完整程度(完整系数Kv):弱风化上部炭质(含炭)粉砂岩Kv=0.250.52,加权平均值Kv=0.38,表明大部分岩体完整性差,局部为较破碎;弱风化下部炭质(含炭)粉砂岩Kv=0.340.67,加权平均值Kv=0.49,表明大部分岩体完整性差,局部为较完整;微新风化炭质(含炭)粉砂岩Kv=0.580.94,加权平均值Kv=0.64,表明岩体大部分为较完整,局部为完整。弱风化上部石英砂岩(包括细砂岩)Kv=0.340.52,加权平均值Kv=0.38,表明大部分岩体完整性差,局部为较破碎;弱风化下部石英砂岩(包括细砂岩)Kv=0.380.66,加权平均值Kv=0.51,表明大部分岩体完整性差,局部为较完整;微新风化石英砂岩(包括细砂岩)Kv=0.640.71,加权平均值Kv=0.67,表明岩体为较完整。弱风化上部砾岩Kv=0.180.34,加权平均值Kv=0.23,表明岩体为较破碎(岩体中隐裂隙较发育);弱风化下部砾岩Kv=0.340.61,加权平均值Kv=0.54,表明岩体大部分为完整性差,局部为较完整;微新风化砾岩Kv=0.380.96,加权平均值Kv=0.85,表明岩体大部分为较完整 完整,局部岩体完整性差。弱风化上部长石石英砂岩Kv=0.440.67,加权平均值Kv=0.54,表明岩体大部分为完整性差,局部为较完整;弱风化下部长石石英砂岩Kv=0.440.91,加权平均值Kv=0.75,表明岩体大部分为较完整,局部为完整或完整性差;微新风化长石石英砂岩Kv=0.491.0,加权平均值Kv=0.77,表明岩体大部分为较完整-完整,局部岩体完整性差。据6个平硐节理裂隙统计及露头节理裂隙分布,坝基岩体中以NNE向裂隙最为发育,其次分别为NWW向、NNW向、NEE(或EW)向等裂隙。在坝基不同部位及不同岩性中节理裂隙发育程度不同。下列根据不同岩性进行节理裂隙发育程度统计:弱风化炭质(含炭)粉砂岩:NNE向裂隙较发育-稍发育(多为层面裂隙),频率一般为12条/m,局部为56条/m;其它走向裂隙不甚发育,局部频率为12条/m。弱风化石英砂岩及细砂岩:NNE向裂隙较发育,频率一般为23条/m;NNW向裂隙发育,频率一般为35条/m,主要在右岸发育。弱风化砾岩:NNW向裂隙发育(主要在右岸局部发育),频率一般为35条/m;NNE向裂隙稍发育,频率一般为12条/m,其它走向裂隙不甚发育。长石石英砂岩:裂隙不发育,各走向裂隙频率一般为0.30.5条/m,但主要为NNE向(顺层向)节理裂隙。本阶段对下坝址区共39个钻孔岩芯(弱风化下部-微新)进行岩体质量指标(RQD)统计,统计结果见表1。表1 岩体质量指标统计表岩体025RQD2550RQD5075RQD7590RQD90100RQD很差差较好好很好炭质(含炭)粉砂岩 占27%占30%占23%占16%占4%石英砂岩及细砂岩 占24%占26%占26%占24%砾岩占6%占38%占45%占6%占5%长石石英砂岩占6%占12%占12%占22%占48%从表1可看出,除炭质粉砂岩的RQD值为02527 西部探矿工程 2008年第3期及2550区间岩体所占比例较大,与声波测试及现场裂隙统计进行岩体评价不相符外,均与声波测试及现场裂隙统计的岩体完整程度比较相符,因此,在围岩分类时岩体完整系数可直接按上述声波测试计算的Kv值。2.3结构面状态及主要结构面产状隧洞沿线分布有F12、F13、F18、F14、f204等5条断层、C(mx)、C16(mx)等2条煤线及XH01、XH02、XH03等3条卸荷裂隙。上述结构面的性状以及与洞轴线关系分述如下:F12断层:产状为N32 47E/NW44 64,断层带宽0.40.6m,带内主要由糜棱岩、断层角砾岩、碎裂岩组成,局部见12cm厚的断层泥。泥质、硅质胶结,胶结较差,局部见铁、锰质富集,两侧岩体见羽状石英脉充填,断层带内且见有微型小褶皱。断层具压扭性。该断层大致展布于隧洞桩号为0+010.8m附近,与洞轴线夹角约85.3。F13断层:产状为N15 50E/NW49 66,断层带宽0.61.2m,带内由断层角砾岩、碎裂岩、片状岩、糜棱岩、断层泥等组成,断层上盘伴生有石英脉充填,石英脉宽窄变化较大。该断层为泥质、硅质胶结,一般胶结较差,局部胶结较好。右岸岸坡处上盘岩层受其影响产生狭窄尖棱状倒转小背斜,且下盘岩体中派生有次一级的小断层,左岸岸坡局部岩层近直立或倒转,上盘上升,下盘下降,且具右(行)旋扭动,错距达8090m,属压扭性断层。该断层大致展布于隧洞桩号为0+072.3m附近,与洞轴线夹角为72.3 77.3。F18断层:产状为N49E/NW52 60,断层带宽为0.40.6m,带内主要由碎裂岩、角砾岩、糜棱岩等组成,主要为泥质胶结、局部为泥质、硅质胶结,胶结一般较差,具压扭性质。该断层可能是由F13断层派生而成,为次一级构造。该断层大致展布于隧洞桩号为0+092.2m附近,与洞轴线夹角约63.6。F14断层:产状N31 38E/NW50 65,断层带宽为0.40.6m,带内主要由断层角砾岩、碎裂岩、片状岩、断层泥,偶见煤线等组成,局部呈缝隙状,劈理发育,泥质、硅质胶结,局部胶结较差,风化较强,呈强风化状,具压扭性质,该断层大致展布于隧洞桩号为0+151.7m附近,与洞轴线夹角为58.3 65.3。f204断层:产状为N15 35W/SW53,断层带宽为0.050.13m,构造岩主要为碎裂岩、碎块岩、片状岩、断层泥等。泥质胶结,胶结较差,为张性。该断层未穿越隧洞围岩,分布于上覆山体浅部。软弱夹层(包括煤线):洞线共见2条,其中C(mx)(该条煤线为ZK104钻孔揭露,深度41.741.8m),产状为N68E/NW35,主要由劣质煤及片状岩组成,呈片状、碎屑状等,泥质胶结,胶结较差,呈香肠状分布。煤线大致展布于隧洞桩号为0+057.8m附近,与洞轴线夹角约64.3;C16(mx)产状N37E/NW48,黑色,由劣质煤及泥质组成,呈碎屑-碎块状,质软。两侧壁面较粗糙,见泥膜及炭膜,一般具轻微蚀变现象。力学性质较差,分布于炭质粉砂岩之中。该煤线大致展布于隧洞桩号为0+165.0m附近,与洞轴线夹角约59.3。卸荷裂隙:由于上述3条卸荷裂隙分布隧洞上覆山体浅层,对隧洞围岩稳定及洞口边坡的稳定基本无影响。节理裂隙:沿线节理裂隙较发育,主要见下列4组:N15 50E/NW45 64,一般为岩层层面裂隙,较发育,且延伸较长。薄层状岩体中尤为发育,频率56条/m,中厚层状岩体中为12条/m,多呈闭合 微张状,裂面一般较平直粗糙,见有一、二期擦痕,一般呈微张 张开状,张开0.20.5cm,个别达0.8cm,为剪性;N30 45W/NE67 68,发育频率约4条/m,延伸较长,面呈弧形,且见铁、锰质充填,多为微张 张开状,张开宽0.20.5cm,局部发育,为张性;N62 78W/SW68 78,发育频率45条/m,较发育,延伸较长,裂隙多呈平直粗糙,面上见铁、锰质薄膜或渲染,少数裂隙壁见轻蚀变现象,多呈闭合 微张状,为剪性;少数为张开状,张开0.33.0cm,次生泥充填,裂隙壁蚀变较严重,为张性。N52 60W/NE68 89,局部发育频率为34条/m,延伸较长,裂面多为平整,呈微张状,为剪性。少量呈张开状,一般张开0.20.5cm,充填次生泥等,为张性。2.4地下水该隧洞沿线地下水位埋深为12.514.8m,出口段地下水埋藏较浅,大部分高于引水隧洞的设计高程,相对隔水层埋深为2535m,根据隧洞设计高程,洞室一般为潮湿-滴水状。2.5围岩强度应力比围岩强度应力比S可采用公式求得:S=RdKv/m式中:Rd 岩石饱和单轴抗压强度,MPa;Kv 岩体完整性系数;m 围岩的最大主应力,MPa。根据上式计算可知:围岩强度应力比S均大于4。3围岩工程地质分类及其评价3.1导流洞围岩工程地质分类由上述围岩岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状等五项因素之和的总评分为基本判据,围岩强度应力比为限定判据。根据上述判据,导流洞围岩工程地质分类成果见表2。372008年第3期 西部探矿工程 表2 导流洞围岩评分及围岩工程地质分类表隧洞洞段岩石强度岩体完整程度结构面状态地下水主要结构面产状桩号位置(m)围岩总评分T围岩类别岩石饱和单轴抗压强度(MPa)评分A岩体完整性系数Kv评分B裂隙张开度、有无充填物、起伏粗糙状况评分C地下水活动状态评分D与洞轴线夹角/结构面倾角评分E0+0000+013.851306015围岩为微新岩体0.6426裂隙多为闭合 微张状,一般为起伏粗糙21洞室以潮湿-滴水为主-6与洞轴线夹角64 左右;倾角31 左右-50+013.80+07071 6027围岩为微新岩体0.6727裂隙多为微张 闭合状,多无充填,一般为起伏粗糙24洞室以干燥-滴水为主-2与洞轴线夹角67 左右;倾角31 35-50+0700+091.566306020围岩为微新岩体0.640.6725裂隙多为闭合状,多无充填,一般为起伏粗糙25洞室以干燥为主0与洞轴线夹角60 78;倾角48 78-40+091.50+137.573 6027围岩为微新岩体0.6727裂隙多为闭合状,多无充填,一般为起伏粗糙24洞室以干燥为主0与洞轴线夹角62 74;倾角48 左右-50+137.50+18272 6027围岩为微新岩体0.770.8532裂隙多为闭合状,多无充填,一般为起伏粗糙25洞室以潮湿-滴水为主-2与洞轴线夹角54 左右;倾角44 左右-103.2导流洞围岩工程地质评价(1)桩号0+0000+013.8m,为 类围岩,局部稳定性差。围岩强度不足,局部会产生塑性变形,不支护可能产生塌方或变形破坏,该洞段遇F12断层,破碎带宽度为0.40.6m,胶结较差,与洞轴线夹角为85 左右,夹角较大。因此,对洞身围岩的稳定影响不大,但可能会产生掉块或局部小型坍塌现象。根据 水利水电工程地质勘察规范 表P.0.1围岩工程地质分类可知:类围岩必须采用喷混凝土、系统锚杆加钢筋网处理。(2)桩号0+013.80+182m,为 类围岩,属基本稳定型。岩体不会产生塑性变形,但局部仍可能产生掉块现象。且该洞段遇F13、F18、F14断层及两条软弱夹层(即煤线),它们与洞轴线夹角在58 77 范围之内,虽然夹角较大,但其性状一般较差,特别是与其它结构面组合构成不稳定楔形体。洞顶可能出现掉块或小范围坍塌现象发生,根据 水利水电工程地质勘察规范 表P.0.1围岩工程地质分类可知:类围岩不支护或局部锚杆或喷薄层混凝土处理。4结束语上述导流洞利用了 水利水电工程地质勘察规范 附录P进行围岩工程地质分类,该种分类方法虽然是考虑了多种因素的综合分类,即岩体完整程度、岩体结构、岩块强度、结构面发育情况及地下水等因素都不同程度地被考虑到了,可以说考虑的地质因素较为全面,也把定性分析与定量评价结合起来了。但该种分类方法仍未考虑不利岩层对斜洞段的影响之围岩分类及与洞径结合起来,也不能提出定量支护方案,只能提出笼统的支护方案。若附录P分类法与Q系统分类法加以结合,Q系统分类法能填补附录P分类法的一些不足。Q系统分类能解决不同洞径(开挖等效尺度值)或斜洞段围岩分类等问题,且能提出定量的支护方案。作者引进Q系统的分类的目的,主要是为了与 水利水电工程地质勘察规范GB 5028799中的围岩工程地质分类加以结合,相互检验,从而提出更为正确的支护建议和方案。参考文献:1GB50287-99水利水电工程地质勘察规范S.2GB50218-94工程岩体分级标准S.3Barton NR.The Shear Strength of Rock and Rock Joints.Int.Jour.of Rock Mech.and Mine Science,1994,13(9):16220.4 吉中龙之进,樱井春辅,菊地宏吉.岩体分类及其应用M.日本:土木工学社,1989.5 应用地质学会.岩体分类(应用地质特别号)M.日本:应用地质学会编辑出版社,1984.6杜时贵,王思敬.岩体质量指标(RQD)的方向异性分析J.工程地质学报,1996.4(4):48254.7 罗长保.Q系统分类应用方法J.华北水利水电学院学报,2005,26(4).8 罗长保.江西省萍乡市山岩水利枢纽工程地质勘察报告(初步设计阶段)R.2006,3.47 西部探矿工程 2008年第3期