坝基岩体岩石质量指标、波速和透水率的关系<br/>——以青海玛沁地区玛尔挡水电站为例

坝基岩体岩石质量指标、波速和透水率的关系
——以青海玛沁地区玛尔挡水电站为例

2018-12-10陈康达宋彦辉巨广宏陈子玉

地球科学与环境学报 2018年6期

陈康达，宋彦辉,2*，巨广宏，戎娟，陈子玉

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054； 2.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安 710054； 3.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065)

0 引言

工程岩体质量是复杂岩体工程地质特性的综合反映。它不仅客观地反映了岩体结构固有的物理力学特性，而且为工程稳定性分析、岩体的合理利用以及正确选择各类岩体力学参数等提供了可靠的依据。因此,岩体质量评价是沟通岩体工程勘察、设计和施工的桥梁与纽带[1]。在岩体质量评价过程中，岩石质量指标、波速和透水率都是评价岩体质量的主要指标。从它们的含义及宏观地质规律而言，三者之间存在一定的相关关系，如宏观上岩石质量指标大者，波速也较大，而透水率较小。但由于地质条件的复杂性，三者之间的相关关系有时存在一定的离散性。刘仰鹏等研究发现，岩石质量指标随着孔深的增大而增大[2-3]；蒋小伟等也通过对某花岗岩体的研究，得出岩石质量指标总体上随深度增大的规律，同时利用岩石质量指标估算出该花岗岩体的平均渗透系数，发现局部岩石质量指标和渗透系数随深度变化的离散性很大[4]。Qureshi等发现在岩石质量指标大于25%情况下，可用岩石质量指标估算岩体的渗透系数[5]。Piscopo等研究发现局部岩石质量指标和透水率的相关性并不大[6]，因为岩石质量指标并不包含岩体结构面的连通性信息，而结构面的连通性影响岩体的渗透性和完整性[7-8]。杨勇等也提出了可利用岩石质量指标估算渗透系数，其方法较为方便[9]。此外，受自重应力场影响，岩体裂隙的发育、张开程度和深度之间存在对应关系，从而引起透水率和深度之间存在对应关系。大量试验研究[10-13]表明岩体的透水率随着深度的增大而减小。Ku等得出渗透系数随孔深呈幂函数曲线降低[14]。Chen等利用单轴压缩试验模拟了深度对波速大小影响的3个阶段，得出波速随着上覆应力的增大先增大而后趋于稳定的变化趋势[15]。吴世斌等以金沙江白鹤滩水电站泄洪洞围岩为研究对象，得出在不同类型的岩体中波速与孔深的相关性存在很大差异[16]。孙渊等也研究发现，波速随深度整体上呈阶梯状增加[17]。李景山等关于波速与透水率之间的关系研究表明，对于岩性比较单一的坝基岩体，岩体的波速和透水率之间存在一定的内在联系[18]。

本文通过对青海玛沁地区玛尔挡水电站河床坝基上6个钻孔(ZK165、ZK166、ZK169、ZK171、ZK172和ZK174)实测得到的钻孔深度的岩石质量指标(RQD)、纵波波速(V)以及透水率(ω)进行分析，通过Origin软件使用最小二乘法进行数据拟合，分别探讨岩石质量指标、透水率和深度的关系及三者之间的对应关系。

1 工程地质概况

玛尔挡水电站坝址位于青海省玛沁县拉军镇上游约5 km的黄河干流上。按规划设计，玛尔挡水电站为堆石坝。工程规模为Ⅰ等大(1)型工程，主要建筑物为1级，次要建筑物为3级，是一座以发电为主的大型水电枢纽工程[19]，正常蓄水位为3 270 m。

坝址区出露的地层岩性为：①中—上三叠统，岩性为灰—灰绿—灰黑色中细粒变质砂岩、长石石英砂岩、钙质细砂岩，偶夹砂质板岩，整体属区域变质岩(轻度)，靠近侵入接触带部位，由于叠加接触热变质作用，变质程度加深，其间穿插有侵入岩脉(二长岩脉、细晶岩脉和石英脉)；②中生代侵入岩，岩性为灰白色似斑状二长岩(πγ5)，与三叠系地层呈侵入接触关系，接触面工程性状较好；③第三系，与三叠系地层及中生代侵入岩呈沉积接触，主要岩性为紫红色黏土岩(Rb)、砾岩、角砾岩和泥质粉砂岩，少量砂岩和泥岩等；④第四系，主要为两岸缓坡处坡积和河床冲积砂砾石。根据河心钻孔揭露情况，河床覆盖层不厚，为2～5 m。

根据地表出露、钻孔及平硐揭露，似斑状二长岩与变质砂岩侵入接触带结合良好，分布上基本沿右岸坝址下游—左岸坝址上游斜向分布(NW—SE向)。根据初步勘探，侵入岩向地下深处有扩大趋势；从地表看，两种坚硬岩石构成的坝址峡谷在岸边分布最高，基岩面向两岸远处及上、下游均呈逐渐下降趋势。工程地质剖面如图1所示。

图1 青海玛沁地区玛尔挡水电站工程地质剖面Fig.1 Engineering Geological Profile of Ma’erdang Hydropower Station in Maqin Area of Qinghai

根据钻孔描述，河床坝基岩体的岩性比较单一，50 m深度上以似斑状二长岩、第三系砾岩为主，50 m深度下以变质砂岩等坚硬岩为主。

2 坝基钻孔实测数据及对应性处理

2.1 获取方法

通过玛尔挡水电站河床坝基6个钻孔(ZK165、ZK166、ZK169、ZK171、ZK172、ZK174)的实测数据，得到每个钻孔不同深度的纵波波速、透水率以及岩石质量指标。钻孔波速测试采用RS-ST01C型数字声波仪，探头采用一发双收换能器，采样间隔为0.8～1.0 μs，记录点间距为20 cm；透水率由钻孔压水试验获得，大约每5 m为一试验段；岩石质量指标则是运用XY-100型钻机取直径为75 mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进的每个回次统计值，回次尺寸从几十厘米到几米不等。

2.2 对应性处理

为获得各钻孔同一深度段不同测试指标的相互关系，需要解决各实测数据在深度上的对应问题。图2为同一深度段透水率与多个岩石质量指标之间的对应关系。

图2 同一深度段透水率与多个岩石质量指标Fig.2 Permeability and Multiple RQDs at the Same Depth

根据图2，求出同一深度段岩石质量指标为

(1)

式中：Q为岩石质量指标；Qi为Xi到Xi+1之间的岩石质量指标，i=1,2,3；Xi为深度，i=1,2,3,4。

在同一深度段内，每20 cm测得一个纵波波速，在进行地质分析时删去异常高值或低值后，取该深度段波速的算术平均值作为对应性替换进行分析研究。

3 岩石质量指标、透水率和深度的关系

3.1 岩石质量指标和深度的关系

图3 岩石质量指标随深度的变化Fig.3 Variation of RQD with Depth

取每个回次深度的下限深度对应该回次的平均岩石质量指标，分析其随深度的变化。由图3可知，同一深度的岩石质量指标差异较大，但整体上随深度的增加呈线性带状增大。带状区域上、下限的线性关系分别为

式中：h为钻孔深度。

由于河床坝基开挖前，岩体处于一定应力状态，并与周围岩体以应力的形式互相制约并达到平衡。随着河流的下切，地表上覆岩体不断被剥蚀，使河床岩体发生卸荷回弹[20]。在这一过程中，临空面表部岩体应力释放(相当于给临空面附近岩体施加了一种拉张力)势必导致表部岩体沿已有结构面拉张变形，并可产生新的卸荷节理；随深度增加，卸荷作用减弱，新生节理随之减少，相应岩石质量指标整体增大。对于玛尔挡水电站河床坝基来说，由于岩性主要为似斑状二长岩及变质砂岩，属坚硬岩，岩体储存的弹性应变能高，所以卸荷裂隙显著。伍法权等的研究也表明，岩体的卸荷风化变形破坏能导致岩体完整性的显著降低[21-23]；裴书锋等通过对高边坡坝基柱状节理玄武岩开挖卸荷时效松弛特性的研究，也发现岩体质量与孔深关系密切[24]。

3.2 透水率和深度的关系

玛尔挡水电站河床坝基某个深度段的透水率(ω)对应该回次的下限深度，舍去异常值，将6个钻孔的透水率、深度进行拟合，得到透水率随深度的变化(图4)。

图4 透水率随深度的变化Fig.4 Variation of Permeability with Depth

透水率和深度具有较好相关性，随着深度增加，透水率减小。总体上，透水率随深度的变化可用幂函数曲线来表示，其函数关系为

ω=410.7h-1.299R2=0.553

(4)

式中：R2为判定系数。

以钻孔ZK165和ZK166为例分析单个钻孔的透水率和深度之间的关系(图5、6)。由图5、6可以看出，单个钻孔岩体透水率和深度亦具有较好的幂函数相关性。

图5 钻孔ZK165透水率随深度的变化Fig.5 Variation of Permeability of Borehole ZK165 with Depth

图6 钻孔ZK166透水率随深度的变化Fig.6 Variation of Permeability of Borehole ZK166 with Depth

钻孔ZK165和ZK166岩体透水率和深度的函数关系分别为

图7 平均透水率随深度的变化Fig.7 Variation of Average Permeability with Depth

取6个钻孔同一深度的岩体透水率几何平均值，并舍去个别异常值后，得到平均透水率和深度的拟合曲线，如图7所示。

6个钻孔同一深度的透水率几何平均值与深度也呈明显的幂函数关系。其表达式为

ω=1 329.192h-1.599R2=0.881

(7)

受自重应力的影响，岩体裂隙的闭合度和深度之间存在相关性，从而引起透水率和深度之间存在相关性。随着深度的增加，岩体裂隙与结构面的频数也变低。同时，上覆岩体不断被剥蚀而使得河床岩体发生卸荷，导致原处于天然状态下的岩体上覆应力释放，从而使得岩体裂隙的闭合程度发生变化，即闭合度变低。因此，随着深度的增加，岩体的透水率降低。

综上所述，玛尔挡水电站河床坝基岩体透水率与深度具有较好的相关性，即随深度增大，透水率呈幂函数曲线下降。

4 岩石质量指标、纵波波速、透水率的相互关系

4.1 岩石质量指标和纵波波速的关系

对钻孔实测数据进行对应性处理后，舍去异常值，分析岩石质量指标和纵波波速(V)的关系(图8)。由图8可知，岩石质量指标和波速的对应性较差。其主要有两种原因：一种是传统岩石质量指标的不足，不能完全反映岩体中的裂隙发育情况，也不能反映结构面的张开度；另一种是硬性紧闭结构面的影响，硬性紧闭结构发育孔段虽然岩体较为破碎，岩石质量指标较低，但岩体波速较高，造成岩石质量指标与波速对应较差。