水电站坝址区风化特征统计分析范文

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摘要:

以西藏某水电站坝址区内所有平硐的回弹裂隙风化特征的实测资料为依据，针对回弹裂隙的风化特征进行了统计分析，对电站的建设有重要的理论依据和实践意义。研究内容包括基于整个坝址区域内的所有平硐的回弹裂隙风化等级，建立了裂隙风化建议值指标;按照坝址区整体、不同高程、不同卸荷带、不同坝线的思路，用形象的图片形式表现了坝址区不同高程所有平硐的裂隙风化特征分布的情况，目的是对电站裂隙风化特征做相应的评价，得出其分布特征。

关键词:

回弹裂隙;风化特征;统计分析;风化指标;成带分布

目前工程地质领域对岩体风化特征的传统分析内容包括岩石的颜色、结构的变化、矿物的蚀变程度、敲击岩石声音的变化，以及岩体裂隙发育程度、岩体完整性的变化、岩体结构变化［1－3］。传统意义上，工程上面对岩体风化的划分主要方法有静荷载试验、波速测试、岩矿鉴定、钻探等方法，参考的主要指标有压缩波速度Vp、波速比Kv、及风化系数Kf，并在硐深方向上按照由外及里的方式将岩体风化分为强风化、弱风化、微风化、新鲜4个等级［4－5］。20世纪70年代，木宫一邦［6］使用点荷载试验来论证划分岩体风化带的可能性和适宜性;80年代成都地质学院(现成都理工大学)向桂馥老师通过对四川大渡河大岗山水电站坝址区花岗岩风化带划分而建立了It与w、与n之间的关系［7］，但由于不同人实验方法指标选取的不一致，至今没有统一的划分标准;丁武［8］在对混合花岗岩进行风化分带时，将花岗岩的波速试验和单轴抗压强度做对比分析，最终达到风化分带目的。潘天有［9］、刘泉［10］在对花岗岩分化特性研究时，选取了花岗岩风化物含水量、重度、孔隙比、内摩擦角、粘聚力、压缩模量、压缩系数和标贯击数等8项物理力学指标进行概率统计，并着重分析了各指标变异性特征及其原因。而本文对于岩体裂隙风化的特性分析，着重点在于将裂隙风化的表现特征和力学特性相结合。由于裂隙在风化时不仅能够表现出性状上的变化，而且在性状发生改变的同时裂隙的力学特性也在改变，现就在裂隙风化等级划分的基础上，同时考虑了岩体裂隙隙壁抗压强度的变化，给出裂隙风化定量指标建议值，并利用建议值划分裂隙风化区域，最终得到整个坝址区裂隙的分带特征。

1区域风化背景

西藏某水电站区域出露地层主要为燕山晚期岩浆岩与第四系，岩浆岩主要为燕山晚期侵入的磨老新岩体(γ3(3)5)，岩性为黑云二长花岗岩。坝址河床风化程度较轻，强风化、弱风化上段分布较少。一般在上覆崩坡积物的部位以及地表岩脉有少量强风化岩体，结构面主要以短小微张的裂隙为主，裂面强烈锈染，多充填有岩屑、次生泥，岩体大部分失去光泽轻微蚀变，完整性差。弱风化主要分布在左岸高高程平硐以及右岸局部部位，岩体呈镶嵌结构～块裂结构，裂隙较发育，结构面多见锈染，部分充填有黄色次生泥以及岩屑，岩体多呈块状结构，完整性较好。微风化裂隙轻度发育，局部见有轻微锈染，岩体呈块状～次块状结构，完整性好。

2裂隙隙壁风化定量指标

根据米勒等的研究，回弹值R与岩石干容重的乘积与岩石单轴抗压强度呈线性关系，因此只要测得裂隙隙壁回弹值R，并采取少量试样测定干容重k，即可获得裂隙隙壁单轴抗压强度(JCS)的近似值。本此研究在将花岗岩裂隙风化等级划分为1级风化(强风化)、2级风化(弱风化)、3级风化(微风化)、4级风化(新鲜)的基础上，利用SPSS软件统计回弹裂隙的抗压强度，并绘制得到JCS频率分布直方图以及相关数据(图1)。由图1可以明显看出，裂隙隙壁风化程度越强，其JCS分布区间越向JCS=0点方向偏移，并在较大的数值范围内有较高的区分度。根据现场统计出的不同风化状态下裂隙隙壁回弹值R，JCS及风化强度系数Kr，以单轴抗压强度JCS为标准，得到坝址区裂隙在不同风化状态下其分布规律，进一步获得在不同风化状态下风化强度系数、回弹值、单轴抗压强度三者之间对应关系的定量指标建议值见表1。

3风化特征分析

裂隙隙壁风化特征的分析是对现场地质调查资料的整理和统计的基础之上，一方面参考平硐隙壁风化等级的划分，另一方面根据裂隙现场回弹试验结果，对裂隙隙壁单轴抗压强度JCS的特征进行分析。本次研究在已测得的回弹裂隙JCS基础上，利用Surfer软件对平硐沿深度方向进行差值计算，最终得到整个硐深方向上岩体风化随硐深分布的特征。

3.1整个坝址区内风化特征对每个平硐回弹裂隙隙壁风化数据进行整理，做出每个平硐的回弹裂隙隙壁单轴抗压强度统计表，利用Surfer进行数值差分，并依据风化特征定量分级指标建议值，将4个等级的风化划分为1720、1770、1820、1870、1920m高程各硐裂隙隙壁JCS硐深:1级风化(JCS＜30.78);2级风化(30.78≤JCS＜83.58);3级风化(83.58≤JCS＜104.04);4级风化(JCS≥104.04)。通过总体分析可以看出，所有高程的硐子都表现出2级和4级风化比率最高，其次表现为3级，1级所占比率最小，整个坝址区风化程度都偏2级以下。随着高程的增加，每个高程硐子出现4级风化段长的总长在增加，所占比率在上升。1720m高程受断层和岩脉影响最大，表现在4个不同风化等级出现的情况是最多的，明显比其他高程出现的频率大，也就是每个硐子都有出现4种不同的情况，整个高程2级风化所占比率最高。1770m高程的PD234和PD263平硐，整个硐段全部表现为2级风化等级，其余平硐2级风化所占比率依然最大。1820m高程开始出一个明显的特征，2级风化比率下降，4级风化等级占最多，1820m高程的PD273平硐在强卸荷段出现了1级风化的情况。1870m高程PD258全硐段都为4级风化，1920m高程PD239全硐段为2级风化。1720m高程的PD232、PD242、PD231、PD271，以及1770m高程的PD222、PD234、PD254、PD233、PD263，1820m高程的PD256，1870m高程的PD213、PD237，1920m高程的PD239，所例举的这些高程的平硐在硐底深部均有出现2级风化的情况，通过翻阅勘察资料发现在这些平硐硐低都有存在断层的情况，也就是说平硐硐底出现2级风化的原因很可能与断层的作用有关。

3.2不同卸荷带内风化特征根据各硐水平方向卸荷深度界限及裂隙分带(段)标准，对坝址区卸荷带，多裂隙带和原岩段裂隙风化情况进行分别汇总和整理，根据现场回弹试验结果，对照风化定量指标建议值，得到坝址区各带(段)裂隙隙壁单轴抗压强度统计见表2。由表2可以得到以下结论。a)卸荷段整体裂隙隙壁单轴抗压强度平均值为94.47MN/m2，属于3级风化;调整段整体裂隙隙壁单轴抗压强度平均值较卸荷带的高为109.36MN/m2，属于4级风化，原岩段整体裂隙隙壁单轴抗压强度平均值最大，为114.098MN/m2，属于4级风化。b)无论是调整段、原岩段还是卸荷段，其强度数据跨度范围都较大;且偏度为1左右均大于0，说明JCS大于平均值的裂隙未占到所有统计裂隙数量的一半，即JCS直方图呈右偏分布，而且它们的整体峰度值也都大于0，那么其分布要更集中在平均值周围，呈峰状态明显，其中原岩段整体峰度值最大，它的分布也就最为集中，呈峰现象也就最明显。c)从卸荷段到调整段再到原岩段，它们的样本数在减少，而平均值却在增大，这说明平硐由外向里受到地表改造和河谷深切作用在减小。对于卸荷段、调整段以及原岩段而言，都有一个共同的规律就是右岸JCS平均值都要大于左岸，即右岸的风化程度都要比左岸的弱。特别是调整段左岸JCS平均值为98.72MN/m2，属于3级风化，而右岸JCS平均值为116.23MN/m2，属于4级风化，两者相差大于18。这主要是由于左岸存在f33－1、fm9、f13、f11、f105、fm7、M8等多条断层和岩脉，断层岩脉相互交错切割，为裂隙风化创造了条件，再加上其走向和方位的影响，回弹裂隙风化程度就较右岸要严重。

3.3左右岸各高程风化特征通过对坝址区左右岸同一高程的回弹裂隙隙壁风化资料的汇总和整理，在对各高程回弹裂隙隙壁风化分级频度分布统计分析的基础之上，根据现场回弹试验结果，对照风化定量指标建议值，得到坝址区左右岸及各高程裂隙隙壁单轴抗压强度统计表，见表3、4。由表3可以得到以下结论。a)与频度分布统计图相对应，左岸裂隙隙壁单轴抗压强度平均值97.44略低于右岸隙壁单轴抗压强度平均值为100.01MN/m2，但差别并不明显。也就是说左、右岸裂隙但中平均抗压强度处在83.58～104.04MN/m2区间内，即两岸风化均属于3等级。左岸中位数为88.0MN/m2，说明在左岸所有不同大小的隙壁单轴抗压强度中出现频数处于中间的值为88.0MN/m2，左岸众数为67.9MN/m2，即左岸所有不同大小的隙壁单轴抗压强度中出现频数最多的值。从表中还可以看出右岸中位数为91.44MN/m2，众数为65.5MN/m2。左右岸的最大、最小值也相差不大。b)左岸标准差为41.52MN/m2小于右岸的标准差42.87MN/m2，也就是说左岸样本频数分布直方图中不同组段频数更为集中。且两岸偏度均大于0，那么左右岸样本频数直方图呈左偏分布，即频数直方图都有倾向JCS较小值部分的趋势，而左岸偏度大于右岸，说明左岸左偏趋势更明显。c)左、右岸JCS处于百分位数50%的值分别为88.0、91.44MN/m2，说明小于JCS平均值的频数所占比列大于50%，即JCS出现小于平均值的概率较大。由表4分析，得出如下结论。a)对于样本数而言，基本上同一高程右岸裂隙要多于左岸。而从总的坝址区来看，不管是左岸还是右岸，都表现出随着高程的上升，裂隙样本减少的特点。b)从偏度方面可以看出，左岸和右岸的偏度基本都大于0，频数直方图基本属于左偏的情况，而左岸相对于右岸左偏的趋势要更为明显，频数直方图左偏意味着出现隙壁抗压强度小于平均值的概率大于50%。c)从峰度方面出发，左右岸各高程基本都属于瘦尾的情况，也就是说，不同高程的频数直方图中处于两边的数据所占比例小，分布呈现低峰状态。d)在平均值一列中，单独看左岸和右岸的数据，规律并不明显，但是对比左右岸可以发现，同一高程右岸倾裂隙的隙壁平均抗压强度要高于左岸，即左岸所有高程的风化程度要比右岸强烈，总的来说，坝址区所有高程的风化程度都比较好，均处于2级风化到4级风化的范畴内。e)表中，1670m高程左右岸、1770m左岸、1870m左岸、1920m左右岸、2119m左岸、2204m左岸、2308m左岸均出现众数值与最小值相等的情况，也就是说这几个高程裂隙抗压强度的最小值是本高程所有裂隙抗压强度中出现频数最多的。

3.4不同坝线风化特征通过对坝址区左右岸不同坝线的回弹裂隙隙壁风化资料的汇总和整理，在对坝址区回弹裂隙隙壁风化分级频度分布统计分析的基础之上，根据现场回弹试验结果，对照风化定量指标建议值，得到坝址区左右岸以及不同坝线的裂隙隙壁抗压强度统计，见表5、6。由表5分析得出如下结论。a)S7线标准差为所有坝线中的最小值，即S7频数直方图不同区段所呈现的状态表现更为集中。b)所有坝线中除了S3－S4以及S8线，其余坝线偏度全都大于0，那么它们的分布直方图均属于左偏分布，也就是说所这些坝线的裂隙小于单轴抗压强度平均值所占的比例大于50%，而所有坝线中，S2线左偏情况最为明显。c)所有坝线中S8线裂隙隙壁单轴抗压强度平均值最大等于149.2MN/m2，而最小值是S3，值为85.77MN/m2。也就是说，所有坝线的风化程度都比较好，都处于2～4级。由表6分析得知如下结论。a)无论左岸还是右岸，所有坝线的偏度值基本都大于0，即各坝线的频度直方图均为左偏分布，这说明各坝线左右岸隙壁单轴抗压强度分布直方图中，强度小于隙壁单轴抗压强度平均值所占的比例超过了50%。b)在分析平均值一列时，发现各坝线右岸裂隙单轴抗压强度平均值普遍高于左岸的，左岸最大JCS平均值在S2线为114.94MN/m2，左岸最小值为73.43MN/m2，出现在S6线。右岸最大JCS平均值在S8线为149.20MN/m2，右岸最小值为83.29MN/m2，出现在S3线。也就是说整个坝线范围内，JCS平均值的最小值在S6线，最大值在S8线。

4结论

a)所有高程的硐子都表现出2级和4级风化比率最高，其次表现为3级，1级所占比率最小，整个坝址区风化程度都偏2级以下。随着高程的增加，每个高程硐子出现4级风化段长的总长在增加，所占比率在上升。b)从卸荷段到调整段再到原岩段，它们的样本数在减少，而平均值却在增大，这说明平硐由外向里受到地表改造和河谷深切作用在减小。对于卸荷段、调整段以及原岩段而言，都有一个共同的规律就是右岸JCS平均值都要大于左岸，即右岸的风化程度都要比左岸的弱。c)同一高程右岸倾回弹裂隙的隙壁平均抗压强度要高于左岸，即左岸所有高程的风化程度要比右岸强烈，总的来说，坝址区所有高程的风化程度都比较好，均处于2级风化到4级风化的范畴内。d)所有坝线中S8线裂隙隙壁单轴抗压强度平均值最大等于149.2MN/m2，而最小值是S3为85.77MN/m2。也就是说，所有坝线的风化程度都比较好，都处于2级到4级。

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作者：刘鑫 单位：成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室