深部岩体（精选3篇）
深部岩体 篇1
0 引言
随着社会发展、经济建设以及国家安全的新需求,地下空间开发不断走向深部已成为必然趋势。深部岩体由于其结构特点、变形特点、高应力状态的临界特点及其结构与含能特点等,使得其力学特性与浅部岩体相比具有显著不同[1]。近年来,深部岩体力学特性的研究成为岩体力学研究的重要课题。深部岩体的主要特征表现为应力与应变的关系呈非线性,深部工程中所出现的非线性岩石力学问题已成为国内外研究的焦点,正在形成岩石力学新的分支———深部非线性岩体力学[2]。
1 深部岩体力学特性的研究现状
1.1 国内外关于深部的概念界定
目前国内外在“深部”及“深部工程”等一系列概念上差异较大,至今也没有明确的概念和划分标准,在很大程度上影响了深部岩体力学研究的发展和交流。
近年来国内外许多学者对深部及深部工程的科学定义进行了研究。何满潮[3]提出把工程岩体开始出现非线性力学现象的深度及其以下的深度区间称为深部,并提出临界深度、上临界深度、下临界深度的概念,建立了深部工程的评价指标体系。钱七虎[4]根据深部岩体工程中出现新的特征科学现象的情况,提出基于分区破裂化现象来界定深部岩体工程,可以得到深部岩体工程的明确的具体概念。也有人以国际岩石力学学会定义的硬岩发生软化的深度作为进入深部工程的界限。此外,日本把深井的“临界深度”界定为600 m,英国和波兰定位为750 m,南非和加拿大等采矿业发达的国家,当深度达到800 m～1 000 m才称为深井。
1.2 深部岩体工程中的特征科学现象
随着深部岩体工程的不断发展,在深部围岩中发现了一系列新的特征科学现象,与浅部岩体工程相比具有迥异的特点。宏观上表现为大变形和大变形速率、分区破裂、应变型岩爆等现象(见图1)。
钱七虎[4]将这些新的特征科学现象归纳为两类:静力的和动力的,并对分区破裂化现象和冲击地压动力现象进行了科学解释,提出基于分区破裂化现象来界定深部岩体工程。俄罗斯科学家在实验室模拟试验中也从模拟中观测到这类分区破裂化现象。文献[5]通过岩体的本构模型和非线性理论对深部岩体中的特征科学现象进行了分析,并提出了岩体随机变形的混沌判别以及失稳的混沌预测预报方法。文献[6]对深部岩体分区破裂化进程的时间效应进行了研究,并利用蠕变理论对分区破裂化现象进行了分析和解释,提出深部高应力状态下产生的岩石分区破裂化现象是岩体经由蠕变产生的。文献[7]介绍了巷道围岩的分区破裂化相似材料的模拟试验,试验发现在离巷道一定距离形成的岩石严重破碎带不是一瞬间才出现的,而是在有应力的巷道岩体掘进中,经过一段时间才出现。
在深部岩体中,岩爆和岩体冲击地压等动力学现象也十分明显,关于岩爆的预测研究和机理分析,国内外众多学者也都作了大量的研究。文献[8]对深部岩体的动力学特性和峰值后的变形特性进行了研究分析,围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征科学现象,提出了深部岩体的构造和变形与破坏需要研究的问题。文献[9]对国内外岩爆预测的研究现状和发展趋势进行了探讨。
目前,深部岩体工程中的特征科学现象用传统的连续介质力学理论无法圆满的解释,已经引起了国际上专家学者的极大关注,成为近几年该领域的研究热点。
1.3 深部岩体工程的力学特点
深部岩体的地质力学特点决定了深部岩体工程与浅部岩体工程的明显区别在于深部岩石所处的特殊环境,即高地应力、高地温、高水压的复杂力学环境。
研究表明,总体上岩石的强度随深度的增加是有所提高的,但随着岩体工程深度的增加,岩石的破坏机理也随之发生变化,由浅部的动态破坏转化为深部的准静态破坏,由浅部的脆性力学响应转化为深部的潜在延性行为力学响应。但也有人认为深部岩体的破坏更多的表现为动态的突然破坏,即岩爆或矿震。
进入深部后,岩石的破坏特征主要表现为持续的强流变大变形和突发性的冲击地压现象。矿山开采中,一般认为优质硬岩不会产生明显的流变,但在深部高地应力条件下有所不同,深部环境下硬岩同样会产生明显的时间效应。在深部高应力环境中,岩石具有很强的时间效应,表现为明显的流变和蠕变,岩石的破坏往往伴随着有较大的塑性变形。目前,岩石流变试验特性主要集中在高温高压条件的实验研究和现场研究方面,由于实验室研究条件与现场实际情况有一定差距,因此实验室成果在进行外推时存在一定困难。
对于岩爆,近年来国内外众多学者针对岩爆的破坏机理和预测防治都作了大量的工作。人们已经从表观上定性的知道岩爆产生机理取决于岩体的强度、岩体中高应力累积及能量积聚,岩爆与采深有关系,即随着开采深度的增加,岩爆的发生次数、强度和规模也会随之上升。目前预报岩爆的重要参数就是岩层的位移和运动速率,但预测理论和预测方法都是基于不同的岩爆机理而得出的,由于影响岩爆发生的因素多,机制复杂,每一种预测判据只反映了某个因素对岩爆的影响,预测精度不能令人满意,关于岩爆的机理也需要做进一步研究。
2 关于深部岩体力学试验的思考
深部岩体力学特征的试验研究,必须突出深部岩体的特征,即岩体在高地应力、高温、高孔隙水压的组合作用下,所表现出的岩体力学特性的非线性。有人指出:深部岩体的变形特性主要以峰值后的岩体应力应变曲线特征进行描述,这给深部岩体的本构关系的确定带来了更大的难度。其难度主要表现为:获取应力应变全过程曲线的试验难度;同等应力水平下,应力应变全过程曲线的可重复性差的难度。此外,深部岩体的大变形中所包括的非线性的流变特性,也是试验研究的重要部分。岩体的非线性流变总体上可归纳为应变速率与应力水平、应力和应变状态以及作用的时间有关,非线性的流变特性试验研究的难点,主要表现为两方面:1)应力水平的复杂性,或者说是要研究在复杂的应力应变状态下的流变特性,包括双轴(包括平面应变条件)和三轴压缩应力在不同应力路径下、不同应力应变状态下的流变特性;2)如何真实的表现岩体的非线性流变特性。有关深部岩体非线性流变试验可以分成两大部分:完整岩石和结构面非线性流变试验。由于岩体的非线性流变可以表述为粘滞系数是应变速率、应力水平、应力和应变状态以及作用的时间的函数。由此可知,非线性流变试验的最大特点是:应力水平很高;由于开挖造成作用于岩石的应力发生了变化,即在应力调整的过程中引出了不同应力路径的问题;不可忽略完整岩石和结构面的蠕变特性;极限变形和破坏时间问题;多场(高温或低温、高孔隙水压力、高地应力)的组合作用下的耦合问题等。
3 深部岩体力学今后的研究重点
由于深部岩石力学行为以及深部灾害特征与浅部明显不同,基于浅部工程建立起来的传统理论已经不再适用,针对深部工程中存在的岩石力学问题,今后主要研究方向应该集中在深部岩石力学基本特性、深部岩石强度确定理论、深部工程岩体的本构关系以及参数确定方法等等。此外,深部工程围岩特性以及非线性动态力学设计理论,也是目前岩石力学工作者面临的挑战性问题之一。
参考文献
[1]钱七虎.非线性力学的新进展——深部岩体力学的若干问题[A].第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].北京:科学出版社,2004:10-17.
[2]钱七虎.深部地下空间开发中的关键科学问题[A].钱七虎院士论文选集[C].2008.
[3]何满潮.深部的概念体系及工程评价指标[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2854-2858.
[4]钱七虎.深部岩体工程响应的特征科学现象及“深部”的界定[J].东华理工学院学报,2004,27(1):1-5.
[5]蒋斌松,蔡美峰,贺永年,等.深部岩体非线性Kelvin蠕变变形的混沌行为[J].岩石力学与工程学报,2006,25(9):1862-1867.
[6]李英杰,潘一山,章梦涛.深部岩体分区破裂化进程的时间效应研究[J].中国地质灾害与防治学报,2007,12(4):119-122.
[7]廖美春,郭志昆,刘峰,等.深部岩体分区破裂化模拟试验模型几何尺寸的确定[J].防灾减灾工程学报,2006,26(1):58-62.
[8]王明洋,周泽平,钱七虎.深部岩体的构造和变形与破坏问题[J].岩石力学与工程学报,2006,25(3):448-455.
[9]姜繁智,向晓东.国内外岩爆预测的研究现状与发展趋势[J].工业安全与环保,2003,29(8):19-22.
深部岩体 篇2
地应力是赋存于岩体中的天然应力, 是煤矿井下巷道、采区及硐室变形和破坏的根本作用力[3]。地应力场分布规律及特征的研究是一切与岩体力学有关的理论研究、工程设计及施工的基础, 是岩体力学基础研究的重要组成部分。形成地应力场的因素非常复杂, 属于非稳定应力场, 很难用函数的形式来表达, 只能通过实测来得到相对比较准确的地应力值, 然后基于大量实测数据, 进行统计分析, 寻找地应力分布规律及特征, 用以指导工程实践[4]。
1 煤矿地理与地质简况
潞宁煤矿位于忻州地区宁武县化北屯乡陈家半沟村, 是潞安矿业集团公司的新开发的矿井。潞宁煤矿开采深度约250 m, 布置一主一副两井, 井下为东西两翼开采, 主运输为800 mm皮带。设计能力为30万t/a, 井田面积为6.609 5 km2, 开采侏罗纪2号、3号煤层。2号煤层厚4.43 m, 3号煤层厚1.56 m, 地质储量5.51亿t, 可采储量3.27亿t, 设计服务年限53 a, 主要煤种为气肥煤, 煤质优良, 供不应求。
2 现场地应力测量
2.1 测量方法
根据国内外多数人观点, 依据测量基本原理的不同, 将测量方法分为直接法和间接法两大类[5,6,7]。直接测量法较为广泛应用的有扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法。间接测量法主要有套孔应力解除法和其他的应力或应变解除法以及地球物理方法等。目前在井下, 应力解除法与水压致裂法是较为广泛可行的实测方法。
2.2 测量仪器
根据井下实际情况, 文章采用由天地科技股份有限公司研制的SYY-56型小孔径水压致裂地应力测试装置进行地应力测试。该装置采用小直径钻孔 (Φ56 mm) , 最大深度30 m;最大水压40 MPa;定位精度为 (±3) °, 采用小孔径后, 能够高效快速地进行地应力测试, 测量后的钻孔还能用于煤岩体强度和结构的测量。
2.3 地应力测试结果
在潞宁煤矿共完成了7个测站的地应力测量工作, 测试结果见第93页表1。
第93页表1中, pb为临界破裂压力;pr为裂隙重张压力;ps为瞬时关闭压力;σH, σh, σv分别代表最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力。
典型的水力压裂曲线与印模图见第93页图1、图2。
2.4 地应力测试结果分析
2.4.1 潞宁煤矿地应力场特征
7个测站中最大水平主应力大于垂直主应力的测站有6个, 占总测站的86%, 垂直主应力大于最大水平主应力的测站仅有1个, 占总测站的14%, 因此, 潞宁煤矿原岩应力总体上水平应力占优势。按照三个主应力的大小排列, 可分为以下几种情况。
1) σH>σv>σh, 共3个测站, 占总测站数的43%。
2) σv>σH>σh的共1个测站, 占总测站数的14%。
3) σH>σh>σv, 共3个测站, 这3个测站主要在下山延伸之前所测试结果, 大部分是埋藏较浅的位置, 占总测站数的43%。
在潞宁煤矿构造应力场中, 最大水平主应力方向全部集中在N3.9°W~N45°W之间。
2.4.2 主应力随深度的变化
从地应力测试结果看, 潞宁煤矿测试的7个测站中埋深从175~515 m不等。根据测量结果绘制了地应力随巷道埋深变化的曲线, 如图3所示。可以看出, 主应力大体随着测站的深度增加而增大。垂直应力增加的速度明显大于水平主应力。根据测试数据, 运用最小二乘法对水平主应力与测站深度之间的相互关系进行线性回归, 经过回归得到潞宁煤矿地应力关系方程及其曲线:
2.4.3 矿区应力量级
潞宁煤矿7个测站地应力测试结果中, 最大水平主应力最大值为16.36 MPa。最大主应力大于10 MPa且小于18 MPa的测站有6个, 占86%。
根据相关判断标准:0~10 MPa为低应力区, 10~18 MPa为中等应力区, 18~30 MPa为高应力区;大于30 MPa为超高应力区。因此潞宁煤矿地应力整体上属于中等应力场。
2.4.4 测压比随埋深的规律变化
测压比指的是最大水平主应力与垂直主应力的比值 (即σH/σv) 。经计算得出潞宁煤矿7个测站的测压比为0.67~2.67。其中, 第六测站的测压比为0.67, 其值小于1.0;第一、第二、第三测站的测压比为2.18~2.67, 其值均大于2.0;第四、五、七测点的测压比为1.09~1.51, 其值均大于1.0。可见除去第六测站外, 其余测站的测压比大体上随埋深的增加而增大。
2.4.5 平均水平与垂直主应力间比值的变化规律
平均水平主应力为最大水平主应力与最小水平主应力的比值。经计算得出潞宁煤矿7个测站的平均水平主应力与垂直主应力的比值为0.56~2.17。其中第五、六测站的平均水平主应力与垂直主应力的比值小于1.0, 其余测站均大于1.0。
2.4.6 最大和最小水平主应力间的比值
在潞宁煤矿7个测站中, σH/σh最大为1.85, 最小为1.29, 平均为1.59, 最大与最小水平主应力差值较大。最大、最小主应力差值较大造成岩体内剪应力较大, 超过岩体抗剪强度时, 岩体将发生破坏。
3 现场应用
潞宁煤矿地应力测试已用于矿井2号煤西翼扩区轨道运输大巷的支护设计。通过在2号煤层及围岩物理力学参数测量结果的基础上建立数值模型, 模拟出不同的支护方案, 分析比较不同方案的巷道变形、破坏范围、支护体受力等状况, 在经济和技术上取得最优方案, 并得到较好的支护效果。
3.1 巷道简述与地质特征
西翼扩区轨道运输大巷为2号煤层总体为单斜构造, 走向N48°, 倾向南东, 倾角为138°左右。巷道全长2 498.342 m (从轨道下山巷正中线至停掘点) , 开口标高1 180 m, 方位角239°18′30″。断面为5 000 mm×3 700 mm (宽×高) 。掘进过程中地质结构简单, 断层不发育。
3.2 巷道支护设计
根据上述岩体参数与应力场实测数据运用美国岩土工程大型软件FLAC3D对巷道的锚固效果及其稳定性进行计算与分析, 通过支护参数分析及多方案的比较, 得出的支护形式为:锚杆+金属网+钢筋梁+锚索+喷射混凝土联合支护。
具体参数为:顶板支护。锚杆杆体为22号高强度左旋无纵筋螺纹钢筋, 长度2.4 m, 树脂加长锚固;采用钢筋托梁与金属菱形网护顶。锚杆排距1.2 m, 每排6根锚杆, 间距0.9 m。锚索直径18.9 mm, 长度7.3 m, 树脂加长锚固。锚索每排2根, 排距为2 m。巷帮支护:锚杆、钢筋托梁及网的形式与顶板相同。锚杆排距1 m, 每排4根锚杆, 间距1 m。
3.3 应用效果
将初始设计实施于井下, 并进行了巷道表面位移、顶板离层及锚杆与锚索受力监测。经观测发现工作面受回采影响期间, 巷道表面位移变化不大, 巷道围岩的稳定性没有明显的影响, 基本趋于稳定, 巷道围岩变形得到有效控制, 支护效果好, 确保回采工作高效顺利推进, 并取得良好的经济效益。
4 结论
1) 潞宁煤矿主要存在两种类型的地应力场:σH>σv>σh及σH>σh>σv。由于煤层埋藏相对较深, 原岩应力总体上水平应力占明显优势, 具有典型的构造应力场特征。其中最大水平主应力方向以NW方向为主, 方向全部集中在N39°W~N45°W之间。
2) 潞宁煤矿地应力整体上属于中等应力场, 最大与最小水平主应力及垂直应力总体上随测站深度的增加而增大, 但也有极个别测站存在明显的离散性。
3) 所测矿井最大、最小水平主应力与测站深度之间的关系为
4) 潞宁煤矿所测区域侧压比随埋深的变化规律性不强, 数值分布在0.67~2.7之间。平均水平主应力与垂直主应力的比值大多数大于1.0, 小于1.0的占29%。最大水平主应力和最小主应力的比值范围为1.29~1.85, 平均为1.59。最大与最小水平主应力差值较大。最大、最小主应力差值较大造成岩体内剪应力较大, 超过岩体抗剪强度时, 岩体将发生破坏。
5) 地应力测试结果以用于潞宁煤矿2号煤西翼扩区轨道运输大巷的支护设计, 使其合理性和可靠性显著提高, 巷道支护状况得到明显改善。
摘要：针对潞宁煤矿深部开采条件和地质构造情况, 采用小孔径水压致裂地应力测量装置, 对潞宁煤矿进行了井下地应力测试, 结合测量数据, 详细分析了其井下地应力的特征。使得巷道支护得到明显改善。
关键词：地应力测量,水压致裂,深部开采,应力场
参考文献
[1]何满潮, 谢和平, 彭苏萍, 等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报, 2005 (16) :2803-2813.
[2]何满潮.深部的概念体系及工程评价指标[J].岩石力学与工程学报, 2005 (16) :2854-2858.
[3]康红普, 林健, 张晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用[J].岩石力学与工程学报, 2007, 26 (5) :929-933.
[4]蔡美峰.地应力测量原理与技术[M].北京:科学出版社, 2000.
[5]HUDSON J A, CORNET F H, CHISTIANSSON R.ISRM suggested method for rock stress estimation-part 1:strategy for rock stress estimation[J].Int.J.Rock Mech.Min.Sci., 2003, 40 (7/8) :991-998.
[6]CHISTIANSSON R.The latest development for in-situ rock stress measuring techniques[C]//Proceedings of the International Symposium on In-situ Rock Stress.Trondheim, Norway:[s.n.], 2006:3-10.
深部岩体 篇3
岩体质量分级是水电工程设计和施工的重要地质依据,对某一工程区岩体质量作出合理而准确的分级,对可利用岩体作出判别具有重要的理论和经济意义[1]。美姑河坪头水电站白云岩岩溶作用强烈,地下工程中揭示围岩呈散体结构的砂夹白云岩块石现象,称之为“白云岩岩溶砂化”。针对这一特殊地质现象提出合理的岩体质量分级方法对地下硐室开挖支护与工程整体安全具有重要的意义。
国内很多外学者对白云岩微观溶蚀特征进行了研究。针对白云岩微观状态下岩粉的形成机制,主要有以下3种学术观点[2,3,4,5,6,7,8,9,10]:
(1)镶嵌结构溶蚀破坏:白云岩中方解石脉被优先溶解,岩体破碎成岩石碎块,岩石的镶嵌结构遭到溶蚀破坏,从而分解为分散的颗粒。
(2)渗透-溶蚀分解-机械崩解:白云岩主要沿晶间孔或晶体结合面溶蚀分解及切割崩解,在溶蚀过程中常伴有晶体的脱落,形成白云岩粉。
(3)溶脱作用:地下水沿岩石原生孔隙进行渗透溶蚀,当溶蚀孔隙扩展到一定程度时,产生晶粒脱落。
迄今为止,国内外许多学者对地下硐室岩体质量分级方法进行了研究[11]。岩体质量分级方法从单因素向多因素发展,具有代表性的分级方法主要有:Deere的RQD分类、Barton的Q系统分类、Bieniawsk的裂隙化岩体地质力学(RMR)分类、谷德振的Z系统分类。以上分类方法由于未考虑岩溶地质作用,在岩溶地区很难反映实际情况,适用性有待商榷。对于岩溶地区岩体质量评价,王家骏根据岩溶形态及岩溶形态组合特征,将各种岩溶坝基划分为7种基本岩溶组合结构并提出相应的坝基岩体质量分类方法[12]。邹成杰以地基岩体力学属性为主,对岩溶地区坝基岩体质量进行了量化研究[13]。李苍松等提出岩溶围岩分级模型和建议标准[14]。白云岩岩溶砂化地质现象虽属岩溶范畴,但与其他碳酸盐岩溶形成空洞并逐步扩大的现象不一致,岩溶砂化主要白云岩体崩解脱落形成砂化层。以上方法在岩溶砂化地区可操作性降低,有必要对该地区岩体质量评价方法进行探讨。
本文探讨岩溶砂化对岩体质量的控制作用,并对《水力发电工程地质勘察规范》(GB50287-2006)建议的水电围岩工程地质分类方法(以下简称HC分类)修正,提出更符合本类工程的岩体质量分类方法。
1 工程概况
坪头水电站工程位于凉山州美姑、昭觉、雷波三县交界处,是美姑河干流最下游的一个梯级电站。坪头水电站为低闸引水式开发,闸坝高33 m,壅水高31 m,正常畜水位913 m。经左岸隧洞引水至坪头道班附近建厂发电,工程枢纽布置由首部枢纽、引水系统和厂房组成,隧洞线全长约12.8 km。电站利用最大水头313 m,最小水头286.4 m,装机容量180 MW。
从工程区所在的区域性地貌特征看,本区位于黄矛埂山脉的东南端,山脉整体走向与构造线展布方向大体一致,呈北东向延伸,斜坡整体呈三沟夹两脊的形态。受美姑河切割,河谷呈不对称深切“V”型谷,左岸坡形相对宽缓(图1)。
1.第四系覆盖层;2.寒武系筇竹寺组;3.震旦系上统灯影组上段中部;4.震旦系上统灯影组上段下部;5.震旦系上统灯影组中段上部;6.震旦系上统灯影组中段中部;7.推测地层界线;8.第四系堆积界线;9.背斜;10.产状;11.陡坎;12.美姑河流向
坪头水电站厂址区的区域性断裂不发育,主要构造单元为莫红背斜,背斜轴迹走向N11°E,略向SW方向倾伏,呈宽缓形态背斜。SE翼略陡,地层走向N60～70°E,倾角SE30～40°;NW翼略缓,地层走向N55～65°W,倾角SW20～30°。
研究区出露的地层主要为寒武系筇竹寺组(C1q)一套滨海、浅海相碎屑岩及碳酸盐沉积的黑色页岩夹粉砂岩及泥质灰岩和震旦系灯影组(Zbd)主要为含碎屑岩沉积的灰黑色含磷灰岩、细晶白云岩及含磷粉砂岩。
2 岩溶砂化分级
通过对开挖地下硐室及钻孔揭示砂化现象的统计,结合本课题组已有研究[15,16,17,18,19],将白云岩岩溶砂化发育程度分为以下3个等级:微弱砂化阶段、中等砂化阶段、强烈砂化阶段。
(1)微弱砂化阶段。
岩溶砂化主要沿层面或优势结构面进行,主要为层面裂隙和与层面近正交的一组裂隙,在地下水的物理作用和化学作用下,形成更多的溶蚀微小裂隙。裂隙充填白云岩砂或白云岩粉,岩溶砂化宽度一般在3 cm以内。被结构面切割的白云岩岩块较新鲜,矿物颜色基本未变,结构紧密。见图2。
(2)中等砂化阶段。
岩溶砂化作用沿着优势结构面扩大,随着微小溶蚀裂隙的扩展,在岩体中形成细微裂隙网,并沿着裂隙面进一步发育。白云岩体结构构造部分破坏,岩体被多组结构面切割成大小不等的岩块,岩体表面均有不同程度的砂化现象白云岩砂或白云岩粉充填在各岩块之间的孔隙之中,可出现局部架空现象。岩溶砂化宽度增大,一般在3～10 cm,矿物颜色较明显变化。见图3。
(3)强烈砂化阶段。
岩溶砂化的发育以“砂包白云岩块”结构为典型,呈散体结构的粉砂包围强风化的白云岩块。强烈岩溶砂化作用使得白云岩体结构构造大部分破坏,呈明显的松弛状岩体结构,强烈岩溶砂化作用使得岩体结构强度明显弱化,导致岩块石陷落堆积现象严重。见图4。
3 岩溶砂化与岩体质量
美姑河坪头水电站引水系统主要穿过莫红背斜核部及背斜NW翼,在地下引水隧洞开挖过程中,揭露强烈岩溶作用,该
区段白云岩砂化现象整体比地下厂房区明显的多。根据引水隧洞施工所揭露的情况,结合白云岩岩溶砂化作用特征,根据HC分类考虑因素(岩体完整程度、结构面状态、地下水状态、主要结构面产状)进行整理统计(表1)。将HC分类评价结果与现场分析对比,论证砂化作用对围岩岩体质量的影响。从表1和图5中分析可得:
(1)引水主洞在K11+000～K11+147m段内揭露岩体岩性为灰黑色薄层含磷灰岩、灰色薄层粉砂岩,因此,该段岩溶砂化现象并不发育。其他区段内揭露岩体岩性为灰色细晶白云岩,岩溶砂化较发育。
(2)采用HC分类评价系统中:未岩溶砂化阶段围岩岩体质量介于Ⅱ～Ⅲ类;微弱砂化阶段围岩岩体质量虽也介于Ⅱ～Ⅲ类,但总体评分较未岩溶砂化阶段岩体低;中等砂化阶段围岩岩体质量介于Ⅲ～Ⅳ类;强烈砂化阶段围岩岩体质量为Ⅳ类。未岩溶砂化阶段围岩岩体质量普遍较岩溶砂化阶段围岩质量好,该评分系统通过完整性系数和结构面状态等指标部分体现了岩溶砂化对岩体质量的影响。
(3)现场施工根据围岩岩体结构特征、岩体完整程度、围岩可利用性进行围岩类别修正:未岩溶砂化阶段围岩岩体质量没有发生变化;微弱砂化阶段围岩岩体质量介于Ⅲ～Ⅳ类,与HC分类结果相比,两段围岩岩体质量类别发生降级变化;中等砂化阶段围岩岩体质量介于Ⅳ～Ⅴ类,与HC分类结果相比,三段围岩岩体质量类别都发生降级变化;强烈砂化阶段围岩岩体质量介于Ⅳ～Ⅴ类,与HC分类结果相比,三段围岩岩体质量类别发生降级变化。该类方法则通过实际揭示地质情况,反映了岩溶砂化对围岩岩体质量的控制作用。
4 岩溶砂化条件下HC分类方法修正
HC分类方法明确规定该方法不适用喀斯特洞穴发育地段的地下硐室围岩分类[21]。经过上述对比分析,认为产生以上差异的原因如下:
(1)HC分类通过结构面状态(张开度、充填物、起伏粗糙状况)评分。在地下水沿着结构面运移和渗透过程中,CaO、MgO等易溶物质的溶解,裂隙不断溶蚀扩展,结构面的张开度较大;SiO2等难溶物质含量的富集,结构面内充填一定厚度的白云岩砂或白云岩粉。可见,在岩溶砂化地区由于结构面张开度与充填物特征的变化,水电围岩分类方法的可利用性降低。
(2)HC分类规定:按岩体完整程度分级为完整性差、较破碎和破碎的围岩不进行主要结构面产状评分的修正。本工程岩溶砂化围岩岩体类别大都介于Ⅲ～Ⅴ类,采用HC分类不进行主要结构面产状的评分。因此,水电围岩分类评级相对较高。
(3)岩溶砂化除影响岩体完整性系数外,还可影响岩体的RQD值、渗透性、溶蚀裂隙系数、体积节理数等指标。这些参数都从某一侧面反映了岩体完整程度。HC分类并没有引入上述参数到评价系统中,岩体的完整程度评分稍高。
根据引水主洞段HC分类考虑因素(岩体完整程度、结构面状态、地下水状态、主要结构面产状)的详细统计,结合岩溶砂化发育程度特征,将岩溶砂化层作为软弱夹层考虑[21],归纳得出修正模型计算公式为:
T′=T(HC分类评分)-100 K W
K=1-fc/fr
式中:T′为修正后围岩评分;T为HC分类评分;W为岩溶砂化发育程度修正系数(取值见表2);fc为岩溶砂化层摩擦系数;fr为围岩摩擦系数。
以5号支洞、压力管道中平段施工支洞、蝶阀室交通洞、上室交通洞为例对建立修正模型进行验证:
现场依据岩体结构类型和岩体完整程度,对围岩进行分类。以5号支洞K0+140～K0+214段围岩为例,现场根据其破碎、碎块状结构,定义围岩等级为Ⅴ级;根据其岩体完整程度、结构面状态、地下水状态、主要结构面产状特征采用HC分类评分为T为41,定义围岩等级为Ⅳ级;采用修正模型重新评价T′为23.1,围岩等级为Ⅴ级,与现场评价一致。
从表3统计结果表明:修正模型与现场围岩初步分类实际情况吻合度较高,适合本工程的围岩岩体质量评价。
5 结 语
(1)根据白云岩岩体砂化作用的定性特征与发展演化过程,可将岩溶砂化发育程度分为:未砂化、微弱砂化、中等砂化、强烈砂化等4个阶段。
(2)与现场实际施工情况相比,水电围岩分类评价岩溶砂化围岩岩体质量类别偏高,针对白云岩岩溶砂化地区的地下围岩分类适用性降低。
(3)现场资料统计表明:受岩溶砂化作用的影响,现场施工揭示围岩岩体质量类别发生降级变化。
(4)地下工程围岩类别修正模型分析结果与现场实际情况基本相符,为岩溶砂化地区围岩分类提供一种有效方法。但由于岩溶砂化的复杂多样性,尚需在其他相似工程实践中验证其实用性。