基于结构面间距标准的层状岩体结构分类方法探讨与应用

闫长斌,王贵军,常福庆,陈艳国,高旭辉

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

基于结构面间距标准的层状岩体结构分类方法探讨与应用

闫长斌,王贵军,常福庆,陈艳国,高旭辉

(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州 450003)

在总结现行规范、规程有关层状岩体结构划分标准的基础上,指出了以结构面间距为划分依据存在的差异与不足,对层状岩体结构分类方案提出新的认识。将巨厚层状结构进一步细分为>1 m和>2 m两个亚类,并将互层状结构融入其他层状结构类型中。同时针对层状岩体风化卸荷与剪切带发育特点,提出了更具针对性的夹层结构。最后,结合建筑物涉及岩组的结构面间距平均值与结构面间距百分比统计资料,初步建立了适用于古贤水利枢纽工程的近水平层状岩体结构划分方案。

工程地质;层状岩体;岩体结构类型;结构面间距

0 引言

岩体结构是岩体工程地质评价的基础。正确认识、划分岩体结构类型,对于岩体工程地质评价具有重要影响。从宏观上讲,地壳中的岩体结构可分为块状结构和层状结构两大类[1],其中层状结构岩体约占陆地面积的75%,是工程建设中遇到的主要岩体结构类型。层状岩体中不但包括原生层面和层理,而且有后期改造形成的节理裂隙等次生以及表生结构面,甚至断层构造。另外,层状岩体中有时还存在软弱夹层发育、岩石相变明显等一系列复杂问题。这些问题给层状岩体质量评价和分级带来了诸多困难。

对于层状岩体结构类型的划分,国内外已有多种方案或标准,有关规范也给出了明确的规定[2-4]。参照软硬岩层组合关系,根据层面等结构面间距,通常将层状岩体划分为巨厚层状结构、厚层状结构、中厚层状结构、互层状或薄层状结构等。然而,从实际应用来看,结构面间距标准并不一致,甚至差别很大,难免造成认识和使用上的诸多混乱[5]。另外,就某些规范而言,其结构面间距划分标准是根据某些工程统计数据得来的,是否适用于任何一项工程,有待进一步考证。本文在对比分析已有层状岩体结构类型划分标准的基础上,对基于结构面间距的层状岩体结构分类问题进行探讨,尝试提出一些新的看法和认识,并结合具体地质条件,建立适用于古贤水利枢纽工程复杂近水平层状岩体结构划分方案,为古贤水利枢纽工程岩体质量分级和评价提供基础,为类似工程提供借鉴和参考。

1 层状岩体结构划分依据及其存在的差异

1.1 现有规范与文献的有关规定

(1)《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)附录U中规定了层状岩体结构的划分标准。该规范将层状岩体结构划分为巨厚层状、厚层状、中厚层状、互层状和薄层状等5种结构类型,依据的层面间距标准分别是>100 cm、100～50 cm、50～30 cm、30～10 cm和<10 cm。

(2)《工程岩体分级标准》(GB50218—94)中建议将层状岩体结构类型分为巨厚层状、厚层状、中厚层状以及中—薄层状等4种,其中巨厚层状、厚层状结构的结构面间距标准均为>100 cm,而中厚层状及薄层状结构的划分标准依次为100～40 cm和40～20 cm。

(3)《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)(2009版)附录A.0.4中给出了岩体按结构类型划分的规定,其划分依据仍然是岩体结构面发育状况。其中涉及的层状岩体结构类型主要有巨厚层状、厚层状、中厚层状结构等3种,其划分标准依次是>150 cm、150～70 cm、70～50 cm。

(4)《中小型水利水电工程地质勘察规范》(S L55—2005)附录A.0.2-2仍将层状岩体结构划分为巨厚层状、厚层状、中厚层状、薄层状和极薄层状等5种类型,其对应的结构面间距标准依次是>100 cm、100～50 cm、50～20 cm、20～5 cm和<5 cm。

(5)《铁路工程岩土分类标准》(TB 10077—2001)第3.2节中规定,有关层状岩体结构类型和相应的结构面间距应分别符合如下规定:①巨厚层状结构:>100 cm;②厚层状结构:100～50 cm;③中厚层状结构:50～10 cm;④薄层状结构:<10 cm。

(6)《公路工程地质勘察规范》(JTJ 064—98)附录G中规定,层状岩体结构类型的划分,结构面间距应符合以下规定:①厚层:>50 cm;②中层:50～10 cm;③薄层:<10 cm。

(7)《建筑边坡工程技术规范》(G B 50330—2002)附录A-2中提到,岩体结构类型的划分应符合现行国家标准《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)(2009版)表A.0.4的规定,即结构面间距为:①巨厚层状结构:>100 cm;②厚层状结构:150～70 cm;③中厚层状结构:70～50 cm。

(8)湖南省水利水电勘测设计研究总院编写的《中小型水利水电工程地质勘察经验汇编》有关《中小型水利水电工程围岩地质分类及有关围岩稳定性评价的几个问题》一文中,对于层状岩体结构采用如下分类标准:①巨厚层状结构:>200 cm;②厚层状结构:200～60 cm;③中厚层状结构:60～20 cm;④薄层状结构:20～6 cm;⑤薄层状结构:<6 cm。

1.2 结构面间距标准存在的差异与不足

从前述规范关于层状岩体结构类型划分的规定中,不难发现:对于层状岩体结构类型的主要划分依据是结构面间距。而对于相同岩体结构,其划分所依据的结构面间距却有很大差别。例如,对于巨厚层状结构的划分标准,结构面间距数值就有200 cm、150 cm和100 cm三种,相差竟达1倍;而厚层状岩体结构划分所依据的结构面间距之间的差异更加突出,例如200～60 cm、150～70 cm、100～50 cm和100～40 cm等。另外,中厚层状和薄层状岩体结构类型划分标准也很不一致。纵观以上层状岩体结构的分类方案,大多数采用100 cm、50 cm、30 cm和10 cm体系来划分巨厚层、厚层和中厚层以及薄层状岩体结构类型,其应用最为广泛。由此可见,现行规程、规范及部分文献对于层状岩体结构类型的划分标准的确存在较大差异。究其原因,一方面是规程、规范修编的协调性差,各行业、领域之间缺乏有效、完备的沟通;另一方面是人为因素的影响,人们对于结构面间距划分标准的认识不统一。因此,有必要对此问题予以澄清,建立面向工程应用的、概念明晰的划分标准或方案。在此基础上,结合具体的工程地质条件,根据现场有关实测数据和资料,确定合理的结构面间距划分依据,构建适用于具体工程的层状岩体结构类型划分体系。

2 对层状岩体结构类型划分方法的探讨

2.1 基于结构面间距的划分标准及其确定方法

综合上述规程、规范中的结构面间距标准,参考葛洲坝、小浪底、李家峡等工程建立的层状岩体结构分类方案,认为层状岩体结构类型划分应主要依据单层厚度,即首先考虑层面间距;其次考虑节理裂隙对岩体的切割厚度,即节理面间距;同时参考完整性系数、风化卸荷程度以及RQD等因素,综合划定层状岩体结构类型。另外,岩体结构面间距的确定,对于研究节理裂隙发育深度与密度亦具有实际意义。

至于结构面间距的确定,对于层状岩体而言,应首先现场测量不同沉积岩性之间的接触层面间距,然后再统计节理裂隙切割后的裂隙面间距。无法直接进行测量的,亦可根据钻孔、大口径钻孔岩芯,配合钻孔电视,进行结构面间距的统计分析。在实际统计过程中,划分结构面的标志性界限是以下几个:①明显的岩性层面;②张开的层内层理;③陡倾角或缓倾角节理裂隙面;④泥化夹层等软弱结构面。

2.2 对层状岩体结构类型划分方案的建议

层状岩体结构的五级划分方案应用最多。然而,对于互层状结构,水利水电工程地质勘察规范(GB 50487—2008)把互层状列在中厚层状与薄层状之间,而其他绝大部分规范则没有将其单独列出。其实,从某种意义上讲,层状岩体绝大部分情况下都是软硬互层状沉积的,与层面间距并无直接联系,互层状结构完全可以划归到其他结构类型中,不必单独列出。因此,本文将结构面间距为10～30 cm的层状岩体划归到薄层状结构的范畴。对于结构面间距<10 cm的层状岩体,可视为夹层或细长透镜体,往往呈片状或极薄层状,此处统称为夹层状结构;而对于巨厚层状结构,则需考虑具体工程地质条件,结合前述规程、规范的对比分析,可将其分为两个亚类,即层厚>200 cm和>100 cm的,分别称为整体巨厚层状和一般巨厚层状。层状岩体结构与相应的划分标准,见表1。

表1 层状岩体结构分类表Table 1 Division of layered rock mass structure types

3 古贤水利枢纽层状岩体结构类型分析

古贤水利枢纽工程位于黄河中游北干流碛口—禹门口河段,壶口瀑布上游约3.5～23.5 km处,左岸为山西省吉县,右岸为陕西省宜川县。古贤水利枢纽作为黄河干流的七大控制性骨干工程之一,在黄河治理开发和水沙调控体系方面具有极为重要的战略作用[6]。

3.1 古贤水利枢纽地层岩性与层状岩体结构特征

坝址区出露基岩主要为中生界三叠系中统二马营组上段和铜川组下段,为一套陆相碎屑岩系,分布于整个坝址区的河谷及岸坡上,出露厚度160～200 m,最大揭露厚度350 m左右。岩相变化较大。

坝址区为近水平状单斜地层,总体走向为10°～30°,倾向NW,倾角为0°～3°。地质构造简单,未发现断层、褶皱等构造,发育有陡倾角的节理裂隙和顺层剪切带等。

3.2 古贤水利枢纽层状岩体中的结构面间距统计

根据钻孔柱状图、钻孔岩芯测量、钻孔电视成像资料,在河床、两岸选取有代表性的钻孔进行层状岩体结构面间距统计。坝址区坝基岩体和洞室围岩主要埋藏于二马营组地层的岩组以及铜川组地层的岩组中,统计时重点选择了以上几个岩组,具体结果见表2。

表2 坝址区岩体结构面间距平均值统计表Fig.2 Statistic of discontinuity spacing of dam area rock mass

由图1～2可见:①整体巨厚层状(>2 m)和一般巨厚层状(>1 m)岩体的结构面间距平均值具有相似的规律,均是岩组最大,而岩组较小。其余岩组的结构面间距平均值相差不大。②整体巨厚层状(>2 m)和一般巨厚层状(>1 m)岩体的结构面间距百分比平均值亦具有基本相似的规律,二者的百分比平均值都较大。其中,一般巨厚层状(>1 m)岩体中的岩组最大;而整体巨厚层状(>2 m)的岩体中岩组最大;二者均是岩组最小。③其余几个岩组的结构面间距百分比平均值相差不大。其中厚层状(0.5～1 m)岩体的结构面间距百分比平均值相对较大,各个岩组所占比例基本上都超过了10%;而中厚层状(0.3～0.5 m)、薄层状(0.1～0.3 m)及夹层状(<0.1 m)等结构岩体的结构面间距百分比平均值相对较小,除了夹层状(<0.1 m)的岩组外,大部分低于10%,且三者之间非常接近。

图1 各岩组结构面间距平均值Fig.1 Discontinuity spacing average depth of each rock group

图2 各岩组结构面间距百分比平均值Fig.2 Discontinuity spacing percentage of each rock group

3.3 古贤水利枢纽工程近水平层状岩体结构分类

根据水利《水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)的规定,参考本文提出的层状岩体结构分类方案,结合上述古贤水利枢纽坝址区有关岩组层状岩体层面等结构面间距统计数据,同时考虑RQD、波速等其它因素,将古贤水利枢纽工程坝址区层状岩体结构划分为:巨厚层状结构、厚层状结构、中厚层状结构、薄层状结构和夹层状结构等五种类型。其中,巨厚层状结构又进一步细分为结构面间距>1 m和结构面间距>2 m两个亚类。具体的层状岩体结构类型划分及其主要工程地质特征,见表3。

由于岩层的相变较大,不同岩性呈不等厚的韵律互层发育。因此根据现阶段工程地质岩组的划分,同一个岩组可能包含不同的层状岩体结构类型。

另外,由于覆盖层及强风化卸荷带岩体在重力坝坝基、面板坝趾板、心墙坝齿槽以及进出口边坡、隧洞过沟浅埋段等部位需要挖除,因此工程建筑物区域的薄层状和夹层状结构岩体所占比例将会减少。

4 结论

在总结现有规范、规程有关层状岩体结构划分标准的基础上,指出了结构面间距划分依据存在的差异与不足,综合分析后提出了层状岩体结构分类的修正方案。该方案将巨厚层状结构进一步细分为>1 m和>2 m两个亚类,并将互层状结构融入其他结构类型中。同时针对层状岩体风化卸荷与剪切带发育特点,提出了更具针对性的夹层结构。根据该方案提出的划分方法,结合建筑物涉及岩组的结构面间距平均值与结构面间距百分比统计资料,初步建立了适用于古贤水利枢纽工程的近水平层状岩体结构划分方案。

表3 古贤水利枢纽工程坝址区层状岩体结构类型Table 3 Layered rock mass structure types of Guxian project dam area

岩体结构类型结构面间距均值/m 结构面间距百分比/%T2t2-11T2t1 1T2er112T2er102T2er9 2T2t2-11T2t1 1T2er112T2er102T2er9 2基本地质特征厚层状结构0.70～0.850.60～0.908.30～25.004.50～31.50岩体较完整,结构面轻度发育,以陡倾角节理和层面为主,结构面间距一般为0.6～0.9 m;岩体嵌合较紧密,一般无充填或钙质充填,多呈闭合状或微张;岩性以单一的砂岩或粉砂岩为主,部分岩层为二者的韵律互层中厚层状结构0.35～0.400.30～0.450.90～7.200.80～17.00岩体较完整,结构面中等发育,以陡倾角节理和层面为主,局部存在缓倾角裂隙;节理间距一般为0.3～0.45 m;局部存在贯穿性的节理裂隙,无充填或钙质充填,结构面多呈闭合状或微张;岩性以以软硬岩石的韵律互层为主薄层状结构0.10～0.200.10～0.251.00～10.000.30～18.50岩体完整性较差—差,结构面较发育—发育,节理间距0.1～0.25 m;存在贯穿性的节理裂隙,结构面多呈微张—张开,钙质或碎屑充填,表现为薄层或互层结构岩体完整性差,结构面发育,呈碎块或薄片状;具有明显的强风化、卸荷或错动与擦痕等特征;绝大多数为强风化、卸荷带或发育在软岩以及软硬岩界面的灰绿色或紫红色剪切带夹层状结构0.01～0.060.03～0.071.00～8.000.25～11.00

[1] 谷德振.岩体工程地质力学基础[M].北京:科学出版社,1979.

[2] GB50487—2008,水利水电工程地质勘察规范[S].

[3] GB50218—94,工程岩体分级标准[S].

[4] SL55—2005,中小型水利水电工程地质勘察规范[S].

[5] 黄向春,骆福英,熊博.层状岩体结构划分与岩体工程地质评价[J].岩土工程界,2005(7):30-32.

[6] 王贵军,常福庆,闫长斌,等.黄河古贤水利枢纽项目建议书阶段工程地质勘察报告[R].郑州:黄河勘测规划设计有限公司,2009.

(责任编辑:胡立智)

Discussion on the Division Methods of Layered Rock Mass Structure Types Based on the Discontinuity Spacing and Its Application

YAN Changbin,WANG Guijun,CHANG Fuqing,CHEN Yanguo,GAO Xuhui
(Yellow R iver Engineering Consulting Co.,L td.,Zhengzhou,Henan450003)

Based on summarizing the codes about division standards of layered rock mass structure,the differences and shortages of discontinuity spacing as the rule are pointed out,and the new cognizance for the scheme of layered rock mass structure is taken forward.The huge thick layered structure is divided into two sub-classes further,which are>1 m and>2 m,and the interbed structure is included in other layered structures as a whole.The interlayer structure with more pertinence is put forward,as for the characters ofweathering and unloading and shear zone of layered rock mass.At last,the division schemes of close to horizontal layered rock mass structure,which are applied to Guxian Project,are founded preliminarily,combined with the statistical data of average and percentage of discontinuity spacing of some rock groups where the buildings are involved.

engineering geology;layered rock mass;rock mass structure types;discontinuity spacing

TV223.1

A

1671-1211(2010)05-0574-05

2010-07-31;改回日期:2010-09-03

黄河勘测规划设计有限公司自主研究开发项目(2009—ky01);国家“十一五”科技支撑计划(2006BAB04A06)。

闫长斌(1979-),男,工程师,博士,岩土工程专业,从事水工岩石力学方面的设计与研究工作。E-mail:yanchangbin-2001@163.com