青龙水电站引水隧洞蚀变花岗斑岩物理力学特性研究

胡 帅，江国勇

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

青龙水电站引水隧洞蚀变花岗斑岩物理力学特性研究

胡 帅，江国勇

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

青龙水电站引水隧洞后半段二迭系灰岩地层中有脉状产出的花岗斑岩，其新鲜岩石强度较高，属硬质岩，但由于岩体裂隙发育，沿结构面岩体蚀变强烈，局部深埋（垂直埋深300～400 m）节理密集段出现囊状风化现象，岩体强度降低，对隧洞围岩稳定带来较不利影响。本文通过对工程区区域地质环境、花岗斑岩的建造特征、岩体的构造改造研究，分析了花岗斑岩的蚀变机理；通过对花岗斑岩岩样试验等手段，研究了花岗斑岩岩体的物理力学特性。研究表明：岩体蚀变越强，其物理性质相对越低；蚀变后岩体强度显著降低；发生蚀变的花岗斑岩结构面的抗剪力学参数较低，与水电规范中岩屑夹泥型结构面参数取值相当。

花岗斑岩；蚀变；蚀变机理；物理力学特性

0 前 言

青龙水电站位于四川省阿坝州九寨沟县境内，其引水隧洞位于白水江左岸，全长13.9 km，水平埋深一般300～500 m，垂直埋深300～700 m，隧洞穿越区山体雄厚，地形陡峻较完整，区内地层为二叠系下统黑河组滨、浅海相沉积的浅变质碎屑岩和碳酸盐，夹脉状花岗斑岩。

根据开挖揭示，隧洞7＋400～12＋490 m段围岩岩性以花岗斑岩为主，部分为极薄层灰岩，少量中厚层灰岩。在深埋情况下，花岗斑岩侵入体仍表现出风化和蚀变现象，在节理密度较小区域，蚀变主要沿岩体结构面蚀变，表现为沿结构面呈0.1～2 cm不等厚度颜色渐深的蚀变带；在节理密度较大区域，花岗斑岩往往沿结构面发生强烈蚀变，表现为沿结构面岩体蚀变成岩块、岩屑，局部因受断层或挤压带影响，则蚀变为岩屑岩粉；而花岗斑岩的风化主要是沿着结构面呈囊状风化和块状风化。

在隧洞开挖过程中，沿蚀变结构面易发生塌落掉块；在岩体较破碎、结构强烈蚀变地段若开挖方式不当或支护不及时易造成隧洞塌方，若支护措施不当易产生洞室围岩变形。工程建设过程中，由于对花岗斑岩蚀变影响围岩稳定的认识不足等原因，施工过程中隧洞多处塌方，支护后围岩变形较大，对工程产生较不利的影响。

1 区域地质背景

1.1 大地构造位置

工程区地处阿尔卑斯-喜马拉雅构造体系域（简称特提斯构造域）、太平洋构造体系域和中新生代环西伯利亚构造体系域等三大构造体系域的中心聚合地带，位于昆仑-祁连-秦岭-大别东西构造带中段，为秦岭造山带西延段（见图1），地质构造直接受其控制，在时间上表现为地质构造演化的多期次性，在空间上表现为地质构造活动的复杂性。

1.2 区域构造格局

工程区在区域上位于昆仑-秦岭纬向构造带的西延段，由于受康藏歹字型巨型构造体系和龙门山构造带的影响和控制，构造十分复杂，区内涉及三个构造区，即武都弧形构造、文县弧形构造和岷江南北向构造带。

秦岭造山带是经历长期演化由多期不同构造运动叠加复合而形成，包容着不同时代、不同性质与类型的造山作用所造成的岩石地层单元与结构构造，形成极其复杂的物质组成与空间复合构造形态。西秦岭南缘勉略构造带现今地表构造可概括为：总体呈近东西—北西西向展布，以自北而南多层次叠瓦状复合逆冲推覆构造为骨架的向南突出的巨型弧形复合断裂构造带（见图2）。

1.3 区域构造演化

秦岭造山带是经历长期多次不同造山作用而形成的复合型大陆造山带，在中国大陆的形成与演化中占有重要地位。地质、地球物理、地球化学等多学科综合研究表明，其形成与演化主要经历了3个不同构造演化阶段：

（1）晚太古代-古元古代（Ar-Pt1）造山带前寒武纪基底的形成演化（3.0～1.6 Ga）；

图1 工程区区域构造位置

图2 西秦岭勉略构造带及临区区域构造略图

（2）新元古代至中三叠世（Pt3-T2），以现代板块构造体制为基本特征的板块构造演化（0.8～0.2 Ga）；

（3）中新生代陆内造山作用与构造演化。

前寒武纪二类基底形成阶段（Ar-Pt1）实际包括早前寒武纪结晶基底（Ar-Pt1）形成和中新元古代（Pt2-3）过渡性基底形成两个阶段。

新元古代-古生代-中生代初（Pt3-T2）以现代板块构造体制为基本特征的大陆板块构造俯冲碰撞主造演化阶段，是决定秦岭现今各主要板块与陆壳块体间基本配置与定位关系和奠定秦岭现今基本构造格架的主造山作用演化阶段。其中包括了ZO2板块扩张期，O2-D3收敛俯冲期，D3-T2碰撞期，其中又划分出以商丹主缝合带为标志的D3-C2点接触碰撞、C3-P的面接触碰撞和P2-T2的陆-陆全面碰撞等碰撞造山的细节过程。以勉略主缝合带为标志的D-P1的洋盆打开扩张期，P2-T2的俯冲期和T2-3的碰撞期。该阶段正是东原特提斯和古特提斯发生、发展与关闭，是中国大陆完成其主体拼合的重要演化阶段。

在秦岭板块碰撞造山之后，中新生代的秦岭并未平静下来，而是又发生了不亚于主造山作用的陆内造山作用，最终形成现今秦岭构造面貌与山脉。包括了主造山期后的伸展塌陷构造（T3-J1），燕山中晚期的陆内造山的逆冲推覆和花岗岩浆活动（JK1），燕山晚期至喜马拉雅期的挤压与伸展构造共存的急剧隆升成山演化（K2-R）。

显然，秦岭造山带是在先期早前寒武纪地质演化基础上，自中新元古代以来，经历长期多阶段构造演化，并突出在不同发展演化阶段先后以伸展裂谷与小洋盆多块体扩张构造、并非一开阔大洋型的多板块有限洋盆或窄大洋的中小洋陆板块构造和陆内（板内）大陆构造的不同构造体制发展演化，最终形成独具特色的今日之秦岭。

尚瑞均等所著《秦巴花岗岩》将秦巴花岗岩分为九期，工程区所在西秦岭南区，属于印支期花岗岩期。区内花岗斑岩成生时代为中生代三叠纪晚世（T3）晚印支运动时期，成生时间约为205-230 Ma。

2 花岗斑岩分布规律及蚀变机理

2.1 花岗斑岩侵入体发育分布规律

通过引水隧洞开挖跟踪调查探究花岗斑岩侵入体发育分布规律。斑岩呈NWW向条带状分布，总体呈脉状产出，以层间侵入为主，局部切层见图3、4。

引水隧洞在开挖过程中，在3号支洞～5号支洞及主洞开挖均遇到花岗斑岩，其产出特征以层间侵入为主（见图5），局部切层产出见图6。

图3 1 245±15 m平切图花岗斑岩顺层产出

图4 1 245±15m平切图花岗斑岩局部切层

图5 洞内花岗斑岩的顺层出露

图6 洞内花岗斑岩的切层出露

2.2 花岗斑岩岩体结构

工程区花岗斑岩岩体主要结构面为节理裂隙面，根据跟踪调查统计资料得出花岗斑岩中主要发育四组节理面：①N50°～65°W／SW∠50°～75°，延伸长为1～3 m。间距为0.5～1 m，裂隙面较平直，沿裂隙蚀变强烈，多数张开裂隙充填蚀变物，少数裂隙被石英充填胶结；②N60°～75°E／SE∠60°～80°，延伸长一般为1～1.5 m。间距为0.3～0.7m。该组节理发育相对密集但延伸较短，节理面较平直；③N40°～60°E／SE∠55°～65°，延伸长一般为1～2 m，间距大于2 m，该组节理延伸较长发育不密集，节理面较起伏，裂隙微张；④EW／N∠40°～55°，延伸长一般为0.5～1 m，间距为0.2～0.6 m，该组节理延伸较长但初露较少，结构面粗糙有起伏，裂隙微张。

其中，①组陡倾角结构面与围岩产状相近，发育最早且最为发育；②组节理切割①组又受①组控制（见图7），次发育；③、④组节理在前两组节理之后产生，发育较弱。

图7 四组节理空间组合

节理面裂隙密集地段出现囊状风化现象（见图8），在结构面交汇处岩体破碎地段岩体蚀变强烈，特别在有渗滴水的节理裂隙处岩体锈染严重蚀变更加强烈（见图9）。

围岩受结构面、地下水、地应力等综合因素的影响，岩体强度破碎状况不一，3号支洞～5号支洞初露的花岗斑岩岩体结构呈次块体～碎裂结构，以镶嵌～碎裂结构（见图10～12）为主，局部地段围岩为次块体结构（见图13）。

图8 囊状风化

图9 结构面附近锈染严重

图10 花岗斑岩碎裂结构

图11 花岗斑岩镶嵌结构

图12 花岗斑岩镶嵌～碎裂结构

图13 花岗斑岩次块体结构

2.3 花岗斑岩的矿物组成及其结构、构造

野外调研及薄片鉴定发现，花岗斑岩的矿物组成及其结构、构造有如下特征：

花岗斑岩的主要矿物成分为斜长石（含量约占45%～50%）和石英（含量约占25%～35%），次要矿物为黑云母（含量约占5%～15%）。由于蚀变作用，岩石中还包含绢云母、绿泥石、绿帘石、黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿等矿物，局部含碳酸盐交代。

花岗斑岩具有块状构造，变余斑状结构和斑状结构。基质具有细粒状结构，总体呈不规则的细粒状长石和石英组成不规则交错结合的粒状集合体，并含少量细粒绢云母（见图14）。基质中的长石细粒较自形，并常见不太清晰的双晶纹和轻微泥化，而基质的石英细粒以洁净透明为主。

图14 显微镜下花岗斑岩薄片鉴定

花岗斑岩的斑晶总含量约在20%～30%间，主要由斜长石、石英及少量云母组成（见图15）。斜长石斑晶含量约占20%～25%，呈中细粒自形板状且局部形状较不规则，呈无序散布，单偏光下呈无色透明且表面局部浑浊，显微镜下具一级灰干涉色，呈半自形长条状结构，正交偏光下多呈聚片双晶。部分斜长石斑晶被基质熔蚀或被基质（常见含细粒石英）充填，分布无规律，局部由无序分布的少许长石组成不规则聚斑。

石英斑晶含量约占3%，呈中细粒自形或不规则粒状无序分布。斑晶无解理但有裂纹，边缘具不规则增生边，含少许细粒气液状包体。单偏光下呈无色透明，显微镜下具一级灰至黄白色干涉色，呈他形粒状结构，正交偏光下波状消光。

黑云母斑晶含量较少，呈细粒、细长片状或板状无序散布，无解理或见一组较发育的波状解理，解理常被细粒铁质包体充填。单偏光下呈绿色或褐色，显微镜下具较鲜明的二级干涉色，呈半自形叶片状结构，正交偏光下呈浅绿、褐绿、褐红、黄绿，蓝等多种干涉色。

基质蚀变较强烈，以细小鳞片状绢云母化为主，无序充填于石英及长石细粒间，局部穿切交代石英及长石，并常伴有少许细粒土状榍石和细粒碳酸盐共生，偶见不规则状细粒钛铁矿呈无序散布。榍石呈灰色浑浊，具高级白干涉色；碳酸盐分布不均，主要由细粒白云石和少量方解石组成，两者常共生，染色法测试都呈红色斑点（见图16）；钛铁矿的形状不规则，切片黑色不透明，反射光下具灰白色土状光泽。

图15 Q4X-178（4号支洞上游掌子面）

图16 Q5X-12-1（5号支洞上游掌子面）染色测试

花岗斑岩的斑晶蚀变极强烈，主要表现为斜长石斑晶的绢云母化，局部偶见细粒不规则斑点状榍石共生或被细粒碳酸盐交代，双晶均不明显，据双晶法测定，以An小于27号更长石组成。石英斑晶粒间常被绢云母充填或被碳酸盐交代，局部保留较新鲜的洁净透明石英，其仍较洁净透明，干涉色灰白色，具较强烈的波状消光。黑云母斑晶都已褪色形成浅色云母，显微镜镜下其特征与白云母相似，无色透明具较鲜明的二级干涉色。黑云母斑晶常被碳酸盐交代。

花岗斑岩的碳酸盐化也较发育，分布主要呈不规则细粒状交代或蚀变黑云母，局部呈微脉状沿裂隙分布，据染色法测试由方解石组成，局部含少许细粒黄铁矿共生，后者以自形粒状为主。

2.4 花岗斑岩的蚀变机理分析

根据蚀变花岗斑岩的矿物、化学成分特征、结构构造特征，岩体结构分析等，分析了花岗斑岩的蚀变机理。

花岗斑岩结构面发育特征显示，其与围岩厚层状灰岩的结构面组合特征无明显的差异，表明花岗斑岩与二叠系围岩的构造改造历史相似，即花岗斑岩是在本区二叠系地层褶皱前或初期的构造活动形成。

岩石蚀变的宏观特征显示，呈现出明显的沿结构面的条带状“褪色带”；岩石的蚀变程度与结构面的发育程度相关，结构面发育密集、结构破碎的岩体及结构面相交处蚀变强烈，局部甚至呈“团块状”蚀变。表明岩石的蚀变与构造活动相关，严格受构造活动的控制。

岩石薄片及X射线粉晶衍射分析显示，从“裂隙褪色蚀变带”至裂隙间的泥化物及“团块状泥化花岗斑岩”，高岭土含量明显增加，绢云母、绿泥石含量也明显增大，且出现了方解石化。表明高岭土化主要沿构造裂隙发生，并且沿构造裂隙还发生了绢云母化、绿泥石化、方解石化。

根据上述分析，可初步总结出花岗斑岩有如下的蚀变机理：

印支期强烈的地壳活动为岩浆侵位创造了有力条件。富Al、Si的酸性岩浆沿断裂上升运移，并主要沿下二叠统黑河组厚层状灰岩及薄板状灰岩层面（局部切层）侵入，逐渐冷却形成花岗斑岩。

花岗斑岩及其围岩在印支后期及燕山期构造活动过程，在NE-SW向挤压应力作用下，由于花岗斑岩与周边灰岩存在岩石能干性差异，在花岗斑岩中节理裂隙发育。后期热液沿裂隙与花岗斑岩发生热液交代作用，尤其在裂隙密集，岩体破碎的部位，中-低温蚀变强烈，花岗斑岩岩体发生非整体性蚀变。主要表现为绢云母化、粘土化（高岭土化）、绿泥石化、绿帘石化、碳酸盐化等，镜下特征表现为石英港湾状结构、绿帘石的出现等。

3 蚀变对岩体物理力学性质影响

在工程区中揭露出了大量蚀变的花岗斑岩，且这些花岗斑岩都沿着结构面发生了不同程度的蚀变。花岗斑岩的蚀变强度与结构面的发育程度具有明显的相关性，在结构面发育区，花岗斑岩蚀变较强，且局部有泥化现象出现（见图17），结构面发育程度较低部位，岩石的蚀变程度也相对较弱。花岗斑岩蚀变后结构面力学性质的变化，对开挖隧洞围岩稳定性构成影响的确定，成为了花岗斑岩区研究的重点。因此，查明这些蚀变花岗斑岩的物理力学性质，客观地评价蚀变花岗斑岩对围岩稳定性的影响就显得尤其的重要。为此我们对工程区产出的蚀变花岗斑岩的物理力学性质进行了专门的研究。

图17 （隧）11＋855 m处不同蚀变程度花岗斑岩

3.1 蚀变花岗斑岩物理指标实验成果分析

在现场分别于桩号（隧）7＋665 m和（隧）11＋855m处采集了6组48个不同蚀变程度的花岗斑岩试样，并于现场将这些试样密封好带回试验室，采用蜡封法、比重瓶法等试验分别对岩样的密度、比重等进行了测试，试验成果见表1。

在4号试样中，试样4号-2的干密度为2.02 g／cm3较其他两组分别小约9.4%和5.0%，颗粒密度相当为2.56 g／cm3，吸水率为0.55%较其他两组约大60%，饱和吸水率为0.66%分别较其他两组大54.5%和42.4%，试样4号-2的蚀变程度大于其他两组。

在5号试样中，试样5号-2的干密度为2.14 g／cm3较其他两组分别小约0.09%和3.2%，颗粒密度为2.55 g／cm3分别小约0.3%和2.0%，吸水率为0.50%较其他两组分别大约16%和24%，饱和吸水率为0.64%较其他两组分别大约17.2%和20.3%，从图17中可以看出，试样5号-2的蚀变程度较其他两组试样都大。

因此，蚀变花岗斑岩的物理性质受到蚀变程度的影响，即蚀变程度越大，其物理性质相对越低。

表1 蚀变花岗斑岩试样物理指标实验成果

3.2 蚀变花岗斑岩点荷载试验

室内蚀变花岗斑岩的抗压强度和抗拉强度主要是通过点荷载试验计算求得。在现场，以桩号（隧）7＋665 m处和桩号（隧）11＋885 m处出露的花岗斑岩做为采集点，分别采集了用于点荷载试验的6组共35个试样。

4号支洞上游（隧）7＋665 m处和5号支洞下游（隧）11＋885 m处的弱蚀变花岗斑岩都有较高的单轴抗压强度，其范围值分别为72.15～150.59 MPa和94.30～136.81 MPa，属于坚硬岩；4号支洞上游弱蚀变花岗斑岩的抗拉强度值的变化范围较大，为7.76～16.19 MPa，5号支洞下游弱蚀变花岗斑岩的抗拉强度值较稳定，平均值约为13 MPa。

根据试验结果：试样4-3组为微蚀变花岗斑岩，其抗压强度和抗拉强度分别为146.09 MPa和15.71MPa；试样4-2组为弱蚀变花岗斑岩，其抗压强度和抗拉强度分别为72.15 MPa和7.76 MPa，约为试样4-3组抗压强度和抗拉强度的0.5倍。弱蚀变花岗斑岩试样5-1组的抗压强度和抗拉强度分别为94.30 MPa和10.14 MPa；微蚀变花岗斑岩试样5-2组的抗压强度和抗拉强度分别为131.81 MPa和14.17 MPa，约为弱蚀变试样5-1组抗压强度和抗拉强度的1.4倍，4-2-4、5-1-4的蚀变明显的较4-3-6、5-2-2强。由此可以看出，花岗斑岩的蚀变，明显的降低了花岗斑岩的抗压强度和抗拉强度。

中等蚀变花岗斑岩岩体强度已经明显降低，锤击声不清脆，无回弹，较易击碎，点荷载压力表不能及时读数，基本不具备试验条件，估计单轴抗压（拉）强度1～2 MPa。

强蚀变及风化花岗斑岩岩体强度很低，野外取样不能保证其完整性，手捏即破碎，不具备试验条件，估计单轴抗压（拉）强度0～0.5 MPa。

3.3 蚀变花岗斑岩携剪试验

花岗斑岩的蚀变主要沿结构面发生，结构面抗剪力学参数C、φ值是工程地质特性的重要参数，通过现场取样，在室内进行携剪试验研究蚀变结构面的力学参数。

在现场，分别于桩号（隧）7＋665 m处和桩号（隧）11＋885 m处出露的花岗斑岩做为采集点，采集用于携剪试验的4组共31个试样。根据试验结果绘制花岗斑岩结构面携剪试验正应力与剪应力的最佳关系曲线（见图18～21），经回归分析知花岗斑岩结构面正应力与剪应力的函数关系，抗剪强度指标见表2。

表2 原状花岗斑岩蚀变体结构面抗剪强度力学实验指标成果

图18 4号-1试样正应力与剪应力关系

图19 4号-2试样正应力与剪应力关系

图20 5号-1试样正应力与剪应力关系

图21 5号-2试样正应力与剪应力关系

试样4号-1的蚀变强度明显强于试样4号-2，试样5号-1与试样5号-2蚀变程度相当，但试样5号-1较试样5号-2略粗糙。蚀变花岗斑岩的这些性质也反应在蚀变花岗斑岩的结构面抗剪强度上，从表2中可以看出，试样4号-1的C值和φ值都较试样4号-2低，试样5号-1和试样5号-2的C值相当，但φ值较试样5号-2高。由此可知，蚀变越强，其结构面抗剪强度越低。再者，除了蚀变程度较低的5号支洞下游5号-1组试样的内摩擦角较高外，4号支洞上游两组试样和5号支洞5号-2组试样的内摩擦角都较低，均明显低于一般意义上的结构面的抗剪强度。

通过现场调查及试验研究：

（1）蚀变对围岩物理力学的影响，主要从影响结构面的力学性质开始，蚀变降低了结构面的抗剪力学参数C、φ值，直接导致岩体抗剪强度降低。即，对于结构面发育数量和规模较小的花岗斑岩岩体，蚀变强度较小，对岩体物理力学的影响主要表现为对结构面抗剪力学参数C、φ值的影响。

（2）随着结构面数量和规模的增加，蚀变程度加强，除降低岩体结构面的抗剪力学参数C、φ值外，还改变了岩石本身的矿物成分和微观结构构造，即同时降低了岩石本身的物理力学性质影响，从而大大降低了岩体的物理力学性质。

（3）岩石蚀变的高岭石化和后期风化作用的伊利石化及微观结构构造的变化为降低岩体物理力学参数的本质因素，且受蚀变程度的控制，岩体蚀变越强烈其物理力学参数降低越明显。

4 结 论

（1）花岗斑岩由于与周边岩体存在岩石能干性差异，在后期构造作用下，侵入的花岗斑岩一般裂隙发育，结构破碎，岩体沿结构面多发生蚀变，导致围岩的物理力学性质显著降低，影响地下洞室的稳定性，因此在前期勘察过程中对地表出露的花岗斑岩岩脉应给予足够的重视。

（2）通过开挖揭示，花岗斑岩的蚀变沿结构面进行，在节理裂隙不甚发育的地区主要表现为沿结构面褪色；随着结构面数量和规模增加，蚀变程度加强，主要表现为团块状蚀变，局部甚至呈现“囊状风化”，岩体强度急剧降低，手捏即碎。

（3）对6组48个不同蚀变程度的花岗斑岩试样的密度、比重等测试表明，蚀变花岗斑岩的物理性质受蚀变程度的影响，蚀变程度越强，其物理性质相对越低。

（4）通过对4组微～弱蚀变岩块点荷载试验，微蚀变岩体单轴抗压强度为131～150MPa，弱蚀变岩块单轴抗压强度为72～136MPa，蚀变后岩体强度显著降低。

（5）室内对花岗斑岩结构面的4组携剪试验成果表明，发生蚀变的花岗斑岩结构面的抗剪力学参数C、φ值较低，与水电规范附录D中岩屑夹泥型结构面参数取值相当。

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简讯

我院水电工程地质勘察工作广泛运用无人机技术

日前，地质处开始将无人机应用于我院YX水电规划工程地质勘察，标志着无人机技术已广泛应用于我院水电工程地质勘察工作。

我院的大部分水电工程位于西南山区，这些地方山高路险，部分工程位于原始深林、高寒山区，常年植被茂密、冰雪覆盖，交通不便，给前期地质勘察工作带来极大困难。近年来，我院陆续在瀑布沟万工泥石流地质灾害处理、狮子坪水电站库区、雅砻江上游梯级水电站以及雅鲁藏布江流域多个水电工程引入了无人机技术，应用于工程地质勘察的科研工作，开展了诸如地表地质调查、地质灾害排查等工作，有效弥补了传统勘测手段难以实施的缺陷，为上述地区水电项目的勘测设计工作提供了翔实的第一手资料。在应用无人机开展勘察工作的同时，地质专业逐步掌握了各类型无人机的工作原理，能熟练操控无人机开展各类地质勘察工作，例如，地层岩性的划分，地质构造的判识，对滑坡、泥石流等环境地质条件进行高清晰度调查，对工程场址区的地质宏观稳定性进行判别等，能熟练运用多种软件对无人机获取数据进行地质解译处理，达到水电工程勘测设计的相关要求。

（本刊编辑部）

P588.121

B

1003-9805（2015）04-0065-08

2015-06-29

胡帅（1978-），男，湖北黄梅人，高级工程师，从事水利水电工程地质、岩土工程设计工作。