蚀变辉绿岩类型划分及隧洞围岩分级模糊评判

摘要：

蚀变辉绿岩是中国西部工程建设中一种较常见的岩体，其蚀变程度对工程岩体的性状影响极大。以在建的大渡河硬梁包水电站蚀变辉绿岩为研究对象，根据蚀变辉绿岩的宏观地质特征、岩石矿物学特征及力学试验成果对其进行了类型划分，并引入模糊数学理论对蚀变辉绿岩进行围岩分级。研究表明：复杂的地质构造作用，造就了工程区内分布广泛的辉绿岩蚀变带；蚀变辉绿岩可分为微蚀变辉绿岩、碎裂化辉绿岩、碎裂辉绿岩、辉绿角砾岩、片理化辉绿岩和泥化辉绿岩6类；随着蚀变程度增强，辉绿岩的碎裂化及高岭石、绿泥石等黏土化程度逐渐增高，相应其力学强度逐渐降低。根据辉绿岩蚀变特征，选取饱和单轴抗压强度、黏聚力、完整性系数、结构面特性参数、蚀变指数作为围岩分级依据，建立了蚀变辉绿岩围岩分级的模糊综合评判方法，得到了岩质类型与围岩等级的对应关系。最后以该电站开挖的两条引水隧洞内的多条蚀变辉绿岩带为例，对方法的可行性和合理性进行了验证，围岩评判结果与现场情况吻合较好，表明该方法具有较好的适用性。

关" 键" 词：

蚀变辉绿岩； 蚀变特征； 围岩分级； 蚀变指数； 模糊评判； 硬梁包水电站； 大渡河

中图法分类号： TV554

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.016

收稿日期：2024-01-12；接受日期：2024-04-01

基金项目：

华能集团科技项目“大渡河硬梁包水电站蚀变岩发育特征与工程适应性研究”（HNKJ21-HF245）；国家自然科学基金项目（41572308）

作者简介：

李健辉，男，硕士研究生，主要从事地质工程岩体稳定研究。E-mail：1736321827@qq.com

通信作者：

沈军辉，男，教授，博士生导师，博士，主要从事工程地质和环境地质研究。E-mail：shenjunhui@cdut.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2025） 01-0117-08

引用本文：

李健辉，沈军辉，燕俊松，等.

蚀变辉绿岩类型划分及隧洞围岩分级模糊评判

［J］.人民长江，2025，56（1）：117-124.

0" 引 言

蚀变引起岩石的矿物组分、结构构造发生不同程度的变化，从而影响岩石的物理力学性质。尤其是黏土化蚀变岩往往构成工程岩体中的重大地质缺陷。辉绿岩是中国西南康滇地区一种常见的岩体，作为浅成侵入的基性岩，其往往呈脉状或岩墙状产出，矿物成分主要为辉石和基性斜长石，具辉绿结构，导致其具有硬脆性特征［1］，在后期的构造动力作用下易碎裂化，且伴随不同程度的黏土化蚀变，从而劣化岩体的力学性质，如蚀变辉绿岩的变形模量和抗压缩性能明显降低，单轴抗压强度大大低于原岩，岩石密度、纵波速度降低，岩体质量变差［2-4］。辉绿岩在后期的构造动力下易片理化及碎裂化甚至泥质化，并导致蚀变岩体中微观孔隙发育，工程性质很差［5-7］。硬梁包水电站引水隧洞施工过程中，频繁遭遇蚀变辉绿岩带而产生围岩大变形及塌方，共计诱发46次规模较大的塌方，是硬梁包水电站引水隧洞主要的工程地质问题之一［8］。

目前关于蚀变岩类型划分主要有以岩石学特征描述为基础的结构分类方案［9］和基于成因机制的分类方案［10］，并得到了后续学者的优化和改进［11-12］。董金玉等提出基于岩石蚀变指数和表观特征为依据的蚀变程度划分，将蚀变岩分为3个等级［13］。当前针对蚀变岩围岩质量分级的研究成果相对较少。魏伟通过加权平均思想将非均质的蚀变岩带概化为均质体，以围岩单轴抗压强度、完整性以及工程性状作为主要指标，提出了蚀变岩工程地质分级方案［14］；苗朝、史永跃等将蚀变岩带视为独立工程单元，与围岩分开评价［15-16］。模糊综合评判是指对多因素影响的事物进行总体的模糊评判，它以模糊数学理论为基础，对非定量化的问题进行定量化的评价，对解决一些不具有明确外延的非确定性问题比其他传统方法更具优势，在工程地质领域得到了广泛的应用［17-19］。

目前，尽管国内外学者在蚀变岩的工程问题上开展了大量工作，但对蚀变辉绿岩类型的系统划分和围岩分级方法仍然有待进一步研究。鉴于此，本文针对硬梁包水电站引水隧洞辉绿岩蚀变问题，通过现场调查和室内实验，对蚀变辉绿岩的宏观地质特征以及岩石矿物学特征进行研究；以蚀变程度为基础，对蚀变辉绿岩的类型进行系统性的划分，将蚀变指数进行改进并用于定量描述辉绿岩蚀变程度；运用模糊数学综合评判理论对围岩进行详细分级，建立蚀变辉绿岩围岩分级的模糊综合评判方法。运用大量数据论证了新方法对于蚀变辉绿岩围岩分级的适用性，研究成果对类似的蚀变岩区工程建设具有一定的参考价值。

1" 工程概况与地质背景条件

1.1" 工程概况

在建的硬梁包水电站位于四川省甘孜州泸定县境内，是大渡河干流水电开发规划中的第13个梯级电站，上游和下游分别为泸定水电站和大岗山水电站。水电站采用低闸坝长引水式开发，总装机容量111.4万kW，为Ⅱ等大型工程。水电站输水隧洞由两条平行展布的长14.5 km、洞径13.5 m的圆形隧洞组成，相距60 m，最大垂直埋深超过800 m，属深埋长隧洞。

1.2" 区域地质背景

硬梁包水电站工程区地处康滇地轴北部的大渡河流域，大地构造位于扬子准地台西缘与松潘—甘孜造山带结合部位。区内经历了自晋宁至喜马拉雅多期次大规模的地质构造运动，形成了复杂的断裂系统，其中以大渡河断裂最为突出，断裂带为近SN走向，由多条不连续、平行的次级断裂组成，控制着工程区域构造线的总体走向。工程区内辉绿岩蚀变带的形成主要经历了三期次发展过程：先受晚三叠世印支运动强烈的EW向构造挤压，花岗岩基岩形成SN向逆断层、NE向及NW向走滑断层；在印支运动晚期，构造应力状态转变为NW向拉张和NE向挤压，先期形成的花岗岩断层处于张性和张扭应力状态，岩浆贯入，形成辉绿岩脉；最后在喜山期随着印度洋板块与亚欧板块碰撞，在挤压应力场作用下，辉绿岩脉发生压扭错动，使其发生构造蚀变，在岩脉受剪过程中，岩石体积亏损而析出水分并与岩石发生水岩反应，造成了矿物的黏土化蚀变，最终形成了大规模的辉绿岩蚀变带。

1.3" 工程地质条件

工程区地处青藏高原与四川盆地过渡带，属横断山系北段高山深切河谷地貌，河谷总体呈NNE向展布，且沿河谷及河床分布有第四系不同成因松散堆积物。工程区基岩为晋宁—澄江期的中酸性侵入岩，主要包括混合质花岗岩和闪长岩，岩体中穿插有大量印支晚期形成的辉绿岩脉，岩脉走向多为N40°～50°E，倾角多大于60°，宽度不一，最宽者超过7 m。据研究资料，现今工程区内以构造应力场为主，最大主应力方向为NWW～近EW向的挤压应力，量值在16.4～21.1 MPa之间，属高地应力水平。

2" 蚀变辉绿岩类型划分与工程地质特性

引水隧洞内出露的辉绿岩蚀变程度差异性较大。据统计，强蚀变岩脉占55%，中等蚀变岩脉占21%，蚀变程度微—弱的岩脉仅占24%。根据蚀变辉绿岩的宏观地质特征（图1），结合相应的岩石矿物学特征及力学试验成果，将蚀变辉绿岩分为6类（表1～2）。

随着蚀变程度的增强，辉绿岩岩质从坚硬岩逐渐过渡到极软岩，锤击反应从清脆振手到声音发闷、锤击易碎最后到完全无回弹，泥化辉绿岩基本接近土的性质。岩体完整性逐渐降低，中等强度蚀变岩已基本为散体结构。构造蚀变作用引起辉绿岩中斜长石的高岭石化和辉石的绿泥石化，随着蚀变作用的增强，岩石中斜长石和辉石等原始矿物含量逐渐下降，黑云母被蚀变殆尽，石英含量少量增加，高岭石、绿泥石等蚀变黏土矿物含量也相应增加（表2），泥化辉绿岩中的辉石已基本消失，黏土矿物含量可达70%以上。高岭石和绿泥石均具有强亲水性，遇水极易软化，必然导致辉绿岩力学性质的劣化。

蚀变指数是指蚀变岩中蚀变次生矿物所占的百分比，是表征岩石蚀变程度的一种量化指标［20］。由于蚀变辉绿岩中的次生黏土矿物主要为高岭石和绿泥石，因此本文将蚀变辉绿岩的蚀变指数定义为式（1）所示：

ks=xSemxPl+xPyx+xSem×100%

（1）

式中：ks为蚀变指数；xSem，xPl，xPyx分别为蚀变辉绿岩中黏土矿物百分含量、斜长石百分含量和辉石百分含量。

计算结果（表2）表明，随着蚀变程度增加，蚀变指数相应增大，泥化辉绿岩蚀变指数平均值可达75%。

3" 蚀变辉绿岩模糊综合评判

3.1" 模糊综合评判原理

（1） 将对评判结果有影响的各种因素所组成一个集合，称为因素集：

U={u1，u2，…，um}

（2）

（2） 将可能的评判结果组成一个集合，称为评判集：

V={v1，v2，…，vn}

（3）

（3） 在因素集中，各因素对于评判结果的影响是不同的，用权数ai（i=1，2，…，m）反映各因素的重要程度，由权重向量表示：

A=［a1，a2，…，am］

（4）

（4） 建立模糊综合评判矩阵：

R=［rij］m×n

（5）

式中：rij为某一评判对象的因素ui对于评判结果vi的隶属度。矩阵R中第i行Ri={ri1，ri2，…，rin}为第i个评判因素ui的单因素评判向量，通常使用隶属函数确定相应的隶属度。

（5） 由权重向量A和模糊综合评判矩阵R进行加权平均合成运算（·），得到相应的模糊综合评判结果：

B=A·R=［b1，b2，…，bn］

（6）

式中：bj=mi=1airij（j=1，2，…，n）。

（6） 最后依据最大隶属度原则取：

bj0=maxbj（0≤j≤n）

（7）

其所对应的分级vj即为评判结果。

3.2" 蚀变辉绿岩围岩分级模糊评判模型建立

3.2.1" 因素集与评判集的确定

影响围岩分级的因素很复杂，如何有效地从众多影响因素中选取几个主要因素作为评价指标，是围岩分级准确性的关键。根据已有研究成果［21-22］以及相应的国家规范标准GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》［23］，遵循重要性、易测性和准确性的原则，同时考虑了蚀变辉绿岩独特的工程特性和实际工程经验，选取反映岩体力学性质的饱和单轴抗压强度Rc和黏聚力c作为力学指标，反映岩体完整性和结构面特征的完整性系数Kv和结构面特性参数Jc作为岩体结构指标，及蚀变指数Ks这一反映黏土化蚀变程度的蚀变指标，共同组成蚀变辉绿岩围岩等级模糊评判的指标体系，用集合表示为

U={u1，u2，u3，u4，u5}

（8）

5级围岩划分是目前常用的围岩分级方法，但硬梁包水电站引水隧洞开挖实践表明，同为Ⅴ级围岩的蚀变辉绿岩的性状差异较大，为体现中等蚀变与强蚀变岩体分级的差异，在原有5级围岩划分基础上，有必要将Ⅴ级围岩进一步划分出Ⅴ1和Ⅴ2两个亚类，评判集用集合表示为

V={v1，v2，v3，v4，v5，v6}

（9）

3.2.2" 隶属函数的确定

对于选取的5个岩体指标，由于它们都是能够定量描述的岩土特征指标，且是连续型的影响因素，所以可选用正态分布函数作为其隶属函数，即：

μj（ui）=exp-（xi-mijσ）2

（10）

式中：xi是第i个评判因素的实际值，mij可取第i个评判因素的j等级区间的中值，σ为其标准差，计算式为

σ=u+ij-u-ij2-ln（0.5）

（11）

式中：u+ij和u-ij分别为j等级区间上限值和下限值。

根据GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》和前人研究成果［21-22，24］并征求专家意见，给出评判指标关于不同评判等级的取值范围（表3），再根据表3中的指标划分区间分别计算出各个因素相应于不同评判等级的隶属函数（表4）。

3.2.3" 基于层次分析法的权重向量确定

权重向量是用于反映各个岩体指标对于蚀变辉绿岩不同围岩等级划分影响程度的量。层次分析法是在一定的专家经验基础上，结合统计和观测数据，再运用一定的数学运算并检验其一致性的方法。该方法将主观判断和客观描述相结合，相较于其他权重分配方法，具有更高的可信度。

层次分析法的主要步骤包括构造两两比较判断矩阵、判断矩阵特征值和特征向量的求解、一致性检验和权重向量的获取4个主要步骤（图2）。判断矩阵的构造方法为任意选取因素集中的两个元素ui和uj，比较

它们对于评判对象评判结果的相对重要程度，使用1～9的比例标度来进行评判，用元素aij表示。数值越大，表明ui比uj对于评判结果的影响越大，当uj与ui进行比较时，使用倒数1/aij表示比较结果。用此方法即可构造出一个5×5阶的判断矩阵E。

E=a11…a1nan1…ann=141321/411/511/4151321/311/311/21/241/221

（12）

依据方根法的求解原理，求解矩阵方程EW=λmaxW，即求解出判断矩阵E的最大特征值λmax和最大特征值所对应的特征向量W=［W1，W2，…，Wn］T。计算步骤如下：

Wi=nMini=1nMi（13）

λmax=ni=1（EW）inWi

（14）

式中：Mi为判断矩阵每一行元素的乘积，（EW）i表示向量EW的第i个元素。

在求得判断矩阵E的最大特征值λmax和最大特征值所对应的特征向量W后，还应进行逻辑上前后统一的一致性检验。常用一致性比率CR进行判断。表达式如下：

CR=λmax-n（n-1）RI

（15）

式中：RI为平均随机一致性指标，对于5阶矩阵，RI取1.12。当CRlt;0.10时，检验合格。当检验不合格时（CR≥0.10），需对判断矩阵做出调整后继续检验，直至检验通过。

由岩体指标的判断矩阵权重计算结果可知（表5），评判矩阵的最大特征值λmax=5.070，对应的特征向量为W=［0.315，0.070，0.330，0.094，0.192］。

由一致性检验结果RI=0.016lt;0.10，可知评判矩阵满足一致性检验条件。由模糊综合评判原理可知，计算所得的特征向量W即为各个评判因素的权重向量A。

3.3" 实例计算

硬梁包水电站引水隧洞大致呈直角折线段展布，由SN向和NEE向两个方向组合而成（图3）。隧洞右侧为大渡河，河流总体为大致呈NNE向展布的折线状，左岸山体相对高差约2 500 m，隧洞平均垂直埋深500～600 m。

隧洞沿线主要出露混合质花岗岩和闪长岩，其间穿插大量蚀变辉绿岩脉。以隧洞桩号2#3+392处为例（图4），开挖过程中出露宽达3 m左右的辉绿岩蚀变带，产状为N25°W/SW∠70°，主要由辉绿角砾岩构成，岩体蚀变程度较高，宏观上很破碎，构造裂隙极其发育。该洞段施工方法采用全断面钻爆开挖，进尺为2 m，超前支护为拱顶120°范围内小导管注浆，初期支护为C25喷混凝土15 cm，随后安装钢拱架、挂钢筋网，施作随机和系统锚杆。但由于对岩体特性了解不足，支护措施采取不到位，岩脉部位掉块严重，多次掉渣后发展为大规模塌方，塌方方量在300 m3以上，严重影响施工进度（图5）。因此，对于较为宽大的辉绿岩蚀变带，其已完全不能再划分为花岗围岩内的软弱结构面，而是应该作为独立的地质单元进行评价与处理。

为了验证前文评判方法的可行性，采用硬梁包水电站两条引水隧洞开挖出露的蚀变辉绿岩围岩进行检验。先根据开挖洞段49处不同类型蚀变辉绿岩的宏观地质特征进行围岩分类，并取岩样以测定岩体参数，本文仅列出其中的25处围岩数据（表6），并以其中2#0+860洞段围岩作为详细探讨对象，进行围岩分级计算。

根据模糊综合评判原理，先由隶属函数计算出岩体的综合评判矩阵，再将权重向量与评判矩阵采用加权平均型算子计算，得到围岩关于各个分级的隶属度：

B=A·R=（0.3150.0700.3300.0940.192）·0.0020.0860.5830.381000.21400.0200.0070.1870.87100.0440.3280.7790.00900.0730.1970.8660.02300000.0190.8940.3130.297=（0.0230.0600.3780.5510.0760.118）

（16）

据此，根据最大隶属度原则，判断此围岩为Ⅳ级围岩，与现场基于实际稳定情况和开挖支护状况的定性围岩分级结果相一致。

同时，将现有水电HC法围岩分级结果与现场分级结果进行比较，其中HC法吻合率达81.6%，模糊评判法吻合率达91.8%。现有水电HC法以岩石饱和单轴抗压强度、岩石完整程度和结构面状态为基本参数指标，以地下水状态和主要结构面产状作为修正指标，然后采用求和法计算T值，来对围岩进行系统分级。

由比较结果可得，模糊综合评判法具有更高的可信度，因此该方法更适合于硬梁包水电站引水隧洞蚀变辉绿岩围岩系统分级。计算结果统计可得，微蚀变辉绿岩主要为Ⅱ级围岩，碎裂化辉绿岩主要为Ⅲ级围岩，碎裂辉绿岩为Ⅳ级围岩，辉绿角砾岩均为Ⅴ1级围岩，片理化和泥化辉绿岩均为Ⅴ2级围岩。以上计算表明，在测得岩体饱和单轴抗压强度Rc、黏聚力c、完整性系数Kv、结构面特性参数Jc和蚀变指数Ks基础上，可运用模糊综合评判法对硬梁包水电站蚀变辉绿岩围岩进行动态跟踪评价，进而针对性地提出处理措施和支护建议。

4" 结 论

（1） 在对地质背景调查后得出，在三期次构造运动下形成了工程区内分布广泛的辉绿岩蚀变带，辉绿岩蚀变主要表现为岩石的碎裂化并伴随辉石、斜长石的黏土化蚀变。

（2） 根据蚀变辉绿岩的宏观地质特征结合相应的岩石矿物学特征及力学试验成果，将蚀变辉绿岩分为微蚀变辉绿岩、碎裂化辉绿岩、碎裂辉绿岩、辉绿角砾岩、片理化辉绿岩以及泥化辉绿岩6种类型。

（3） 引入模糊数学理论对隧洞蚀变辉绿岩进行围岩分级，选取饱和单轴抗压强度Rc、黏聚力c、完整性系数Kv、结构面特性参数Jc和蚀变指数Ks作为围岩分级指标，建立了蚀变辉绿岩围岩分级的模糊综合评判方法。

（4） 经硬梁包水电站两条引水隧洞内围岩检验，围岩评判方法结果与现场围岩类别吻合率达到91.8%，表明该方法具有较好的适用性。同时，得到了各类蚀变辉绿岩与围岩等级的对应关系，对引水隧洞的施工和支护有一定的指导意义。

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（编辑：郑 毅）

Classification of altered diabase types and fuzzy evaluation on tunnel surrounding rock

LI Jianhui1，2，SHEN Junhui1，2，YAN Junsong1，2，SU Yu3，WU Zhanglei3，CHEN Tao4

（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；

2.College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of technology，Chengdu 610059，China；

3.PowerChina Chengdu Engineering Corporation Ltd.，Chengdu 610072，China；

4.Sichuan Huaneng Luding Hydropower Co.，Ltd.，Ganzi 626100，China）

Abstract：

Altered diabase is one of the common rock masses in engineering construction in western China，and its alteration degree has a great influence on the characteristics of engineering rock mass.In this paper，the altered diabase of the Yingliangbao Hydropower Station under construction on Dadu River was taken as the research object，and the types of altered diabase were classified according to the macroscopic geological characteristics，rock mineralogical characteristics and mechanical test results，and the fuzzy mathematical theory was introduced to classify the degree of surrounding rock of altered diabase.The results show that a wide distribution of diabase alteration zones in the project area was formed under the complex geological tectonic action，and the altered diabase could be divided into six categories：mild-altered diabase，cataclastic diabase，cracked diabase，diabase breccia，schistose diabase and argillaceous diabase.With the deterioration of alteration degree，the fragmentation of diabase and the degree of clayification such as kaolinite and chlorite gradually intensified，so the corresponding mechanical strength gradually decreased.According to the alteration characteristics of diabase，the saturated uniaxial compressive strength Rc，cohesion c，integrity coefficient Kv，structural plane characteristic parameter Jc and alteration index ks were selected as the basis for the classification of surrounding rock，and a fuzzy comprehensive evaluation method for the classification of altered diabase surrounding rock was established，and the correspondence between rock type and surrounding rock grade was obtained.The feasibility and rationality of the method were verified by taking the multiple alteration diabase zones in two excavated diversion tunnels as an example.

Key words：

altered diabase； alteration characteristics； surrounding rock classification； alteration index； fuzzy evaluation; Yingliangbao Hydropower Station; Dadu River