含原生隱性節(jié)理工程巖體分級(jí)方法

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(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010； 2.中國電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122； 3.長江巖土工程總公司(武漢)，武漢 430010)

1 研究背景

巖體本身質(zhì)量的優(yōu)劣在一定程度上可以反映其工程性質(zhì)的好壞。巖體質(zhì)量優(yōu)良，其力學(xué)特性與穩(wěn)工程定性就好；則不用或只需要對(duì)其實(shí)施少量的加固措施就可以滿足工程的需要，并且施工安全、簡便。質(zhì)量差、穩(wěn)定性不好的巖體，需要進(jìn)行復(fù)雜、昂貴的加固支護(hù)措施，繁雜的處理手段往往既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又很難保證最后的加固效果。隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展，水利、交通、能源、采礦、國防等各種類型的巖石工程越來越多，及時(shí)合理地對(duì)工程巖體質(zhì)量做出客觀評(píng)價(jià)，是正確認(rèn)識(shí)與利用改造巖體過程中十分重要的環(huán)節(jié)；其對(duì)于項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)合理設(shè)計(jì)、安全施工、穩(wěn)定運(yùn)營，都具有十分重要的工程實(shí)際意義。

有關(guān)巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)的研究，國內(nèi)外專家提出了許多種方法，其中大部分適用于地下工程圍巖的評(píng)價(jià)，而適應(yīng)于壩基工程的不多。對(duì)地下洞室圍巖進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，除了需要考慮巖石自身的堅(jiān)硬程度、巖體結(jié)構(gòu)的完整性等特征外，還需要考慮結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和地下洞室軸線的關(guān)系、地應(yīng)力狀態(tài)、洞室埋深及其跨度等因素[1-2]。對(duì)于壩基工程而言，重力壩的壩基在考慮巖石堅(jiān)硬程度、巖體的完整程度的同時(shí)，更重視結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定的影響；而拱壩壩基巖體分級(jí)，尤其是含原生隱性節(jié)理的工程巖體則需更多地體現(xiàn)巖體本身物理力學(xué)特性的好壞。

許多學(xué)者對(duì)壩基巖體質(zhì)量提出了不同的分級(jí)方法，國外的研究成果中具有代表性的方法有南非學(xué)者Bieniawski[3-4]提出的RMR分級(jí)法；挪威Barton等[5-6]推薦的Q系統(tǒng)分級(jí)法；Miller[7]提出的以巖石抗壓強(qiáng)度與模量比值作為分級(jí)指標(biāo)的分級(jí)法；日本學(xué)者菊地宏吉提出的基于巖體結(jié)構(gòu)完整性、巖石抗壓強(qiáng)度、風(fēng)化程度及其節(jié)理裂隙特征對(duì)壩基工程巖體進(jìn)行定性定量綜合評(píng)價(jià)的分級(jí)法[8]；Cano和Tomás[9]納入水力劈裂指標(biāo)，把巖體質(zhì)量劃成6類；Tzamos等[10]通過引入能夠描述巖石本身質(zhì)地的參數(shù)指標(biāo)，研究了4種巖體分級(jí)方法的相關(guān)性；還有挪威學(xué)者Palmstrom[11]提出的RMI分級(jí)方法以及西班牙學(xué)者Romana[12]給出的SMR分級(jí)法等。

我國于20世紀(jì)50至70年代開始針對(duì)壩基巖體分級(jí)的系統(tǒng)開展研究工作， 主要是將巖體的風(fēng)化程度作為巖體質(zhì)量工程分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)， 例如《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SDJ 14—78)中推薦的工程巖體分級(jí)方法[2]、 谷德振[13]推薦的以巖體完整性； 結(jié)構(gòu)面抗剪性能以及巖石堅(jiān)硬性為評(píng)價(jià)指標(biāo)， 通過3種指標(biāo)的乘積來評(píng)價(jià)工程巖體質(zhì)量的好壞； 陳德基[14]提出的塊度模數(shù)MK巖體質(zhì)量分級(jí)法； 孫廣忠[15]提出的巖體質(zhì)量RM分級(jí)法； 任自民等[16]依托彭水電站壩基工程提出的ML巖體結(jié)構(gòu)與質(zhì)量評(píng)價(jià)方法等。 進(jìn)入20世紀(jì)80年代后， 我國的壩基巖體質(zhì)量分級(jí)研究已由單因素朝著多因素、 由定性朝著定量方向發(fā)展。 長江水利委員會(huì)[17]提出巖體質(zhì)量YZP分級(jí)法， 分析評(píng)價(jià)了三峽工程壩基巖體質(zhì)量。 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院[18]通過定性定量相結(jié)合， 采用結(jié)構(gòu)面性狀、 巖體結(jié)構(gòu)、 圍壓等指數(shù)， 提出了適用于二灘壩基巖體質(zhì)量分級(jí)的方法； 胡卸文等[19]提出了工程巖體質(zhì)量系數(shù)Z評(píng)價(jià)方法。 聶德新[20]結(jié)合拉西瓦、 溪洛渡、 金川等多個(gè)水電站壩基工程， 從巖石物理力學(xué)參數(shù)、 巖體的結(jié)構(gòu)特性、 卸荷與風(fēng)化等方面采用多指標(biāo)對(duì)巖體的質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。 還有其他許多的學(xué)者針對(duì)壩基巖體質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)， 用不同方法從不同的角度開展了相關(guān)研究工作[21-24]。

工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)經(jīng)歷了將近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，在分級(jí)方法方面已取得了很大的進(jìn)步，許多分級(jí)方法已應(yīng)用于工程實(shí)踐，不同分級(jí)方法自身的特點(diǎn)與適用性也得到檢驗(yàn)。含原生隱性節(jié)理的巖體通常具有節(jié)理裂隙發(fā)育不明顯，巖塊強(qiáng)度高，巖體聲波速度值大，但巖體的變形參數(shù)低等特點(diǎn)，對(duì)于此類特殊的巖體如何進(jìn)行工程分級(jí)評(píng)價(jià)，有待進(jìn)一步深入研究與實(shí)踐。

本文以白鶴灘水電站壩基柱狀節(jié)理玄武巖作為含原生隱性節(jié)理的代表性巖體，基于其特殊性狀，開展現(xiàn)場鉆孔取芯、聲波測(cè)試與點(diǎn)荷載試驗(yàn)，采用目前較為常用的幾種工程巖體分級(jí)方法對(duì)其開展分級(jí)研究，對(duì)比分析巖體分級(jí)的結(jié)果與工程實(shí)際情況是否具有一致性。并以BQ分級(jí)方法為基礎(chǔ)，在特定條件下引入巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD來修正巖體完整性系數(shù)Kv值，建立了一種適用含有原生隱性節(jié)理的工程巖體分級(jí)方法；將該方法用于白鶴灘柱狀節(jié)理玄武巖的工程分級(jí)，并將分級(jí)結(jié)果與工程實(shí)際進(jìn)行對(duì)比分析；最后，通過現(xiàn)場原位巖體變形試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)的分級(jí)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

2 工程概況

金沙江白鶴灘水電站位于金沙江下游河段，設(shè)計(jì)正常蓄水位825 m，壩頂高程834 m，混凝土雙曲拱壩壩高289 m，水庫總庫容206.02億 m3，初擬電站裝機(jī)容量14 004 MW，多年平均發(fā)電量602.41億 kW·h，白鶴灘水電站開挖的拱壩建基面如圖1所示。壩址處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西南部，地層主要為二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖，單斜地層，緩傾右岸偏上游；巖性有隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖、斜斑玄武巖、角礫熔巖、柱狀節(jié)理玄武巖和少量凝灰?guī)r等。壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要為層間錯(cuò)動(dòng)帶、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、斷層及裂隙，還有原生的隱性柱狀節(jié)理。壩址區(qū)地應(yīng)力場以構(gòu)造地應(yīng)力為主，屬中高地應(yīng)力區(qū)。

壩址區(qū)巖體結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜，尤其是分布于拱壩壩基中下部的柱狀節(jié)理玄武巖，如圖2所示；柱體直徑13～25 cm，柱體內(nèi)原生微裂隙發(fā)育，分布有宏觀肉眼不易辨認(rèn)出的隱性節(jié)理，節(jié)理面較平整，多呈閉合狀，為斷續(xù)鑲嵌結(jié)構(gòu)。柱狀節(jié)理玄武巖具有開挖后易松弛和各向異性的特點(diǎn)。

圖2 壩基中下部典型的柱狀節(jié)理玄武巖Fig.2 Typical columnar joint basalt in the middle and lower part of dam foundation

玄武巖的柱狀節(jié)理形成機(jī)制的主導(dǎo)學(xué)說是“冷卻收縮說”，玄武巖熔漿在流動(dòng)冷卻過程中，其冷凝面形成規(guī)則又相互間隔的排列均勻的收縮中心，進(jìn)而形成垂直收縮方向的張力節(jié)理裂隙，最終形成多面柱體。在理想情況下，如果巖石質(zhì)地與環(huán)境溫度變化是完全均勻的，則收縮中心的間距相等，在平面上呈現(xiàn)正六邊形。實(shí)際冷卻過程中，柱狀節(jié)理玄武巖會(huì)受到各種外界因素的影響，在柱列斷面上會(huì)形成四邊形、六邊形及七邊形等多種不同組合情況。

白鶴灘水電站柱狀節(jié)理玄武巖在不受開挖擾動(dòng)、風(fēng)化及卸荷改造作用不強(qiáng)烈的條件下具有良好的力學(xué)性質(zhì)，巖石強(qiáng)度較大，巖體縱波波速的值較高，巖體本身質(zhì)量及其實(shí)際結(jié)構(gòu)特征與測(cè)試得到的物理力學(xué)性質(zhì)不相匹配。

3 常用方法的工程巖體分級(jí)

3.1 現(xiàn)場點(diǎn)荷載試驗(yàn)與聲波測(cè)試

為了給不同的工程巖體分級(jí)方法提供指標(biāo)參數(shù)，針對(duì)白鶴灘壩基柱狀節(jié)理玄武巖現(xiàn)場開展了鉆孔取芯，點(diǎn)荷載試驗(yàn)與聲波測(cè)試，如圖3所示。其中針對(duì)左岸壩基高程592～615 m柱狀節(jié)理玄武巖開展5組點(diǎn)荷載試驗(yàn)，每組25塊試件，修正后的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is(50)平均值為8.02 MPa，轉(zhuǎn)換為飽和抗壓強(qiáng)度值Rc為108 MPa；巖石的強(qiáng)度較高，屬于堅(jiān)硬巖。在左岸壩基高程592～700 m范圍內(nèi)共選取44個(gè)鉆孔開展縱波波速測(cè)試，共獲得2 133個(gè)測(cè)點(diǎn)縱波波速值。

圖3 現(xiàn)場鉆孔取芯、點(diǎn)荷載試驗(yàn)與聲波測(cè)試Fig.3 Point loading test and sonic wave test on site

白鶴灘壩基柱狀節(jié)理玄武巖體最大波速值為6 410 m/s，最小波速為1 190 m/s，平均波速為4 550 m/s。從圖4可知，巖體波速分布曲線出現(xiàn)2個(gè)極值區(qū)域：第1極值所對(duì)應(yīng)的波速2 000～3 000 m/s，第2極值所對(duì)應(yīng)的波速5 000～6 000 m/s。

圖4 壩基柱狀節(jié)理玄武巖體波速分布Fig.4 Wave velocity curve of columnar joint basalt

分析認(rèn)為，第1極值所對(duì)應(yīng)的波速點(diǎn)是由巖體開挖卸荷所致，第2極值對(duì)應(yīng)的波速約為5 500 m/s，該縱波波速是柱狀節(jié)理玄武巖體的本征波速，玄武巖體內(nèi)部的柱狀節(jié)理為原生隱性節(jié)理，節(jié)理閉合且結(jié)合緊密，超聲波通過此類原生隱性節(jié)理時(shí)，信號(hào)并不會(huì)有較大的衰減；因此，聲波波速無法反映類似柱狀節(jié)理玄武巖體中原生隱性節(jié)理的存在。

玄武巖中的柱狀原生隱性結(jié)構(gòu)面，其在未擾動(dòng)的條件下結(jié)合緊密，當(dāng)在開挖卸荷條件下這種原生結(jié)構(gòu)面會(huì)張開，形成宏觀貫通的結(jié)構(gòu)面；根據(jù)鉆孔取芯的情況，可以估算柱狀節(jié)理玄武巖的RQD基本在25%以下，典型柱狀節(jié)理玄武巖鉆孔取芯結(jié)果如圖5所示。

圖5 典型柱狀節(jié)理玄武巖鉆孔取芯情況Fig.5 Core drilling of typical columnar joint basalt

3.2 RMR巖體質(zhì)量分級(jí)法

Bieniawski于1976年提出RMR分級(jí)法，后經(jīng)多次修訂。目前常用的為1989年修訂版。RMR分級(jí)方法考慮了6個(gè)指標(biāo)：巖塊強(qiáng)度、RQD、節(jié)理間距、節(jié)理?xiàng)l件、地下水條件、節(jié)理產(chǎn)狀。對(duì)每一項(xiàng)指標(biāo)的取值，RMR分級(jí)方法都給出相應(yīng)的確定方法。通過6項(xiàng)指標(biāo)的相加求和，綜合確定RMR值。RMR分級(jí)系統(tǒng)將巖體劃分為5級(jí)，同時(shí)給出了各級(jí)別巖體的劃分標(biāo)準(zhǔn)及各級(jí)別巖體力學(xué)特征。

基于RMR巖體質(zhì)量分級(jí)方法對(duì)白鶴灘水電站左、右岸壩基(肩)不同高程與不同巖性進(jìn)行了分級(jí)，結(jié)果如表1所示。

表1 工程巖體質(zhì)量RMR分級(jí)結(jié)果Table 1 RMR grading result of engineering rock mass quality

左岸壩基高程592～615 m為柱狀節(jié)理玄武巖，其荷載強(qiáng)度約為8.02 MPa，對(duì)應(yīng)區(qū)間為4～10 MPa，相應(yīng)巖塊強(qiáng)度項(xiàng)賦分為12；結(jié)合便攜式鉆孔取芯與專業(yè)地質(zhì)鉆機(jī)取芯結(jié)果，判定巖芯RQD<25%，相應(yīng)項(xiàng)賦分為3；左岸壩基該區(qū)間的柱狀節(jié)理玄武巖為柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面十分發(fā)育，其間距<6 cm，相應(yīng)項(xiàng)賦分為5；裂隙節(jié)理面凹凸不平，較為粗糙，未擾動(dòng)條件下嵌合較為緊密，為閉合狀，面壁未風(fēng)化，相應(yīng)項(xiàng)賦分為27；地下水影響項(xiàng)賦分取15；合計(jì)RMR賦分為62，巖體質(zhì)量劃分為Ⅱ級(jí)。

3.3 GSI巖體質(zhì)量分級(jí)法

GSI分級(jí)系統(tǒng)是E. Hoek依據(jù)巖體結(jié)構(gòu)、巖塊相互的嵌固狀態(tài)和不連續(xù)面的質(zhì)量，通過綜合分析多種地質(zhì)信息進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的一種方法。GSI分級(jí)法的量化指標(biāo)包括巖體結(jié)構(gòu)評(píng)分部分SR(Structure rating)和結(jié)構(gòu)面表面特征評(píng)分部分SCR(Surface condition rating)。為得到巖體結(jié)構(gòu)指標(biāo)SR，將巖體劃分為4類：B類，鑲嵌良好，未擾動(dòng)，含3組正交裂隙；VB類，鑲嵌結(jié)構(gòu)，部分?jǐn)_動(dòng)，含4組或4組以上裂隙；B/D類，含褶皺或斷層，被多組裂隙切割；D類，碎裂松散巖體。各類別巖體結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖6所示。

圖6 不同類型巖體結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig.6 Structural patterns of different types of rock mass

結(jié)構(gòu)面條件指標(biāo)SCR由粗糙系數(shù)Rr，風(fēng)化系數(shù)Rw，充填系數(shù)Rf3方面因素綜合確定，SCR指標(biāo)的取值為Rr，Rw，Rf的累加。結(jié)構(gòu)面條件因素Rr，Rw，Rf按表2確定。

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面精細(xì)量測(cè)與描述，按照不同的風(fēng)化程度和巖體結(jié)構(gòu)類型，對(duì)GSI系統(tǒng)中各指標(biāo)的取值進(jìn)行量化，并根據(jù)量化GSI系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而確定GSI值。GSI系統(tǒng)各參數(shù)的確定因素及取值具體結(jié)果如表3所示，其中SR為巖體結(jié)構(gòu)等級(jí)。

表2 結(jié)構(gòu)面條件指標(biāo)SCR確定方法Table 2 Standard of determining structural planecondition index SCR

表3 工程巖體質(zhì)量GSI分級(jí)結(jié)果Table 3 GSI grading result of engineering rockmass quality

左岸壩基柱狀節(jié)理玄武巖體結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖7所示，其為柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，塊體相互咬合，未受到過多擾動(dòng)，節(jié)理面相互交錯(cuò)將巖體切割成立方塊體或是多棱面塊體，對(duì)應(yīng)巖體結(jié)構(gòu)等級(jí)SR取70～75；結(jié)構(gòu)面凹凸不平，基本處于未風(fēng)化狀態(tài)，節(jié)理面間無明顯填充物，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)面特征SCR取15，查表可以得到GSI值約為65，巖體質(zhì)量定為Ⅱ級(jí)。

圖7 柱狀節(jié)理玄武巖結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig.7 Configuration of typical columnar joint basalt

3.4 GB 50487—2008推薦分級(jí)法

《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)[25]附錄中巖石類別與對(duì)應(yīng)的巖體特征及主要特征值如表4所示。依據(jù)推薦的分級(jí)方法得到相應(yīng)的巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果如表5所示。

表4 壩基巖體工程地質(zhì)分級(jí)(GB 50487—2008附錄V) [25]Table 4 Engineering geological classification of rockmass in dam foundation (from the Appendix V ofnational standard GB 50487—2008)[25]

表5 工程巖體質(zhì)量GB 50487—2008推薦法分級(jí)結(jié)果Table 5 Grading result of engineering rock massquality using recommended method in GB 50487—2008

左岸壩基高程592～615 m區(qū)間的柱狀節(jié)理玄武巖為柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，膠結(jié)層面為極薄層狀結(jié)構(gòu)，塊體相互咬合，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且基本處于閉合狀態(tài)，巖塊之間嵌合力較好，巖體的力學(xué)特性受結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、巖塊間嵌合狀態(tài)等因素控制，巖體縱波的波速值約為5 500 m/s，取芯率RQD<25%。從巖體特征角度分析，判定巖體質(zhì)量為Ⅲ2級(jí)；從巖體主要特征定量指標(biāo)值的角度對(duì)比分析，RQD值在20%～ 40%范圍內(nèi)，巖石飽和抗壓強(qiáng)度滿足Rc>60 MPa，但縱波的波速值超過了3 000～4 500 m/s的范圍，巖塊彈性縱波速度Vpr取6 400 m/s，得到完整性系數(shù)Kv約為0.74，亦超過了0.35～0.55的對(duì)應(yīng)取值區(qū)間，與GB 50487—2008給出的定量指標(biāo)特征值并不能完全匹配。

3.5 BQ巖體質(zhì)量分級(jí)法

《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—2014)[26]采用定性與定量相結(jié)合、經(jīng)驗(yàn)判斷與測(cè)試計(jì)算相結(jié)合的方法進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)。在分級(jí)過程中，定性與定量同時(shí)進(jìn)行并對(duì)比檢驗(yàn)，最后綜合評(píng)定級(jí)別。由巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度這2個(gè)因素所決定的工程巖體性質(zhì)，定義為“巖體基本質(zhì)量”。巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ的計(jì)算公式采用多參數(shù)法，是以兩個(gè)分級(jí)因素的定量指標(biāo)巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rc及巖體完整性系數(shù)Kv為基本參數(shù)，建立起來的帶2個(gè)限制條件的線性方程式[27-28]。該標(biāo)準(zhǔn)將巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度作為劃分巖體基本質(zhì)量級(jí)別的主要指標(biāo)；依據(jù)巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度，綜合確定巖體基本質(zhì)量級(jí)別。

當(dāng)根據(jù)基本質(zhì)量定性特征和基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值確定的級(jí)別不一致時(shí)，應(yīng)通過對(duì)定性劃分和定量指標(biāo)的綜合分析，確定巖體基本質(zhì)量級(jí)別。根據(jù)分級(jí)因素的定量指標(biāo)Rc的兆帕數(shù)值和Kv，按式(1)計(jì)算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ。

BQ=100+3Rc+250Kv。

(1)

使用式(1)時(shí)，應(yīng)遵守以下條件[26]：

(1) 當(dāng)Rc>90Kv+30時(shí)，以Rc=90Kv+30與Kv代入計(jì)算BQ值；

(2) 當(dāng)Kv>0.04Rc+0.4時(shí)，以Kv=0.04Rc+0.4與Rc代入計(jì)算BQ值。

白鶴灘典型壩基巖體質(zhì)量，按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—2014)的BQ分級(jí)方法得到相應(yīng)的巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果如表6所示。

表6 工程巖體質(zhì)量BQ分級(jí)結(jié)果Table 6 Grading result of engineering rock massquality using BQ method

左岸壩基高程592～615 m柱狀節(jié)理玄武巖為未風(fēng)化—微風(fēng)化，巖質(zhì)較為新鮮，未擾動(dòng)部位錘擊聲音清脆，有回彈，震手，難擊碎，浸水后，基本無吸水反應(yīng)，定性劃分為堅(jiān)硬巖類；柱狀鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)面組數(shù)≥3，巖塊間嵌合密實(shí)，無填充物，結(jié)構(gòu)面結(jié)合較好，巖體完整程度定性劃分為較破碎類；巖體基本質(zhì)量級(jí)別定性劃分為Ⅲ級(jí)。根據(jù)點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果，左岸柱狀節(jié)理玄武巖的巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rc取108 MPa；基于聲波測(cè)試成果，巖體Vpm取5 500 m/s，巖石Vpr取6 400 m/s，計(jì)算BQ值為574，巖體基本質(zhì)量級(jí)別定量劃分為Ⅰ級(jí)。柱狀節(jié)理玄武巖體基本質(zhì)量級(jí)別定性與定量劃分的結(jié)果不一致。

3.6 不同方法分級(jí)結(jié)果對(duì)比分析

綜合比較采用RMR分級(jí)法、GSI分級(jí)系統(tǒng)、《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—2014)分級(jí)法以及《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)中推薦方法對(duì)白鶴灘水電站壩基左岸高程592～615 m的柱狀節(jié)理玄武巖質(zhì)量評(píng)價(jià)得到的分級(jí)結(jié)果如表7所示。

表7 不同分級(jí)方法得到的工程巖體質(zhì)量結(jié)果Table 7 Grading results of engineering rock massquality using different methods

結(jié)果表明：當(dāng)前常用的工程巖體分級(jí)方法對(duì)白鶴灘含有原生隱性節(jié)理的柱狀節(jié)理玄武巖適用性較差。

(1)通過對(duì)RMR，GSI，GB 50487—2008，BQ這4種分級(jí)系統(tǒng)定級(jí)成果分析，其中GB 50487—2008與BQ的定性分級(jí)結(jié)果與白鶴灘壩基巖體質(zhì)量的實(shí)際情況較為符合；RMR與GSI法得到的結(jié)果，總體偏高；BQ法的定量方法對(duì)柱狀節(jié)理玄武巖的分級(jí)結(jié)果偏高。

(2)拱壩的壩基巖體質(zhì)量更多體現(xiàn)的是巖體基本質(zhì)量的概念，方法中地下水影響項(xiàng)賦分較難操作，統(tǒng)一按照干燥條件進(jìn)行賦分時(shí)得到的結(jié)果偏高；采用的GSI巖體分級(jí)系統(tǒng)得到的結(jié)果主要考慮巖體結(jié)構(gòu)等級(jí)(SR)和結(jié)構(gòu)面表面特征等級(jí)SCR(結(jié)構(gòu)面的粗糙度、填充及風(fēng)化)，沒有體現(xiàn)巖石強(qiáng)度對(duì)巖體質(zhì)量的貢獻(xiàn)；采用GB 50487—2008水利水電工程勘察規(guī)范的方法進(jìn)行壩基巖體質(zhì)量分級(jí)，主要以定性判別為主，結(jié)合某些定量的指標(biāo)，但缺乏系統(tǒng)的定量指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，定性判定結(jié)果與相應(yīng)的定量指標(biāo)特征值并不能完全匹配；國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50218—2014分級(jí)系統(tǒng)采用定性與定量相結(jié)合的方法進(jìn)行巖體質(zhì)量綜合分級(jí)，由于聲波的波速無法較好地反映柱狀節(jié)理玄武巖內(nèi)部的原生隱性結(jié)構(gòu)面，因此對(duì)于柱狀節(jié)理玄武巖的分級(jí)結(jié)果偏高。

4 基于BQ改進(jìn)的分級(jí)方法研究

現(xiàn)有分級(jí)方法在白鶴灘壩基巖體分級(jí)中的應(yīng)用及對(duì)比結(jié)果表明，RMR法主要適用于地下洞室工程的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)，GSI巖體分級(jí)系統(tǒng)體現(xiàn)的是巖體結(jié)構(gòu)的狀況，GB50487方法主要依靠定性判別，且與對(duì)應(yīng)的定量特征值不相匹配，BQ的定性判別方法與定量方法對(duì)柱狀節(jié)理玄武巖的分級(jí)結(jié)果不一致。另外，巖體質(zhì)量有基本質(zhì)量和工程質(zhì)量的差別。其中基本質(zhì)量主要對(duì)應(yīng)巖體的基本物理力學(xué)特性，如變形模量、抗剪強(qiáng)度等，確定巖體基本質(zhì)量級(jí)別時(shí)主要考慮影響巖體自身的基本物理力學(xué)特性的因素。工程巖體質(zhì)量級(jí)別主要對(duì)應(yīng)工程措施，如開挖措施、支護(hù)措施，工程質(zhì)量主要和穩(wěn)定性、失穩(wěn)模式等有關(guān)。針對(duì)拱壩建基巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)而言，更多反映的是巖體自身的基本質(zhì)量。

通過前面的分析可以看出，白鶴灘壩基巖體基本以堅(jiān)硬巖為主，巖體的基本質(zhì)量主要取決于巖體的完整程度，即結(jié)構(gòu)面數(shù)量和結(jié)構(gòu)面性狀；巖體質(zhì)量級(jí)別和巖石堅(jiān)硬程度存在一定關(guān)聯(lián)性，但影響權(quán)重小于巖體的完整程度。常用的分級(jí)方法對(duì)于以白鶴灘壩基除柱狀節(jié)理玄武巖為代表的含原生隱性節(jié)理巖體外，其他工程巖體的質(zhì)量評(píng)價(jià)，是基本能夠適用的；但由于柱狀節(jié)理玄武巖的特殊性，常用的定量分級(jí)方法無法較好地適用。

白鶴灘柱狀節(jié)理玄武巖的巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果表明，巖石為堅(jiān)硬巖范疇，飽和抗壓強(qiáng)度基本在90 MPa以上；巖體聲波測(cè)試成果表明，壩基開挖卸荷后，松弛擾動(dòng)深度為2～4 m，松弛帶的縱波波速約為2 500 m/s，未松弛區(qū)的縱波波速約為5 500 m/s。柱狀節(jié)理玄武巖存在原生隱性結(jié)構(gòu)面，其在未擾動(dòng)的條件下結(jié)合緊密，當(dāng)在開挖卸荷或是鉆孔取芯條件下這種原生結(jié)構(gòu)面會(huì)張開，形成宏觀貫通的結(jié)構(gòu)面；柱狀節(jié)理玄武巖的RQD基本在25%以下，如圖5所示。通過分析認(rèn)為，巖體的縱波波速無法反映柱狀節(jié)理玄武巖中原生隱性閉合結(jié)構(gòu)面的存在，在相應(yīng)的完整性系數(shù)中不能體現(xiàn)原生閉合結(jié)構(gòu)面的影響；而RQD值則能夠較好地反映巖體中結(jié)構(gòu)面，但不能較好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)面是張開還是閉合狀態(tài)。

由于巖芯長度與采取率受巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度、硬度、均質(zhì)性等因素的影響較顯著，因此RQD指標(biāo)可反映巖體被各種結(jié)構(gòu)面切割的程度；RQD指標(biāo)意義明確，可在鉆探過程中定量取得；但RQD值受鉆孔機(jī)具、工藝水平等影響較大，單獨(dú)采用RQD值對(duì)巖體進(jìn)行分級(jí)是不合適的，將其作為評(píng)價(jià)巖體完整性的其中一項(xiàng)定量指標(biāo)來使用是值得嘗試的一種新途徑。

綜合分析，認(rèn)為通過RQD來修正規(guī)范BQ分級(jí)法中巖體完整性系數(shù)Kv值的定量判別方法的思路是可行的。

迪爾(1969年)基于巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD值提出相應(yīng)分級(jí)方法，表8為迪爾所建議的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，RQD由長度超過10 cm的巖芯獲取率(百分?jǐn)?shù))表示，即

表8 RQD分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 8 Criterion of grading engineering rock massquality by RQD

(3)

(4)

表9 修正后BQ法的柱狀節(jié)理玄武巖分級(jí)結(jié)果Table 9 Grading result of engineering rock mass qualityusing the proposed modified BQ method

5 現(xiàn)場原位巖體試驗(yàn)驗(yàn)證

目前國內(nèi)外對(duì)柱狀節(jié)理巖體的現(xiàn)場原位試驗(yàn)研究甚少，對(duì)柱狀節(jié)理巖體的變形、強(qiáng)度等特性，均匱乏可供借鑒的試驗(yàn)成果。為明確柱狀節(jié)理玄武巖力學(xué)特性，驗(yàn)證改進(jìn)BQ工程巖體方法的分級(jí)結(jié)果合理性。采用圓形剛性承壓板法測(cè)試白鶴灘壩基柱狀節(jié)理玄武巖的變形特性，承壓板直徑為50.5 cm，在試驗(yàn)點(diǎn)制作打磨出Φ60 cm 圓形平面作為試驗(yàn)面， 試驗(yàn)加載接觸面周圍1 m范圍亦大體鑿制平整，以保證有足夠的試驗(yàn)邊界條件。試驗(yàn)最大試驗(yàn)荷載8.45 MPa，采用逐級(jí)一次循環(huán)法加壓，全過程共計(jì)分5級(jí)加載。

試驗(yàn)洞布置在右岸勘Ⅱ線PD34探洞下游側(cè)，洞軸線方向N48°E，與巖層走向一致。洞室底板高程727.4 m，垂直埋深約300 m，距離岸坡約160 m，巖體風(fēng)化程度為微新，白鶴灘壩基柱狀節(jié)理玄武巖現(xiàn)場變形試驗(yàn)如圖8所示，現(xiàn)場變形試驗(yàn)曲線如圖9所示。

圖8 柱狀節(jié)理玄武巖現(xiàn)場圓形剛性承壓板變形試驗(yàn)Fig.8 Deformation test with circular rigid bearingplate on site for columnar joint basalt

圖9 微新柱狀節(jié)理玄武巖豎直向變形試驗(yàn)成果曲線Fig.9 Test results of vertical deformation offresh columnar joint basalt

由圖9可知，試驗(yàn)變形-壓力曲線為直線型，試驗(yàn)成果曲線形態(tài)特征良好。微新柱狀節(jié)理玄武巖豎向變形模量均值為7.31 GPa?！端姽こ痰刭|(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)中壩基巖體變形模量在5～10 GPa范圍內(nèi)時(shí)巖體劃分為Ⅲ級(jí)，《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218—2014) 中巖體變形模量在6～20 GPa范圍內(nèi)時(shí)巖體劃分為Ⅲ級(jí)；綜合分析，現(xiàn)場變形試驗(yàn)得到的微新柱狀節(jié)理玄武巖變形參數(shù)與Ⅲ類巖體的參數(shù)相匹配，驗(yàn)證了基于BQ改進(jìn)的方法所得到的白鶴灘柱狀節(jié)理玄武巖分級(jí)結(jié)果的合理性。

6 結(jié) 論

白鶴灘水電站柱狀節(jié)理玄武巖在不受開挖擾動(dòng)、風(fēng)化及卸荷改造作用不強(qiáng)烈的條件下具有良好的力學(xué)性質(zhì)，巖石強(qiáng)度較大，巖體縱波波速的值較高，巖體本身質(zhì)量及其實(shí)際結(jié)構(gòu)特征與測(cè)試得到的物理力學(xué)性質(zhì)不相匹配；以白鶴灘水電站壩基柱狀節(jié)理玄武巖作為含原生隱性節(jié)理的代表性巖體，基于其特殊性狀，開展之相適應(yīng)的工程巖體分級(jí)方法研究具有重要的理論與實(shí)際意義。

(1)白鶴灘左岸壩基高程592～615 m柱狀節(jié)理玄武巖點(diǎn)荷載試驗(yàn)Is(50)平均值為8.02 MPa，轉(zhuǎn)換為飽和抗壓強(qiáng)度值Rc為108 MPa，巖石的強(qiáng)度較高，屬于堅(jiān)硬巖。

(2)在建基面柱狀節(jié)理玄武巖共選取36個(gè)鉆孔開展波速測(cè)試，為對(duì)比分析縱橫波波速差異。測(cè)試結(jié)果表明：巖體最大波速為6 410 m/s，最小波速為1 190 m/s，巖體波速分布曲線出現(xiàn)2個(gè)極值區(qū)域，第一極值所對(duì)應(yīng)的波速為2 500 m/s左右，第2極值所對(duì)應(yīng)的波速5 500 m/s左右；第1極值所對(duì)應(yīng)的波速點(diǎn)是由巖體開挖卸荷所致，第2極值對(duì)應(yīng)的波速是壩基柱狀節(jié)理玄武巖體的本征波速。

(3)通過對(duì)RMR、GSI、GB 50487及BQ這4種分級(jí)系統(tǒng)定級(jí)成果分析，其中GB 50487與BQ(GB 50218)的定性分級(jí)結(jié)果與白鶴灘壩基巖體質(zhì)量的實(shí)際情況較為符合；RMR與GSI法得到的結(jié)果，總體偏高；BQ(GB 50218)的定量方法對(duì)柱狀節(jié)理玄武巖的分級(jí)結(jié)果偏高。

(4)基于白鶴灘水電站壩基柱狀節(jié)理玄武巖等工程巖體的特殊性狀與BQ分級(jí)方法的思路，當(dāng)巖體BQ值與RQD處于特定條件下時(shí)，引入RQD來修正巖體完整性系數(shù)Kv值，得到了一種能描述含有隱性節(jié)理的工程巖體分級(jí)方法；將該方法用于白鶴灘柱狀節(jié)理玄武巖的工程分級(jí)，結(jié)果與工程實(shí)際具有較好的一致性。

(5)采用圓形剛性承壓板法測(cè)試白鶴灘壩基柱狀節(jié)理玄武巖的變形特性，得到微新柱狀節(jié)理玄武巖豎向變形模量均值為7.31 GPa，變形參數(shù)與Ⅲ類巖體的參數(shù)相匹配，驗(yàn)證了基于BQ改進(jìn)的方法所得到的白鶴灘柱狀節(jié)理玄武巖分級(jí)結(jié)果是合理的。