福建云霄晶洞(鉀長)花崗巖物理力學(xué)特性分析

朱事業(yè)

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

晶洞(鉀長)花崗巖是一種特殊的花崗巖類巖石。國內(nèi)外許多學(xué)者對晶洞花崗巖成因進行了大量的研究工作。如張理剛[1]通過氫、鍶、硫、氧同位素資料研究指出：晶洞花崗巖是巖漿結(jié)晶過程中尚處于亞凝固狀態(tài)條件下，當(dāng)發(fā)育構(gòu)造剪切裂帶時，在大氣降水循環(huán)淋濾作用下而形成串珠狀晶洞構(gòu)造的花崗巖體。據(jù)吳克隆、楊超群[2]等，晶洞花崗巖演化系列巖石在我國位于福建東部政和—大埔斷裂以東的晚中生代火山盆地中，向NE延伸至浙江東南部進入東海，其形成與深度構(gòu)造和長樂—南澳斷裂帶有直接聯(lián)系(見圖1)。晶洞花崗巖作為一種特殊的花崗巖體，對其物理力學(xué)特性的分析研究文獻較少。

1 地質(zhì)背景

擬建于福建云霄縣境內(nèi)的某水電站工程位于武夷—戴云隆褶帶的閩東—粵東火山斷拗帶中部內(nèi)(見圖1)。在新構(gòu)造運動方面，本工程處于閩東—粵東沿海差異隆起區(qū)和閩中—粵中掀斜隆起區(qū)。區(qū)域性NNE～NE向長樂—詔安斷裂帶的西側(cè)和安溪—南靖斷裂帶的東側(cè)、NW向上杭—云霄斷裂帶的北側(cè)。NNE～NE向和NW向區(qū)域性斷裂帶相互交錯，在近場區(qū)構(gòu)成了北東為主、北西次之的斷裂構(gòu)造格架。

圖1 晶洞花崗巖系列巖石分布及研究巖體位置[2]

工程區(qū)出露地層主要有侏羅系上統(tǒng)南園組(J3n)火山碎屑巖、沉積巖類，早白堊世(K1)晶洞花崗巖體等。侏羅系上統(tǒng)南園組(J3n)可細分為第2段(J3n2)及第3段(J3n3)兩套地層，其中第2段地層巖性以淺灰白、灰色的流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r為主，夾有透鏡體狀凝灰熔結(jié)角礫巖；第3段地層巖性以深灰色英安質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r為主，夾有透鏡體狀熔結(jié)角礫巖。早白堊世(K1)侵入花崗巖體，與侏羅系上統(tǒng)南園組(J3n)地層呈侵入接觸關(guān)系，可細分為大洞單元(K1Dd)及浯田單元(K1Wt)花崗巖巖體。大洞單元(K1Dd)巖性為灰白～淺肉紅色晶洞細粒似斑狀鉀長花崗巖，出露面積較小。浯田單元(K1Wt)巖性為淺灰白～淺肉紅色晶洞細中粒(鉀長)花崗巖，塊狀構(gòu)造，晶洞發(fā)育，是本工程建筑物區(qū)主要巖體。

晶洞(鉀長)花崗巖由石英(20%～35%)、鉀長石(40%～50%)、酸性斜長石(10%～20%)、白云母～黑云母(1%～2%)等礦物組成，礦物粒徑以2.0～5.0 mm為主，晶體粒徑由中央相向邊緣相變小。巖體晶洞大小不一，形態(tài)呈橢圓形、長條形、扁平狀或不規(guī)則狀，洞徑以2～20 mm為主，大者可達5 cm以上，洞內(nèi)往往有石英、鉀長石礦物分布，在中央相巖體內(nèi)分布呈串珠狀，邊緣相則分布不規(guī)律甚至消失。

巖石的風(fēng)化、節(jié)理裂隙發(fā)育[3]對工程巖體的質(zhì)量和穩(wěn)定性起著重要的影響，主要體現(xiàn)在使巖石疏軟以至松散，物理力學(xué)性質(zhì)變壞。本文研究晶洞發(fā)育對花崗巖體的物理力學(xué)特性的影響，為了避開風(fēng)化、裂隙等因素，所取樣品均為無明顯節(jié)理裂隙發(fā)育的微風(fēng)化或新鮮巖石[4]。巖石室內(nèi)試樣均利用工程項目鉆探巖芯制作，取樣后的試件立即蠟封保存。室內(nèi)測試依照《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》[5]執(zhí)行。

2 物理指標研究分析

表1是對試樣物理指標測試成果統(tǒng)計結(jié)果，由表1可知：① 密度指標均極小離散性，表明巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，礦物組成及分布均勻，類似于“均質(zhì)體”；顆粒密度為2.57～2.64 g/cm3，塊體密度烘干狀態(tài)為2.48～2.64g/cm3。密度指標分布于經(jīng)驗參數(shù)的低值區(qū)間，晶洞導(dǎo)致了巖石密度減小。② 孔隙率離散性大，范圍為1.04%～4.13%，且多數(shù)大于經(jīng)驗值，晶洞發(fā)育導(dǎo)致巖石孔隙性增大，孔隙率離散性大也表明晶洞形態(tài)、局部分布的不均勻性。③ 孔隙率離散大，而密度指標基本無差異，分析原因為晶洞多以空洞為主，內(nèi)部礦物生長或充填物較少。④ 自然吸水率、飽水率離散性大，飽水系數(shù)離散性較小，且飽水系數(shù)平均值為0.83，晶洞的發(fā)育對于巖體自由飽和有利，其抗凍性能較差。

表1 微、新晶洞(鉀長)花崗巖試樣室內(nèi)測試物理指標統(tǒng)計

3 力學(xué)指標研究分析

表2是試樣室內(nèi)測試強度、變形指標統(tǒng)計成果。另外，在現(xiàn)場選取2處新鮮完整巖體進行了原位變形試驗，試驗測彈性模量Ee范圍值為44.12～63.95 GPa，平均值為53.01 GPa；變形模量E0范圍值為31.98～40.01 GPa，平均值為34.55 GPa。

統(tǒng)計表2并結(jié)合現(xiàn)場巖體變形測試成果得出：① 變形指標和抗壓強度指標均分布于經(jīng)驗值之間，未因晶洞發(fā)育表現(xiàn)出較差的抗變形及抗破壞性能；晶洞雖發(fā)育但并未形成連通的空洞，對巖石結(jié)構(gòu)強度影響較小。② 室內(nèi)試驗及原位測試所得彈性模量、變形模量，與孔隙率相似，都表現(xiàn)出較大的離散性，天然孔隙率與彈性模量表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性(如圖2所示)；晶洞發(fā)育對巖體彈性變形特性不利，晶洞越多則巖石的彈性變形特性越差；另外因晶洞形態(tài)的差異、局部非均勻分布、晶洞大小差異、試驗樣品的代表性等綜合因素，導(dǎo)致變形指標測試值離散性大。③ 單軸抗壓強度指標離散性較大，統(tǒng)計中僅有1組小于100 MPa，2組強度大于200 MPa，其余均在100～200 MPa之間，分布于與經(jīng)驗值參數(shù)區(qū)間。圖3是飽和單軸抗壓強度指標與孔隙率關(guān)系曲線示意，兩者表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性，晶洞的發(fā)育在一定程度上對巖體抗壓強度不利。④ 室內(nèi)抗剪斷強度平均值較小，尤其是黏聚力指標均小于經(jīng)驗值，晶洞導(dǎo)致巖體抗剪性能變差。

表2 晶洞(鉀長)花崗巖室內(nèi)測試力學(xué)指標統(tǒng)計成果

圖2 孔隙率與不同狀態(tài)下彈性模量對應(yīng)關(guān)系示意

圖3 孔隙率與飽和單軸抗壓強度關(guān)系示意

圖4是橫軸以飽和單軸抗壓強度，縱軸為飽和狀態(tài)彈性模量的綜合圖解示意。斜線A模量比為500:1。斜線B模量比為200:1。由圖4可知晶洞(鉀長)花崗巖模量比均分布于A～B曲線范圍內(nèi)，參照Miller和Deere[7]提出的分類法，屬中等模量比、強度高(BM)巖石。巖塊強度和模量變化均較大，但模量比分布為217.5～361.6范圍，差異較小，宏觀上體現(xiàn)出巖石結(jié)構(gòu)的均勻性。

圖4 單軸抗壓強度與彈性模量綜合示意

4 晶洞連通性研究

晶洞的連通性強弱，可用巖體的透水特性反應(yīng)。為研究巖體中晶洞的連通性，依照行業(yè)規(guī)范《水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》[8]進行了鉆孔常規(guī)壓水和高壓壓水試驗測試，測試巖體透水率的大小。常規(guī)壓水試驗采用鉆孔自上而下進行，單栓塞隔離，3 級壓力[9](0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa)5 個壓力階段進行測試。高壓壓水試驗利用鉆孔自下而上進行，雙栓塞分段隔離，按7級壓力(最大試驗壓力約8 MPa)13個壓力階段進行測試。各壓水試驗成果分析如下。

1) 常規(guī)壓水試驗

常規(guī)壓水試驗用以測試埋深小于30 m巖體透水特性。本文選取的壓水測試段為鉆探取芯基本無明顯節(jié)理裂隙發(fā)育，但晶洞構(gòu)造較發(fā)育的微、新巖體。表3是212段測試統(tǒng)計成果，透水率計算值分布范圍為0.06～2.64 Lu，平均值為0.58 Lu，所有測試段均表現(xiàn)出弱透水性～微透水[4]，且以微透水為主，表明巖體中的晶洞為分散小洞穴并未形成透水通道。

表3 常規(guī)壓水試驗測試成果統(tǒng)計

2) 高壓壓水試驗

本文選取PDZK6號孔深度范圍為412.3～426.9 m巖體進行3段高壓壓水試驗分析。巖體取芯工藝為繩索取芯[10]，地質(zhì)描述為新鮮晶洞(鉀長)花崗巖，整體結(jié)構(gòu)[11]，無節(jié)理裂隙發(fā)育。每段試驗長度均為4.2 m(第1段孔深為412.3～416.5 m、第2段孔深為416.5～420.7 m，第3段孔深為420.7～424.9 m)，最大試驗壓力第1、2段為8.1 MPa，第3段為8.2 MPa，壓力分級、各級流量及各級壓力下透水率計算值見表4。表4中最大壓力階段計算的透水率q均小于1 Lu，為微透水巖體[4]。圖5～7是由測試成果得出的P～Q曲線示意[12-13]，3段試驗測試的升壓曲線凸向Q軸，且隨著壓力P升高Q變化較小，且Q趨近一極值，不再隨著壓力升高而變化；降壓曲線與升壓曲線基本重合，整個試驗過程巖體透水性基本無變化；表明晶洞發(fā)育不僅連通性差，而且整個試驗過程中未發(fā)生變化。

表4 PDZK6孔高壓壓水試驗成果

圖5 第1段P～Q曲線示意

圖6 第2段P～Q曲線示意

圖7 第3段P～Q曲線示意

由壓水試驗表明：巖體中雖晶洞發(fā)育，但以分散性的小洞穴為主，各洞穴間基本無連通，且晶洞具有一定的結(jié)構(gòu)強度。巖體發(fā)育的晶洞以分散的、未連通的小洞穴為主，對巖石結(jié)構(gòu)強度影響較小，由此說明晶洞(鉀長)花崗巖的物理指標表現(xiàn)出一定的特異性，而力學(xué)、變形指標并未與普通花崗巖有明顯差異的原因。

5 結(jié)語

通過該水電站項目，對采集的微、新晶洞(鉀長)花崗巖巖樣室內(nèi)物理力學(xué)試驗測試成果，及原位巖體鉆孔壓水試驗測試成果分析，得出晶洞(鉀長)花崗巖因晶洞發(fā)育，其物理力學(xué)特性有其自身的特性。

巖體晶洞的發(fā)育，使得巖塊密度較普通花崗巖較小，重度變輕。晶洞花崗巖孔隙性較大，吸水率指標偏高?？紫堵屎蛷椥阅Ａ坑休^好的線性相關(guān)性，表明晶洞的發(fā)育降低了新鮮巖體的彈性體特性。另外，隨著孔隙率的增大，巖石的飽和單軸抗壓強度在一定程度上表現(xiàn)出降低的趨勢。

晶洞的分布導(dǎo)致巖體的抗剪性能變差，抗剪斷參數(shù)較普通花崗巖較低?？箟簭姸群妥冃沃笜瞬⑽匆蚓Ф吹陌l(fā)育，與普通花崗巖相比未表現(xiàn)出明顯特性，巖體晶洞分布以零散的、未連通的小洞穴為主，并未破壞致密塊狀結(jié)構(gòu)花崗巖的結(jié)構(gòu)強度。巖石的模量比屬中等模量比，其值分布范圍為217.5～361.6，變化較小，宏觀上體現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的均勻性。

由原位巖體鉆孔常規(guī)壓水試驗成果表明，晶洞發(fā)育未使巖體表現(xiàn)出較大的透水特性，其連通性差。在巖體內(nèi)進行鉆孔高壓壓水試驗，約8 MPa壓力范圍內(nèi)巖體仍屬微透水巖體，其升壓過程與降壓過程基本重合，晶洞結(jié)構(gòu)和連通性均未改變。晶洞的未連通，也正是晶洞(鉀長)花崗巖物理特性與普通花崗巖體有差異，而力學(xué)特性差異小的主要原因。

本文主要分析因晶洞的發(fā)育對新鮮或者微風(fēng)化巖體物理力學(xué)特性的影響程度，排除了風(fēng)化、裂隙等因素的影響。晶洞花崗巖的物理力學(xué)特性與普通花崗巖類表現(xiàn)出一定的特異性，主要是孔隙性大、重度低、巖體的彈性變形特性較差、抗剪性能較差的特點，在晶洞花崗巖發(fā)育地區(qū)進行施工時，需特殊對待。