算井子地段地表巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度評價

魏 翔,蘆安貴, 程漢列, 游聲剛

(1.重慶工商大學(xué)廢油資源化技術(shù)與裝備工程研究中心，重慶 400067； 2.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081； 3.中海艾普油氣測試(天津)有限公司，天津 300457)

高放廢物地質(zhì)處置作為特殊的地下工程，采用多重屏障系統(tǒng)，構(gòu)建玻璃固化-廢物儲存罐-膨潤土的工程屏障和高放廢物地質(zhì)處置圍巖的天然屏障。由于高放廢物中的放射性核素毒性大、半衰期長，地質(zhì)處置庫的安全評價期限至少要達到1萬a[1]，而工程屏障在百年后失效，最終高放廢物的隔離將依靠圍巖。

花崗巖由于具有低滲透、高強度、抗輻射、阻核素等特點，已成為我國高放廢物地質(zhì)處置首選圍巖。但是花崗巖體是由結(jié)構(gòu)面和巖石組成的，這些結(jié)構(gòu)面形成的網(wǎng)絡(luò)通道構(gòu)成放射性核素伴隨地下水向生物圈擴散的媒介，威脅到處置庫安全。因此研究地表巖體結(jié)構(gòu)面幾何特征及其發(fā)育程度對高放廢物地質(zhì)處置工程具有重要意義[2]。

國內(nèi)外學(xué)者已對結(jié)構(gòu)面幾何特征開展了大量研究，并于1978年由國際巖石力學(xué)學(xué)會提出采用產(chǎn)狀、間距(密度)、跡長、隙寬等10個指標(biāo)來描述巖體結(jié)構(gòu)面幾何特征[3]。在結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀方面，Schmidt[4]提出了施密特圖方法來統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀優(yōu)勢組及其分布規(guī)律；Shanley等[5]基于聚類論開發(fā)了聚類分析程序來劃分結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀優(yōu)勢組；田開銘等[6]研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀服從Fisher分布。在結(jié)構(gòu)面跡長方面，Priest等[7]提出采用測線法來統(tǒng)計地表結(jié)構(gòu)面跡長，并通過測線與結(jié)構(gòu)面空間分布關(guān)系來確定結(jié)構(gòu)面跡長大??；汪進超等[8]研究了基于鉆孔攝像技術(shù)調(diào)查的結(jié)構(gòu)面跡長及其統(tǒng)計方法；Zhang等[9]基于采樣偏差校正理論，采用圓形取樣窗口來估算節(jié)理跡長。在結(jié)構(gòu)面間距(密度)方面，Mauldon[10]提出了圓形窗口法來估算結(jié)構(gòu)面密度；Kulatilake等[11]通過假定跡長分布服從負指數(shù)分布來統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面中點位置，并計算獲取結(jié)構(gòu)面中點面密度；楊春和等[12]采用了圓形取樣窗口法來統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面跡長和中點面密度。

在研究結(jié)構(gòu)面幾何特征的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者也提出了多種巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度評價指標(biāo)。1964年Deere[13]提出了巖石質(zhì)量指標(biāo)來評價鉆孔巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度；Bieniawski[14]提出了巖體分類指標(biāo)評價巖體工程質(zhì)量指標(biāo)，并利用巖石質(zhì)量指標(biāo)和結(jié)構(gòu)面間距兩個參數(shù)來表示巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度；Barton等[15]提出了巖體工程質(zhì)量的定量化分類系統(tǒng)，并采用巖石質(zhì)量指標(biāo)與節(jié)理組數(shù)的比值來定量描述巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度。

目前巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度評價指標(biāo)都是以統(tǒng)計尺度結(jié)構(gòu)面(即節(jié)理型結(jié)構(gòu)面)為主，但是對于高放廢物地質(zhì)處置工程來說，工程尺度結(jié)構(gòu)面(即斷層型結(jié)構(gòu)面)對處置圍巖的安全性和穩(wěn)定性已有一定的影響。基于這一問題，本文以甘肅北山算井子地段BS22、BS23號鉆孔周邊巖體為研究對象，在調(diào)查和統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面幾何特征的基礎(chǔ)上，提出了多尺度結(jié)構(gòu)面綜合評價指標(biāo)(multi-scale structural surface comprehensive evaluation index)來評價地表巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度，以期為高放廢物處置庫選址提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)特征及結(jié)構(gòu)面調(diào)查

算井子地段為我國高放廢物處置庫甘肅北山預(yù)選區(qū)的有利候選地段[1]，位于甘肅省嘉峪關(guān)西北200 km處，屬北山山系的馬鬃山區(qū)，山峰海拔平均高差在100～200 m之間，屬中低山地形。該地區(qū)屬于典型的大陸性氣候，干燥多風(fēng)，年降水量小于60 mm，蒸發(fā)量則高達3039 mm，植被不發(fā)育；常年干旱缺水，無常年流水，僅在暴雨之后有暫時性洪水。區(qū)內(nèi)居民稀少，多為不定居的蒙古族牧民。這些都是算井子地段作為高放廢物地質(zhì)處置庫場址的有利地質(zhì)、水文和環(huán)境條件。

算井子地段地表巖體地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)發(fā)育有節(jié)理型和斷層型結(jié)構(gòu)面。節(jié)理延展性差，無論在走向上還是縱深方向上的發(fā)展均是有限的，一般在數(shù)米至數(shù)十米之間，無明顯填充物，如圖1所示。斷層延伸數(shù)千米，連續(xù)性好，具有一定的厚度與方向，如圖2所示。這些結(jié)構(gòu)面的存在破壞了巖體的完整性，也影響巖體力學(xué)和滲流特性，是高放廢物地質(zhì)處置工程的不利因素。

圖1 算井子地段節(jié)理發(fā)育情況Fig.1 Joint development in Suanjingzi area

圖2 斷層發(fā)育情況 Fig.2 Fault development

圖3 算井子地段結(jié)構(gòu)面調(diào)查范圍Fig.3 Investigation scope of structural plane in Suanjingzi area

本文調(diào)查范圍為BS22、BS23鉆孔周邊巖體4 km2范圍內(nèi)的節(jié)理以及發(fā)育的斷層(圖3)。采用測線法對地表露頭進行詳細、準(zhǔn)確的現(xiàn)場測量，基于測線應(yīng)盡可能與所有節(jié)理相交的原則，調(diào)查統(tǒng)計節(jié)理產(chǎn)狀、跡長和位置等幾何特征。采用解譯法對遙感圖像解譯，并利用GPS定位工具，調(diào)查統(tǒng)計斷層延伸長度、產(chǎn)狀、斷裂帶寬度以及斷層泥形態(tài)等幾何特征。通過調(diào)查結(jié)構(gòu)面幾何特征來評價地表巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度。

2 結(jié)構(gòu)面幾何特征統(tǒng)計

2.1 節(jié)理幾何特征統(tǒng)計

節(jié)理是巖石在特定的地質(zhì)環(huán)境和構(gòu)造應(yīng)力場作用下的產(chǎn)物。在高放廢物地質(zhì)處置工程中，主要開展節(jié)理產(chǎn)狀、間距、跡長的調(diào)查。針對節(jié)理產(chǎn)狀的統(tǒng)計，利用Dips軟件獲得節(jié)理產(chǎn)狀玫瑰花圖和極點等密度圖。圖4給出了BS22鉆孔周圍巖體節(jié)理產(chǎn)狀分布，可以看出BS22鉆孔周圍地表巖體主要有4組節(jié)理。根據(jù)節(jié)理產(chǎn)狀玫瑰花圖和極點等密度圖，得出BS22、BS23鉆孔周圍巖體節(jié)理優(yōu)勢產(chǎn)狀如表1所示。

圖4 BS22鉆孔周圍巖體節(jié)理產(chǎn)狀分布Fig.4 Distribution of joint occurrence around BS22 borehole

表1 BS22和BS23鉆孔節(jié)理優(yōu)勢組產(chǎn)狀

在獲得節(jié)理優(yōu)勢組基礎(chǔ)上，統(tǒng)計節(jié)理產(chǎn)狀頻率分布，并繪制直方圖，從而得出不同產(chǎn)狀節(jié)理數(shù)量分布的擬合曲線及概率密度分布函數(shù)。圖5為BS23鉆孔180.0°∠79.1°優(yōu)勢組產(chǎn)狀直方圖、擬合曲線和擬合公式，可以看出節(jié)理產(chǎn)狀服從正態(tài)分布。通過統(tǒng)計學(xué)方法可得到BS22和BS23鉆孔周圍巖體所有節(jié)理優(yōu)勢產(chǎn)狀的擬合參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

圖5 BS23鉆孔180.0°∠79.1°優(yōu)勢產(chǎn)狀直方圖、擬合曲線和擬合公式Fig.5 Histogram, fitting curve and formula of occurrence for dominant set 180.0°∠79.1°

節(jié)理密度和跡長的統(tǒng)計通常采用圓形取樣窗口法[8]。本文根據(jù)測線法調(diào)查的節(jié)理位置數(shù)據(jù)，通過MATLAB編程，采用圓形窗口法統(tǒng)計節(jié)理跡長和中點面密度，分析圓形窗口不同直徑和不同圓心位置下的節(jié)理跡長和中點面密度變化規(guī)律[16]。節(jié)理跡長和中點面密度計算公式為

表2 BS22和BS23鉆孔節(jié)理優(yōu)勢產(chǎn)狀擬合參數(shù)

(1)

(2)

式中：ν為節(jié)理跡長，m；λ為節(jié)理中點面密度，m-2；c為圓形窗口半徑，m；N0、N1、N2、N分別為貫穿型、相交型、包容型節(jié)理數(shù)量和節(jié)理總數(shù)量，條。根據(jù)式(1)和式(2)計算得出BS22、BS23鉆孔周圍節(jié)理平均跡長分別為20.38 m和17.39 m，平均中點面密度分別為0.037 m-2和0.035 m-2。

2.2 斷層幾何特征統(tǒng)計

根據(jù)算井子地段巖體遙感圖(圖3)，利用圖像解譯法可以初步統(tǒng)計出斷層延伸長度和斷層走向。以斷層F1為例，由圖4和區(qū)域應(yīng)力場分布情況，可以得出斷層F1呈北西—南東向分布，分布方向與最大主應(yīng)力軸方向垂直，為壓剪型逆斷層。斷層F1北西端開挖施工探槽(圖6)，根據(jù)圖6中探槽壁上斷層泥和碎粒巖特征得出斷層走向125°，斷層面產(chǎn)狀26°∠85°，斷層泥寬約15 cm。通過GPS工具定位斷層起始點，將地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)(x1，y1)和(x2，y2)計算出斷層的延伸長度L：

(3)

由式(3)可計算得出斷層F1延伸長度為4.49 km。

圖6 斷層F1施工探槽Fig.6 Exploratory trench of fault F1

3 結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度評價

結(jié)構(gòu)面是地殼淺層中廣泛發(fā)育的斷裂構(gòu)造，會影響工程巖體穩(wěn)定性和安全性。影響巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度的因素很多，目前巖石質(zhì)量指標(biāo)、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面密度是描述巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度的主要指標(biāo)，建立適合我國高放廢物地質(zhì)處置工程的結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度評價體系具有重大的工程價值。

3.1 多尺度結(jié)構(gòu)面綜合評價指標(biāo)

我國高放廢物地質(zhì)處置工程遵循處置庫選址、場址評價、地下試驗室和處置庫建設(shè) “三步曲”式的實施方案[17]，從1986年起開始進行處置庫選址工作并分全國篩選、地區(qū)篩選、地段篩選、確定處置庫建造場址4個階段進行。本文主要是針對地段篩選階段，通過研究地表巖體結(jié)構(gòu)面(主要是斷層和節(jié)理)發(fā)育程度評價來比選處置庫場址。在綜合考慮我國處置庫建設(shè)所處的階段和結(jié)構(gòu)面幾何特征統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出多尺度結(jié)構(gòu)面綜合評價指標(biāo)來分析地表巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度，計算公式如下：

M=FLiFWi+FJSR=FLiFWi+FNjFλjFνj

(4)

式中：M為多尺度結(jié)構(gòu)面綜合評價指標(biāo)值；FLi為斷層i延伸長度對應(yīng)的評分值；FWi為斷層i的斷裂帶寬對應(yīng)的評分值；FJSR為節(jié)理發(fā)育程度評價指標(biāo)值；FNj為鉆孔j周圍地表巖體的節(jié)理組數(shù)對應(yīng)的評分值；Fλj為鉆孔j周圍地表巖體的節(jié)理平均中點面密度對應(yīng)的評分值；Fνj為鉆孔j周圍地表巖體節(jié)理平均跡長對應(yīng)的評分值。表3給出了結(jié)構(gòu)面幾何特征對應(yīng)的評分值，由式(4)計算得出不同M值對應(yīng)的巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度如表4所示。

表3 結(jié)構(gòu)面幾何特征對應(yīng)的評分值

表4 巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度評價等級

3.2 評價結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計的BS22、BS23鉆孔周邊巖體4 km2范圍內(nèi)的節(jié)理及發(fā)育的斷層幾何特征，按照斷層與鉆孔的相對位置，將斷層F0和F1劃為BS22鉆孔周圍地表巖體，斷層F3和F4劃為BS23鉆孔周圍地表巖體，由式(4)可計算得出BS22和BS23鉆孔地表巖體的M值分別為16.05和23.10，分別屬于Ⅰ級和Ⅱ級，可見BS22鉆孔周圍地表巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度比BS23鉆孔低，更適合作為高放廢物處置庫建造場址。

4 結(jié) 論

a.BS22和BS23鉆孔周圍分別發(fā)育4個和5個節(jié)理優(yōu)勢組，節(jié)理產(chǎn)狀均服從正態(tài)分布；基于圓形窗口法，得出BS22和BS23鉆孔周圍巖體節(jié)理平均中點面密度分別為0.037 m-2和0.035 m-2，平均跡長分別為20.38 m和17.39 m；通過圖像解譯法和形貌觀察得出斷層F1走向為125°，斷層面產(chǎn)狀為26°∠85°，斷層泥寬約為15 cm，延伸長度為4.49 km。

b.提出了多尺度結(jié)構(gòu)面綜合評價指標(biāo)來進行地表巖體結(jié)構(gòu)面評價，通過計算比較BS22和BS23鉆孔周圍地表巖體多尺度結(jié)構(gòu)面綜合評價指標(biāo)值，得出BS22鉆孔周圍地表巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度較低，更適合作為我國高放廢物處置庫建造場址。