CN108897718A - 一种岩体结构量化描述方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩体结构量化描述方法，该方法是以岩体结构指标RSI来精细反映岩体结构特征；该岩体结构指标RSI计算式如此下：RSI＝5DS₅+10DS₁₀+15DS₁₅+20DS₂₀+25DS₂₅+30DS₃₀+40DS₄₀+50DS₅₀+75DS₇₅+100DS₁₀₀。式中：RSI为岩体结构指标，单位为cm；DS₅为测线范围内完整岩块两侧裂隙间距不小于5cm的累计间距测值所占的比例，％；DS₁₀为测线范围内裂隙间距不小于10cm的累计间距测值所占的比例，其余雷同。分析表明，RSI可以简便、快捷和相对准确的量化反映岩体结构特征，并用于评价岩体完整性和岩体质量评价。

Description

一种岩体结构量化描述方法

技术领域

本发明涉及一种岩体结构量化描述方法，属于水文地质和工程勘察领域。本发明是为了量化描述岩体结构特征，以便分析岩体工程地质特征、岩体结构类型及完整程度、岩体质量评价和岩体物理力学参数分析。特别适用于山区大型水电工程、交通工程等边坡、坝基和洞室围岩等岩体工程特性精细描述。

背景技术

岩体是在建造与改造作用过程中逐步形成的地质体，由此形成了大量不同成因类型和特性的结构面，岩体具有不同结构特征。岩体结构特征量化描述是岩体工程特性精细分析的基本方法和基础资料。一般认为，岩体结构分析始于20世纪50年代，国际上著名的奥地利萨尔兹堡学派首先强调岩体中由于存在结构面，而具有不连续、不均质和各向异性，并提出初步的岩体结构类型划分方案；国内以古德振教授为主的科研团队提出了岩体结构控制论和系统的岩体结构类型划分。岩体结构类型划分属于半定量的量化岩体工程特性描述方法，而岩体结构特征量化描述则要求能量化反映岩体结构特征、类型及其差异。岩体结构特征量化描述指标很多，如结构面间距、迹长、裂隙率、连通率、岩石质量指标(RQD)、体积节理数(Jv)、岩体块度系数和岩体块度指数(RBI)等。其中RQD、Jv和RBI是最常用的量化指标。体积节理数Jv是从数量上(主要指硬性结构面数量)描述结构面发育特征，不能反映结构面的组数和空间组合关系。岩石质量指标(RQD)是以10cm为界来统计长完整岩心所占比例，显然以此来反映岩体结构面发育程度和岩体完整性是很粗糙的，比如RQD＝90％的岩体，可以是镶嵌结构岩体，也可以是块状结构岩体。另外，RQD值具有明显的方向性，在用于评价岩体完整性时，如何取代表值也尚无明确意见。

岩体块度指数(RBI)是的计算式如下：

RBI＝3×C_r3+10×C_r10+30×C_r30+50×C_r50+100×C_r100 (1)

式中：C_r3、C_r10、C_r30、C_r50、C_r100分别为岩芯长度或测线上裂隙距离为3～10cm、10～30cm、30～50cm、50～100cm、大于100cm的岩芯或完整岩石获得率，以百分数表示，可视为权值；3、10、30、50、100为常数，对应岩体结构类型划分中裂隙特征间距。RBI算式在数学上是对特征间距小值加权求和，反映主要特征裂隙间距大小，显然也与测线方位有关。目前，岩体结构特征与RBI的常见对应关系见表1，可见，岩体完整性较好则RBI值较高，但也存在相同的RBI值出现归属不同的岩体结构类型情况。

表1岩体结构类型与RBI值的对应表建议值

综上，目前在岩体结构特征量化描述方面已有不少量化指标，但在精细反映岩体结构方面还存在不足，需要进一步发展岩体结构量化指标。

发明内容

本发明的目的在于发展和提出岩体结构特征量化描述方法，以精细反映岩体结构特征。

在岩体结构类型划分中，对结构面发育特征进行了半定量描述；不同结构类型岩体，其结构面发育特征明显不同；同一结构类型岩体，结构面发育特征还是有一定差别，因此，新的岩体结构量化指标要能很好反映岩体结构特征及不同类型之间的差别。

岩体结构特征量化描述的主要困难在于岩体中结构面发育特征差异，结构面特征差异包括结构组数、间距、性状、规模等。在岩体结构类型定量划分中，主要考虑结构面间距(主要指硬性结构面间距)、组数和性状等，主要依据由此而确定的结构体大小及所占比例。目前的主要量化指标，主要考虑硬性结构数量或特征结构体大小。Jv侧重于结构面数量，侧面反映结构体特征；而在特征结构体大小方面，包括结构体大小和累计量两方面，RQD主要侧重于大块体(不小于10cm的)累积量，而RBI主要侧重于块度大小。因此，它们在反映岩体结构特征方面，都有一定的不足。合理的量化指标，宜能综合反映大结构体的特征，即大小和累计量。提出新的岩体结构量化指标，可以更精细反映岩体工程地质特征，为岩体质量评价和岩体稳定性评价奠定良好基础。

本发明的技术方案如下：

本发明是一种岩体结构量化描述方法，是在现场量测结构面间距的基础上，以岩体结构指标RSI来精细反映岩体结构特征；该岩体结构指标RSI计算式如此下：

RSI＝5DS₅+10DS₁₀+15DS₁₅+20DS₂₀+25DS₂₅+

30DS₃₀+40DS₄₀+50DS₅₀+75DS₇₅+100DS₁₀₀ (2)

式中：RSI为岩体结构指标，单位为cm；DS₅为测线范围内完整岩块两侧裂隙间距不小于5cm的累计间距测值所占的比例，％；DS₁₀为测线范围内裂隙间距不小于10cm的累计间距测值所占的比例，DS₁₅、DS₂₀、DS₂₅、DS₃₀、DS₄₀、DS₅₀、DS₇₀、DS₁₀₀的含义类似。

其中，当实测了3个近于正交方向的RSI值后，反映该组结构面特征的RSI在综合取值为：

式中，RSIa为RSI综合值；N为同一部位的测量方向数，3个方向均测量时，N＝3。

当RSI及RSIa确定后可参考表2进行岩体结构类型的划分。

表2理想岩体结构基本类型的岩体结构指标RSI参照表

具体的，该方法包括如下步骤：

步骤1、岩体结构指标RSI测量和计算：

(1)布置测线：测线布置宜垂直于主要结构面，测线长度一般不少于2m；记录测线的工程部位和方向；并描述测量部位处的岩性、风化卸荷特征和岩体结构特征；

(2)记录结构面间距：沿测线，依次测量记录完整岩块两侧裂隙之间的间距，即长度不小于5cm的数据；

(3)计算RSI：以1～2m为统计单元，计算其RSI，计算式为(2)式；

(4)计算岩体结构指标综合值：按照(3)式计算；

步骤2、岩体结构指标RSI值应用分析：参考RSI划分岩体结构类型参照表(表2)，进行岩体结构划分。

本发明的有益效果：本发明为精细描述岩体结构特征及其差异，在充分分析岩体结构类型描述和现有量化指标优点的基础上，提出了可综合考虑结构体大小和累计量的量化指标—岩体结构指标RSI，以及配套的测量和分析方法，现场测量方法简单，测量工作量相对岩石质量指标RQD以及岩石块度指数RBI增加不大，计算方法简单，测量值也可以用于同步计算RQD和RBI作为对比。分析表明，RSI可以简便、快捷和相对准确的量化反映岩体结构特征，并以此为基础用于评价岩体完整性和岩体质量评价。

附图说明

图1展示了镶嵌结构岩体中不同方向测线(D1测线编号)；

图2展示了平硐PDZ05中岩体结构量化指标空间变化图(图中，RQD值扩大了20倍)；

图3展示了平硐PDZ03中岩体结构量化指标变化图(图中，RQD值扩大了20倍)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。

本发明的岩体结构量化描述方法岩体结构类型定量划分，主要考虑结构面间距(主要指硬性结构面间距)、组数和性状等，主要依据由此而确定的结构体大小及所占比例。目前的主要量化指标，主要考虑硬性结构数量或特征结构体大小。而在特征结构体大小，则包括结构体大小和累计量两方面。从岩体结构类型描述看，岩体完整性越差，其中的裂隙间距变化范围越小，也即岩体结构特征对裂隙间距DS(discontinuities spacing)的变化越敏感，因此，为反映岩体结构特征，对小间距情况，应精细反映。在综合考虑RQD和RBI指标主要优点及上述分析基础上，提出了岩体结构指标RSI(Rockmass Strusture Index)来精细反映岩体结构特征。岩体结构指标RSI计算式如此下：

RSI＝5DS₅+10DS₁₀+15DS₁₅+20DS₂₀+25DS₂₅+

30DS₃₀+40DS₄₀+50DS₅₀+75DS₇₅+100DS₁₀₀ (1)

式中：RSI为岩体结构指标，单位为cm；DS₅为测线范围内(完整岩块两侧)裂隙间距不小于5cm的累计间距测值所占的比例，％；DS₁₀为测线范围内裂隙间距不小于10cm的累计间距测值所占的比例，即RQD；DS₁₅、DS₂₀、DS₂₅、DS₃₀、DS₄₀、DS₅₀、DS₇₀、DS₁₀₀的含义类似。

当实测了3个近于正交方向的RSI值后，岩体综合RSI的取值不宜简单采用平均值。因为岩体结构类型主要取决于相对发育的结构面，因此，反映该组结构面特征的RSI在综合取值时应占有较大权重。

式中，RSIa为RSI综合值；N为同一部位的测量方向数，3个方向均测量时，N＝3。

1、岩体结构指标RSI测量和计算步骤

(1)测线步骤宜垂直于某组结构面，尤其要针对相对发育的那组结构面布置；当有几组结构面发育相当时，可以针对性布置多个方向的结构面；测线长度不宜少于2m。记录测线的工程部位和方向；要描述测量部位处的岩性、风化卸荷特征和岩体结构特征。

(2)沿测线，依次测量记录间距(DS)长度(完整岩块两侧裂隙之间的)不小于5cm的数据；一般是依次记录在测线上各裂缝的位置；建议同一测量部位，宜进行三个方向测量，三个方向大值垂直。

(3)一般以1～2m为统计单元，计算其RSI，计算式为(1)式。一般，岩体完整性好～较好时，统计单元长度取大值，如取为2m。

(4)岩体结构指标综合值RSIa可以按照(2)式计算。

2、岩体结构指标RSI值应用分析

结合相关规范，拟定的RSI岩体结构指标划分岩体结构类型的参照表见下表所示，确定了RSI值后，对照下表即可确定岩体结构类型。

表1理想岩体结构基本类型的岩体结构指标RSI

同时考虑到RSI值具有明显的方向性。当测线沿任一方向布置，由于测线会与多组结构面相交，RSI值必然会降低，但其实岩体的完整性并没有改变。如图1所示，镶嵌结构岩体中，沿不同方向布置了4条测线，编号为D1，D2、D3和D4，对应的岩体结构指标RSI计算值见下表所示，可见，测线D1和D2与只与其中的一组相交，RSI分别为15.9和13.59，属于镶嵌结构中裂隙间距较小的情况，与定性判断一致；但测线D3和D4，与2组裂隙都相交，RSI值变化较大。可见，采用RSI值反映岩体结构和完整性时，测线宜与主要结构面组垂直。

表2镶嵌结构岩体中不同方向测线岩体结构指标RSI

实施例1：

西藏某水电站左岸平洞PDZ05，洞深131m，岩性为花岗岩。根据岩体结构特征差异，划分为11个工程地质分段。对全洞段裂隙间距进行了系统测量，包括沿平洞延伸方向、洞壁垂向和洞顶横向等三个方向。工程地质分段描述及主要量化指标计算结果见表1，量化指标对比见图2，可见各段岩体结构特征不同，RSI值不同，岩体完整性好，则RSI值相对较大；对比表明，RSI值相对RQD和RBI，更明显的反映岩体结构特征差异。

表1西藏某电站左岸PDZ05中工程地质分段及岩体结构特征量化指标汇总表

实施例2：

西藏某水电站左岸平洞PDZ03，洞深178m，岩性为花岗岩。根据岩体结构特征差异，划分为12个工程地质分段。对全洞段裂隙间距进行了系统测量，包括沿平洞延伸方向、洞壁垂向等2个方向，工程地质分段描述及主要量化指标计算结果见表2，量化指标对比见图3，可见各段岩体结构特征不同，RSI值不同，岩体完整性好，则RSI值相对较大；对比表明，RSI值相对RQD和RBI，更明显的反映岩体结构特征差异。

表2西藏某电站左岸PDZ03中工程地质分段及岩体结构特征量化指标汇总表

以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种岩体结构量化描述方法，其特征在于：以岩体结构指标RSI(Rock-massStructure Index)来精细反映岩体结构特征；该岩体结构指标RSI(Rock-mass StructureIndex)计算式如此下：

RSI＝5DS₅+10DS₁₀+15DS₁₅+20DS₂₀+25DS₂₅+

30DS₃₀+40DS₄₀+50DS₅₀+75DS₇₅+100DS₁₀₀ (1)

式中：RSI为岩体结构指标，单位为cm；DS₅为测线范围内完整岩块两侧裂隙间距不小于5cm的累计间距测值所占的比例，％；DS₁₀为测线范围内裂隙间距不小于10cm的累计间距测值所占的比例，DS₁₅、DS₂₀、DS₂₅、DS₃₀、DS₄₀、DS₅₀、DS₇₀、DS₁₀₀的含义类似。

2.根据权利要求1所述的岩体结构量化描述方法，其特征在于：当实测了3个近于正交方向的RSI值后，反映该组结构面特征的RSI在综合取值为：

式中，RSIa为RSI综合值；N为同一部位的测量方向数，3个方向均测量时，N＝3。

3.根据权利要求2所述的岩体结构量化描述方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、岩体结构指标RSI测量和计算步骤：

(1)布置测线：测线布置宜垂直于主要结构面，测线长度一般不少于2m；记录测线的工程部位和方向；并描述测量部位处的岩性、风化卸荷特征和岩体结构特征；

(2)记录结构面间距：沿测线，依次测量记录完整岩块两侧裂隙之间的间距，即长度不小于5cm的数据；

(3)计算RSI：以1～2m为统计单元，计算其RSI，计算式为(1)式；

(4)计算岩体结构指标综合值：按照(2)式计算；

步骤2、岩体结构指标RSI值应用分析：参考RSI划分岩体结构类型参照表，进行岩体结构划分。