CN111768104A - 单斜砂泥岩互层型坝基岩性变化程度定量评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单斜砂泥岩互层型坝基岩性变化程度定量评价方法，1，坝址岩层产状计算：岩层产状以α∠β的形式表示；2，参照点选取：参照点选择在坝址研究区内；3，距离计算：采用“坐标系旋转”的方法，计算每个钻孔在岩层倾向方向上与参照点的平面直线距离；4，高程修正：基于钻孔纵坐标y’和岩层倾角β对每个钻孔进行高程修正；5，数据离散：将高程更新后的钻孔岩性编录数据在垂向上进行空间离散；6，数据统计与分析：对离散后的同一高程的所有钻孔编录数据进行统计；7，定量评价：引入岩性变化指数LVI进行定量评价，从而实现对不同高程砂泥岩互层型坝基的岩性变化程度进行定量评价。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程中的坝基勘察技术领域，尤其是涉及单斜砂泥岩互层型坝基岩性变化程度定量评价方法。
背景技术
砂泥岩互层岩体是水利水电工程建设中经常遇见的一种坝基，砂泥岩互层岩体也是国内外建坝史上出现问题最多的一种坝基。据国外有关方面的报道，因坝基问题失事的13座重力坝中，就有9座是发生在砂泥岩互层岩体地区。
受沉积环境和沉积速率的影响，砂泥岩互层岩体中普遍存在较为明显的相变问题。所述相变主要是指岩性的变化：例如某层砂岩突然开始出现并逐渐变薄或逐渐变厚、某层泥岩逐渐变厚或变薄直至尖灭等情况。相变问题的存在，将导致呈互层状沉积的砂岩、泥岩的比例发生无规律变化，从而使得岩体的强度、变形、渗透等特性发生变化，给岩体的坚硬程度、风化卸荷程度、透水程度等评价和物理力学参数取值带来重要影响。目前，水利水电工程领域，对砂泥岩互层型坝基岩性变化程度的评价仍停留在定性阶段，多使用简单的语言文字或野外照片进行表述，缺乏大批量基础勘察数据的有效支撑。
发明内容
本发明目的在于提供一种单斜砂泥岩互层型坝基岩性变化程度定量评价方法，旨在解决砂泥岩互层型坝基岩性变化程度的评价停留在定性阶段问题。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述的单斜砂泥岩互层型坝基岩性变化程度定量评价方法，按照相关规范要求，在坝址研究区均匀布置地质勘探取芯钻孔，每个所述钻孔完成后，根据相关技术要求对钻孔岩芯进行编录，区分砂岩及泥岩的岩性，获得原始地质资料，然后按照下述步骤进行所述坝基岩性变化程度的定量评价：
步骤1，坝址岩层产状计算：采用野外地质罗盘测量法、室内空间解析几何计算法或遥感影像法计算所述岩层产状，岩层产状以α∠β的形式表示；其中，α表示岩层倾向，β表示岩层倾角，单位为°，岩层走向为γ=α+90°；
步骤2，参照点选取：所述参照点选择在坝址研究区内；参照点以坐标(x 0, y 0)的形式表示，x 0为参照点的大地横坐标，y 0为参照点的大地纵坐标；
步骤3，距离计算：采用“坐标系旋转”的方法，计算每个钻孔在岩层倾向方向上与参照点的平面直线距离；以参照点(x 0, y 0)为坐标原点，以岩层倾向α为旋转角度，将大地坐标系顺时针旋转，得到岩层走向-倾向坐标系；所述岩层走向-倾向坐标系以岩层走向γ为坐标横轴，以岩层倾向α为坐标纵轴；钻孔平面大地坐标(x, y)经所述“坐标系旋转”后为：
新坐标系下的每个钻孔纵坐标y’的绝对值即为该钻孔在岩层倾向方向上与参照点的距离；
步骤4，高程修正：基于钻孔纵坐标y’和岩层倾角β，使用式2对每个钻孔进行高程修正；
式中，h和h’为修正前、后的钻孔高程，
为钻孔与参照点之间的高程差；使用修正后的每个钻孔高程数据更新钻孔岩性编录数据；
步骤5，数据离散：将高程更新后的所述钻孔岩性编录数据在垂向上进行空间离散，数据离散的精度根据数据质量和研究目的不同，选择合适的分辨率；
步骤6，数据统计与分析：对离散后的同一高程的所有钻孔编录数据进行统计，统计某一指定高程的钻孔总数量N，统计该高程处岩性为砂岩的钻孔的数量M，使用SC=M/N·100%计算砂岩在同一指定高程上的百分含量，SC表示砂岩百分含量；对步骤5所离散的每一高程计算砂岩百分含量，绘制所述砂岩百分含量随高程或深度变化的曲线；当砂岩百分含量的取值趋向为0%或100%时，表明岩性均一，不存在岩性变化问题；当砂岩百分含量的取值接近50%时，表明岩性在统计意义上较为复杂、不均一，岩性变化问题严重；
步骤7，定量评价：引入表征岩性变化程度的岩性变化指数LVI（Lithology VariationIndex，缩写为LVI）进行定量评价，其数学表达式为：
绘制岩性变化指数LVI随高程（或深度）变化的曲线；岩性变化指数LVI的取值在0~1之间：当取值趋于0时，表示岩体岩性均一，不存在岩性变化问题；当取值趋于1时，表示岩体岩性较为复杂，岩性变化问题在统计意义上较为严重；从而实现对不同高程砂泥岩互层型坝基的岩性变化程度进行定量评价。
本发明优点在于选用水利水电工程中最常规、最基本的钻孔岩性编录数据，以其为随机变量进行统计分析，实现砂泥岩互层型坝基的岩性变化程度的定量评价，可为砂泥岩互层型坝基岩体的坚硬程度、风化卸荷程度和透水程度等定量评价和物理力学参数的取值提供重要的基础数据支撑。
附图说明
图1是本发明的流程框图。
图2是本发明所述“参照点选取”和“距离计算”步骤的示意图。
图3是本发明所述基于钻孔纵坐标y’和岩层倾角β，对钻孔进行高程修正步骤的示意图。
图4是本发明所述“数据离散”、“数据统计与分析”、“定量评价”步骤的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本发明所述的单斜砂泥岩互层型坝基岩性变化程度定量评价方法，现以某水利枢纽工程坝基为例进行描述：
该水利枢纽工程坝基的岩体为三叠系中统二马营组上段（T2er2）砂泥岩，岩性为暗紫红色泥岩夹巨厚层-中薄层灰绿色、灰白色砂岩。坝址区地质构造简单：褶皱、断裂不发育，地层产状总体近水平，主要构造形迹表现为原生裂隙、构造裂隙以及顺层剪切破碎带。截止2019年，完成河床及滩地勘探钻孔80余孔。根据地层的结构差异和砂岩（或泥岩）的相对含量，可将二马营组上段（T2er2）地层细分为11个岩组。其中，河床坝基岩体主要揭露了T2er2 10、T2er2 9、T2er2 8、T2er2 7、T2er2 6岩组。
河床及滩地勘探钻孔空间分布较为均匀，具有统计意义。地质工作人员对每个钻孔的岩芯均进行了较为详细的编录工作，精细区分了砂岩及泥岩的岩性，获得了原始地质资料。依据单斜砂泥岩互层型坝基的岩体多具有一定岩层倾角这一特点，在进行数据统计和分析之前，根据地层产状对钻孔高程数据进行修正。如图1所示，这一过程先后涉及“岩层产状计算”、“参照点选取”、“距离计算”和“高程修正”步骤。上述步骤完成之后，才可进行接下来的数据分析与评价。这一过程先后涉及“数据离散”、“数据统计与分析”、“定量评价”三个步骤。
步骤1，坝址岩层产状计算：对于该水利工程，由于岩层倾角较小，传统罗盘测量和遥感影像方法的计算结果变异性较大，效果不好。选择使用室内空间解析几何计算法，利用钻孔揭露的多个典型标志岩层的空间坐标数据拟合岩层平面空间方程，进而求解具有统计意义的岩层产状。岩层产状以α∠β的形式表示；其中，α表示岩层倾向，β表示岩层倾角，单位为°，岩层走向为γ=α+90°。经计算，该水利工程坝址的代表性岩层产状为327°∠0.5°。
步骤2，参照点选取：该水利工程前期的勘察成果表明，河床左右两岸的岩性存在差异。因此，如图2所示，选择坝轴线上的河床中点位置作为参照点2。河床左右两岸的钻孔应以该参照点为标准进行补偿。对于该水利工程，参照点的大地横坐标x 0为451193，纵坐标y 0为4011896。
步骤3，距离计算：如图2所示，采用“坐标系旋转”的方法，计算每个钻孔1在岩层倾向方向上与参照点的平面直线距离；以参照点(x 0=451193, y 0=4011896)为坐标原点，以岩层倾向α=327°为旋转角度，将大地坐标系顺时针旋转，得到岩层走向-倾向坐标系；所述岩层走向-倾向坐标系以岩层走向γ为坐标横轴，以岩层倾向α为坐标纵轴；钻孔平面大地坐标(x, y)经所述“坐标系旋转”后为：
新坐标系统下钻孔纵坐标y’的绝对值即为该钻孔在岩层倾向方向上与参照点2的平面直线距离。
步骤4，高程修正：如图3所示，将钻孔纵坐标y’和岩层倾角0.5°代入式2中，得到修正后的钻孔高程：
式中，h和h’为修正前、后的钻孔高程，
为钻孔与参照点2之间的高程差；使用修正后的钻孔高程数据更新钻孔编录数据。
步骤5，数据离散：如图4所示，将高程更新后的钻孔岩性编录数据在垂向上进行空间离散，数据离散的精度根据数据质量和研究目的不同，选择合适的分辨率。对于该水利工程，前期进行钻孔编录时，规定将大于1m的岩性段进行单独编录，将小于1m的岩性段按夹层处理；因此，数据离散的分辨率选择为1m。
步骤6，数据统计与分析：如图4所示，对离散后的同一高程的所有钻孔编录数据进行统计，统计某一指定高程的钻孔总数量N，统计该高程处岩性为砂岩的钻孔的数量M，使用SC=M/N·100%计算砂岩在同一指定高程上的百分含量，SC表示砂岩百分含量；对步骤5所离散的每一高程计算砂岩百分含量，绘制所述砂岩百分含量随高程（或深度）变化的曲线；对于该水利工程，砂岩百分含量曲线在T2er2 8、T2er2 7和T2er2 6岩组内取值趋于0%或100%，整体上由一显著波峰或波谷构成，表明这些岩组的岩性较为均一，岩性变化程度低；砂岩百分含量曲线在T2er2 10和T2er2 9岩组内取值趋于50%、并伴有波动，表明T2er2 10和T2er2 9岩组的岩性在统计意义上较为复杂、不均一，岩性变化问题严重。
步骤7，定量评价：引入表征岩性变化程度的岩性变化指数LVI (LithologyVariation Index，缩写为LVI) 进行定量评价，其数学表达式为：
绘制岩性变化指数LVI随高程（或深度）变化的曲线（如图4所示）；岩性变化指数LVI的取值在0~1之间：当取值趋于0时，表示岩体岩性均一，不存在岩性变化问题；当取值趋于1时，表示岩体岩性较为复杂，岩性变化问题在统计意义上较为严重；对于该水利工程，岩性变化指数LVI表明，T2er2 8、T2er2 7和T2er2 6岩组的岩性变化指数LVI虽局部存在波动，但整体取值偏小，岩性变化程度较弱；T2er2 10和T2er2 9岩组的岩性变化指数LVI波动范围较大，部分高程取值偏大，岩性变化程度较强；鉴于岩性变化指数可以定量描述砂泥岩互层岩体的岩性变化程度，在岩体坚硬程度、风化卸荷程度、透水程度等定量评价和物理力学参数的取值时，可将其作为一重要指标，对原有的传统方法进行补充。
Claims (3)
1.一种单斜砂泥岩互层型坝基岩性变化程度定量评价方法，其特征在于：按照相关规范要求，在坝址研究区均匀布置地质勘探取芯钻孔，每个所述钻孔完成后，根据相关技术要求对钻孔岩芯进行编录，区分砂岩及泥岩的岩性，获得原始地质资料，然后按照下述步骤进行所述坝基岩性变化程度的定量评价：
步骤1，坝址岩层产状计算：采用野外地质罗盘测量法、室内空间解析几何计算法或遥感影像法计算所述岩层产状，岩层产状以α∠β的形式表示；其中，α表示岩层倾向，β表示岩层倾角，单位为°，岩层走向为γ=α+90°；
步骤2，参照点选取：所述参照点选择在坝址研究区内；参照点以坐标(x 0, y 0)的形式表示，x 0为参照点的大地横坐标，y 0为参照点的大地纵坐标；
步骤3，距离计算：采用“坐标系旋转”的方法，计算每个钻孔在岩层倾向方向上与参照点的平面直线距离；以参照点(x 0, y 0)为坐标原点，以岩层倾向α为旋转角度，将大地坐标系顺时针旋转，得到岩层走向-倾向坐标系；所述岩层走向-倾向坐标系以岩层走向γ为坐标横轴，以岩层倾向α为坐标纵轴；钻孔平面大地坐标(x, y)经所述“坐标系旋转”后为：
新坐标系下的每个钻孔纵坐标y’的绝对值即为该钻孔在岩层倾向方向上与参照点的距离；
步骤4，高程修正：基于钻孔纵坐标y’和岩层倾角β，使用式2对每个钻孔进行高程修正；
式中，h和h’为修正前、后的钻孔高程，
为钻孔与参照点之间的高程差；使用修正后的每个钻孔高程数据更新钻孔岩性编录数据；
步骤5，数据离散：将高程更新后的所述钻孔岩性编录数据在垂向上进行空间离散，数据离散的精度根据数据质量和研究目的不同，选择合适的分辨率；
步骤6，数据统计与分析：对离散后的同一高程的所有钻孔编录数据进行统计，统计某一指定高程的钻孔总数量N，统计该高程处岩性为砂岩的钻孔数量M，使用SC=M/N·100%计算砂岩在同一指定高程上的百分含量，SC表示砂岩百分含量；然后对步骤5所离散的每一高程计算砂岩百分含量，绘制所述砂岩百分含量随高程或深度变化的曲线；当砂岩百分含量的取值趋向为0%或100%时，表明岩性均一，不存在岩性变化问题；当砂岩百分含量的取值接近50%时，表明岩性在统计意义上较为复杂、不均一，岩性变化问题严重；
步骤7，定量评价：引入表征岩性变化程度的岩性变化指数LVI进行定量评价，其数学表达式为：
绘制岩性变化指数LVI随高程变化的曲线；岩性变化指数LVI的取值在0~1之间：当取值趋于0时，表示岩体岩性均一，不存在岩性变化问题；当取值趋于1时，表示岩体岩性较为复杂，岩性变化问题在统计意义上较为严重；从而实现对不同高程砂泥岩互层型坝基的岩性变化程度进行定量评价。
2.根据权利要求1所述的单斜砂泥岩互层型坝基岩性变化程度定量评价方法，其特征在于：步骤2中，所述参照点选择在坝址研究区的中心点。
3.根据权利要求1或2所述的单斜砂泥岩互层型坝基岩性变化程度定量评价方法，其特征在于：步骤7中，对不同高程砂泥岩互层型坝基的岩性变化程度进行定量评价的项目为岩性变化指数LVI。
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