CN113554088B - 软硬相间陡倾岩体水电工程围岩分类方法 - Google Patents

软硬相间陡倾岩体水电工程围岩分类方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软硬相间陡倾岩体水电工程围岩分类方法，涉及地质勘查领域，解决软硬相间陡倾岩体的围岩分类结果过于保守或过于激进的问题，还避免岩石强度评分取值因人而异的问题。本发明的技术方案是：软硬陡倾岩体水电工程围岩分类方法，首先，对工程区进行地质勘查；其次，对需进行围岩分类洞段的软硬相间陡倾岩体进行岩体结构类型划分，分为互层结构、夹层结构或夹薄层结构；再次，计算综合饱和单轴抗压强度参数，并进行岩质类型划分；最后，计算围岩总评分，确定围岩类别。此外，还计算围岩强度应力比，并判定是否降低围岩类别。本发明能合理地对软硬相间陡倾岩体进行围岩分类，为确定合理的施工开挖方案和系统支护设计方案提供依据。

Description

软硬相间陡倾岩体水电工程围岩分类方法
技术领域
本发明涉及地质勘查领域，具体是一种软硬相间陡倾岩体的水电工程围岩分类方法。
背景技术
围岩分类是对隧道或地下建筑工程周围的岩体工程地质特性进行综合分析、概括及评价，目的对围岩的整体稳定程度进行判断，并指导施工开挖与系统支护设计，以及作为施工定额与预算的参考。现行围岩分类是对已建工程的地下工程的设计、施工与运行经验的总结，是一种广义的工程地质类比法。
在水电工程中，《水力发电工程地质勘察规范GB50287-2016》和《中小型水力发电工程地质勘察规范NB/T10336-2019》将围岩分类分为初步分类和详细分类。围岩初步分类主要是依据岩质类型和岩体结构类型或岩体完整程度进行，将岩体划分为Ⅰ～Ⅴ类，属于宏观判断性质的分类。围岩详细分类是以岩石强度、岩体完整程度和结构面状态为基本因素评分，均为正值；以地下水状态和主要结构面产状为修正因素评分，均为负值；五项因素之和为基本判据，并考虑围岩应力状态，以围岩强度应力比为限定因素，最后综合判定围岩类别，将岩体划分为Ⅰ～Ⅴ类。在水电工程中，依据岩体出露产状中的倾角大小分为陡倾岩层、中倾岩层和缓倾岩层类。其中，倾角α＞60°为陡倾岩层，倾角60°≥α＞30°为中倾角，倾角α≤30°为缓倾岩层。
按照《水力发电工程地质勘察规范GB50287-2016》和《中小型水力发电工程地质勘察规范NB/T10336-2019》的相关规定，岩石的软硬是根据岩石的饱和抗压强度Rb的大小进行划分，并根据Rb的大小将岩石软硬程度划分为四档。其中，Rb大于60MPa为坚硬岩；Rb小于或等于60MPa，大于30MPa的为中硬岩；Rb小于或等于30MPa，大于15MPa的为较软岩；Rb小于或等于15MPa的为软岩，如表1所示。但是，上述现行的水电勘察规范的围岩详细分类，未明确规定饱和单轴抗压强度Rb位于强度区间内时的岩石评分A如何取值。
表1 岩石强度评分表
Figure BDA0003173644870000011
水电勘察规范的围岩详细分类，按照岩质类型(即岩石饱和单轴抗压强度Rb)规定了岩石强度评分标准，如表1所示。围岩详细评分过程中的岩体完整程度评分B、结构面状态评分C时，均按岩质类型进行分类评分，并规定了相应条件的评分取值标准，见表2和表3。
表2 岩体完整程度评分表
Figure BDA0003173644870000021
表3 岩体结构面状态评分表
Figure BDA0003173644870000022
现行行业规范中仅按单一岩石软硬程度给定了评分标准。实际工程中，常遇到软硬相间、陡倾的地层结构，当软、硬岩体间隔出露，在单一岩质类型的岩体出露厚度大于一个施工单元或结构衬砌单元时，按照单一岩质类型的岩体按上述规范所规定的方法进行围岩详细分类；在单一岩质类型的岩体出露厚度小于一个施工单元或结构衬砌单元时，即在一个施工单元或结构衬砌单元内同时有几种岩质类型的岩体，这种软硬相间岩体的岩质类型如何确定？岩石强度值评分如何取值？这些问题一直困扰着工程地质人员。若完全按照软质岩进行围岩详细分类，忽略硬质岩的贡献，则围岩分类结果将过于保守，必将影响工程施工进度和工程投资；若完全按照硬质岩进行围岩详细分类，忽略软质岩的不利作用，围岩分类结果又过于激进，会对工程施工和工程质量流程潜在威胁，造成安全隐患。
发明内容
本发明提供一种软硬相间陡倾岩体水电工程围岩分类方法，目的在于对软硬相间陡倾岩体进行合理地围岩分类，为施工开挖和系统支护设计提供依据。
本发明采用的技术方案是：软硬相间陡倾岩体水电工程围岩分类方法，包括以下步骤：
S1.对工程区进行地质勘查
对工程区内的软硬相间陡倾岩体进行宏观特征地质调查和室内试验，确定各种岩体的种类、矿物成分、组成、含量及出露情况，获取各种岩体的饱和单轴抗压强度。具体的：宏观特征地质调查包括各种岩体的产状、分布规律及延伸情况。
S2.对需进行围岩分类洞段的软硬相间陡倾岩体进行岩体结构类型划分
(1)软硬相间陡倾岩体中，若硬质岩累计出露宽度大于或等于软质岩累计出露宽度，划分方法为：①若软质岩的累计出露宽度与需进行围岩分类洞段长度的比值大于或等于1/3，划分为互层结构；②若软质岩的累计出露宽度与需进行围岩分类洞段长度的比值大于1/10、小于1/3，划分为夹层结构；③若软质岩的累计出露宽度与需进行围岩分类洞段长度的比值小于或等于1/10，划分为夹薄层结构。
(2)软硬相间陡倾岩体中，若硬质岩累计出露宽度小于软质岩累计出露宽度，划分方法为：①若硬质岩的累计出露宽度与需进行围岩分类洞段长度的比值大于或等于1/3，划分为互层结构；②若硬质岩的累计出露宽与需进行围岩分类洞段长度的比值大于1/10、小于1/3，划分为夹层结构；③若硬质岩的累计出露宽度与需进行围岩分类洞段长度比值小于或等于1/10，划分为夹薄层结构。
S3.计算软硬相间陡倾岩体的综合饱和单轴抗压强度参数
Figure BDA0003173644870000031
(1)标记软质岩的种类为m种，第i种软质岩的饱和单轴抗压强度为R1i，第i种软质岩出露面积为A1i；标记硬质岩的种类为n种，第j种硬质岩的饱和单轴抗压强度R2j，第j种硬质岩出露面积为A2j；其中，m和n均为正整数，1≤i≤m，1≤j≤n。
(2)对于互层结构和夹层结构，按照下式计算综合饱和单轴抗压强度参数
Figure BDA0003173644870000032
Figure BDA0003173644870000033
再根据综合饱和单轴抗压强度参数
Figure BDA0003173644870000034
进行岩质类型划分。
(3)对于夹薄层结构，在需进行围岩分类洞段，取出露宽度占比较大的岩质类型的岩体饱和抗压强度作为综合饱和单轴抗压强度参数
Figure BDA0003173644870000035
再根据综合饱和单轴抗压强度参数
Figure BDA0003173644870000036
进行岩质类型划分。
例如，若
Figure BDA0003173644870000041
则划分为坚硬岩；若
Figure BDA0003173644870000042
则划分为中硬岩；若
Figure BDA0003173644870000043
则划分为较软岩；若
Figure BDA0003173644870000044
则划分为软岩。
S4.计算软硬相间陡倾岩体洞段的岩石强度评分A，
Figure BDA0003173644870000045
其中：A1为
Figure BDA0003173644870000046
对应岩质类型的岩石强度评分的下限，A2为
Figure BDA0003173644870000047
对应岩质类型的岩石强度评分的上限，R1为
Figure BDA0003173644870000048
对应岩质类型的饱和单轴抗压强度的下限，R2为
Figure BDA0003173644870000049
对应岩质类型的饱和单轴抗压强度的上限。
S5.确定软硬相间陡倾岩体洞段的围岩类别
根据由
Figure BDA00031736448700000410
确定的岩质类型，按照岩体完整性系数Kv、结构面性状特征、地下水特征和主要结构面产状特征，获得围岩完整性评分B、结构面状态评分C、地下水状态D、主要结构面产状评分E，计算围岩总评分T：T＝A+B+C+D+E，并根据总评分T确定围岩类别。
进一步的是：相间软硬相间陡倾岩体水电工程围岩分类方法还包括：S6.计算围岩强度应力比S，
Figure BDA00031736448700000411
其中：σm为围岩最大主应力；再以围岩强度应力比S为限定判据，判定是否需降低S5中确定的围岩类别。
本发明的有益效果是：本发明解决了软硬相间陡倾岩体在单一岩质类型的岩体厚度小于一个施工单元或结构衬砌单元时的围岩分类问题，提供了岩石强度评分的定量取值方法。本发明解决了软硬相间陡倾岩体的围岩分类结果要么过于保守，要么过于激进的技术问题，同时避免了岩石强度评分取值因人而异的问题。本发明可为具有该类地层结构特征的隧洞或地下洞室提供合理的围岩分类，为确定合理的施工开挖方案和系统支护设计方案提供依据。本发明源于现行规范，又高于现行规范，使围岩工程地质分类更科学合理和更具有可操作性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
我国西部某引水式电站是该流域水电规划一库六级方案中的第五级梯级电站，初拟在小沟河沟口下游400m处建闸坝，采用左岸引水至曼念吉冈沟沟口下游约200m的左岸I级阶地建厂发电。水库正常蓄水位为2215m，库容48.4万m3，引水线路长约11.06km，落差127m，装机容量172MW。
引水隧洞布置在河流左岸，全长11060.119m，平面上共设置5个转点，除第一个拐点转弯半径为150m外，其他拐点转弯半径均为300m。隧洞进口底板高程和调压井底板高程分别为2198.00m和2175.00m，隧洞纵坡i＝2.0869‰，引水隧洞马蹄形开挖马蹄形衬砌，过流断面尺寸为6.1m×7.8m(底宽×高)。
引水隧洞沿线出露的地层岩性主要为灰岩、硅质板岩、变质砂岩、板岩、千枚岩等。隧洞桩号5+740m～8+950m段岩性为变质砂岩、板岩和千枚岩，其中隧洞桩号6+455m～6+470m段岩性为变质砂岩与板岩相间出露，该段岩体完整性差，岩体完整性系数Kv＝0.4，无充填结构面，以平直光滑为主，地下水状态以渗水为主。按本发明的方法进行对隧洞桩号6+455m～6+470m段进行水电工程围岩分类，步骤如下：
S1.对隧洞工程区进行地质勘查，根据隧洞开挖揭示，隧洞桩号6+455m～6+470m段洞轴线方向为N38°E，岩性为变质砂岩和板岩，呈不等厚互层状出露，岩层产状为N67°W/NE∠70°～75°，产状基本稳定，隧洞轴线与岩层走向夹角为74°。
S2.对变质砂岩和板岩分别取样进行室内试验，并对其矿物成分、组成及含量进行测试。同时，分别测定变质砂岩和板岩的饱和单轴抗压强度。经测定,变质砂岩的饱和单轴抗压强度值为62.7MPa，板岩的饱和单轴抗压强度值为35.3MPa。
S3.进行结构类型划分。该桩号段内的变质砂岩和板岩相间出露，变质砂岩的单层出露宽度为0.8～1.2m，板岩单层出露宽度为0.7～1.5m。该洞段长15m，变质砂岩累计出露宽度7.824m，占洞段长度的52.16％；板岩累计出露宽度7.176m，占洞段长度的47.84％。按照前述的岩体结构类型划分方法，该洞段的岩体结构类型划分为互层结构。
S4.该桩号段内变质砂岩和板岩为互层结构，围岩的岩层产状稳定，隧洞断面为6.1m×7.8m(底宽×高)的马蹄形，隧洞边长26.315m，变质砂岩和板岩的饱和单轴抗压强度分别为62.7MPa和35.3MPa。按下式计算该段岩体的综合饱和单轴抗压强度参数
Figure BDA0003173644870000051
Figure BDA0003173644870000052
按照《水力发电工程地质勘察规范GB50287-2016》和《中小型水力发电工程地质勘察规范NB/T10336-2019》的相关规定，根据综合饱和单轴抗压强度参数
Figure BDA0003173644870000053
对应桩号段围岩的岩质类型划分为中硬岩。
S5.根据综合饱和单轴抗压强度参数
Figure BDA0003173644870000061
采用线性插值计算方法来计算岩石强度评分A。
Figure BDA0003173644870000062
上式中，按照S4提及规范，中硬岩对应的岩石强度评分为20～10，因此，A1为
Figure BDA0003173644870000063
对应岩质类型的岩石强度评分的下限，取值10；A2为
Figure BDA0003173644870000064
对应岩质类型的岩石强度评分的上限，取值20。同样的，中硬岩对应的饱和单轴抗压强度Rb的范围为60≥Rb＞30，因此，R1为
Figure BDA0003173644870000065
对应岩质类型的饱和单轴抗压强度的下限，取值30MPa；R2为
Figure BDA0003173644870000066
对应岩质类型的饱和单轴抗压强度的上限，取值60MPa。
S6.根据
Figure BDA0003173644870000067
确定的围岩的岩质类型为硬质岩中的中硬岩，按照《水力发电工程地质勘察规范GB50287-2016》和《中小型水力发电工程地质勘察规范NB/T10336-2019》的相关规定，结合现场岩体特征确定完整性评分B为16，结构面状态评分C为15，地下水状态D为-4、主要结构面产状评分E为0。围岩总评分T＝A+B+C+D+E＝15.2+16+15-4+0＝42.2，围岩类别为IV类。
S7.计算围岩强度应力比S，再以围岩强度应力比S为限定判据，判定是否降低S6确定的围岩类别。
Figure BDA0003173644870000068
上式中，σm为围岩最大主应力或围岩自重应力，本处为围岩最大主应力，取值为8MPa。判定是否降低围岩类别根据现有方法进行判断，例如根据《水力发电工程地质勘察规范GB50287-2016》中L.0.5的方法，S＝2.38＞2，因此围岩类别不降低，最终确定围岩类别定为IV类。
比较来看，对于上述工况，若按传统的单一岩体分类，分为两种情况。第一种情况，完全按变质砂岩进行围岩分类，确定围岩类别时，A＝20.8，B＝16，C＝15，D＝-6，E＝0，T＝A+B+C+D+E＝20.8+16+15-4+0＝47.8，围岩类别为III类。S＝3.14＞2，围岩类别不降低，最终围岩类别定为III类。第二种情况，完全按板岩进行围岩分类，确定围岩类别时，A＝11.8，B＝16，C＝12，D＝-8，E＝0，T＝A+B+C+D+E＝11.8+16+15-8+0＝34.8，围岩类别为IV类。S＝1.77＜2，围岩类别降低一级，最终围岩类别定为V类。

Claims (4)

1.软硬相间陡倾岩体水电工程围岩分类方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.对工程区进行地质勘查
对工程区内的软硬相间陡倾岩体进行宏观特征地质调查和室内试验，确定各种岩体的种类、矿物成分、组成、含量及出露情况，获取各种岩体的饱和单轴抗压强度。具体的：宏观特征地质调查包括各种岩体的产状、分布规律及延伸情况；
S2.对需进行围岩分类洞段的软硬相间陡倾岩体进行岩体结构类型划分
(1)软硬相间陡倾岩体中，若硬质岩累计出露宽度大于或等于软质岩累计出露宽度，划分方法为：①若软质岩的累计出露宽度与需进行围岩分类洞段长度的比值大于或等于1/3，划分为互层结构；②若软质岩的累计出露宽度与需进行围岩分类洞段长度的比值大于1/10、小于1/3，划分为夹层结构；③若软质岩的累计出露宽度与需进行围岩分类洞段长度的比值小于或等于1/10，划分为夹薄层结构；
(2)软硬相间陡倾岩体中，若硬质岩累计出露宽度小于软质岩累计出露宽度，划分方法为：①若硬质岩的累计出露宽度与需进行围岩分类洞段长度的比值大于或等于1/3，划分为互层结构；②若硬质岩的累计出露宽与需进行围岩分类洞段长度的比值大于1/10、小于1/3，划分为夹层结构；③若硬质岩的累计出露宽度与需进行围岩分类洞段长度比值小于或等于1/10，划分为夹薄层结构；
S3.计算软硬相间陡倾岩体的综合饱和单轴抗压强度参数
Figure FDA0003173644860000011
(1)标记软质岩的种类为m种，第i种软质岩的饱和单轴抗压强度为R1i，第i种软质岩出露面积为A1i；标记硬质岩的种类为n种，第j种硬质岩的饱和单轴抗压强度R2j，第j种硬质岩出露面积为A2j；其中，m和n均为正整数，1≤i≤m，1≤j≤n；(2)对于互层结构和夹层结构，按照下式计算综合饱和单轴抗压强度参数
Figure FDA0003173644860000012
Figure FDA0003173644860000013
再根据综合饱和单轴抗压强度参数
Figure FDA0003173644860000014
进行岩质类型划分；
(3)对于夹薄层结构，在需进行围岩分类洞段，取出露宽度占比较大的岩质类型的岩体饱和抗压强度作为综合饱和单轴抗压强度参数
Figure FDA0003173644860000015
再根据综合饱和单轴抗压强度参数
Figure FDA0003173644860000016
进行岩质类型划分；
S4.计算软硬相间陡倾岩体洞段的岩石强度评分A，
Figure FDA0003173644860000017
其中：A1为
Figure FDA0003173644860000021
对应岩质类型的岩石强度评分的下限，A2为
Figure FDA0003173644860000022
对应岩质类型的岩石强度评分的上限，R1为
Figure FDA0003173644860000023
对应岩质类型的饱和单轴抗压强度的下限，R2为
Figure FDA0003173644860000024
对应岩质类型的饱和单轴抗压强度的上限；
S5.确定软硬相间陡倾岩体洞段的围岩类别
根据由
Figure FDA0003173644860000025
确定的岩质类型，按照岩体完整性系数Kv、结构面性状特征、地下水特征和主要结构面产状特征，获得围岩完整性评分B、结构面状态评分C、地下水状态D、主要结构面产状评分E，计算围岩总评分T：T＝A+B+C+D+E，并根据总评分T确定围岩类别。
2.如权利要求1所述的软硬相间陡倾岩体水电工程围岩分类方法，其特征在于：S1中，宏观特征地质调查包括各种岩体的产状、分布规律及延伸情况。
3.如权利要求1所述的软硬相间陡倾岩体水电工程围岩分类方法，其特征在于：S3中，若
Figure FDA0003173644860000026
则划分为坚硬岩；若
Figure FDA0003173644860000027
则划分为中硬岩；若
Figure FDA0003173644860000028
Figure FDA0003173644860000029
则划分为较软岩；若
Figure FDA00031736448600000210
则划分为软岩。
4.如权利要求1、2或3所述的软硬相间陡倾岩体水电工程围岩分类方法，其特征在于：还包括：S6.计算围岩强度应力比S，
Figure FDA00031736448600000211
其中：σm为围岩最大主应力；再以围岩强度应力比S为限定判据，判定是否需降低S5中确定的围岩类别。
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CN106952003A (zh) * 2017-04-14 2017-07-14 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 高地应力区层状岩体地下洞室围岩破坏类型预测方法
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巴朗山深埋特长隧道主要工程地质问题剖析;谢勇谋;《西南公路》;20160915(第03期);全文 *

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