楊建明，馬肖波

（1.四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，四川 成都 610072；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

0 引 言

巖體完整程度的劃分是通過波速計(jì)算或裂隙統(tǒng)計(jì)得到的。測試巖石彈性縱波速度和統(tǒng)計(jì)出露的基巖面裂隙數(shù)量都會(huì)受到巖體卸荷的影響，同時(shí)也會(huì)受到機(jī)械擾動(dòng)、短時(shí)間風(fēng)化的影響，難以對(duì)圍巖類別作出正確評(píng)價(jià)。

全景圖像測試和鉆孔聲波波速測試是常見的物探技術(shù)方法，旨在獲取原位測試資料。全景圖像測試能以視覺方式獲取鉆孔孔壁巖層表面特征的原始圖像，鉆孔聲波波速測試能夠迅速、準(zhǔn)確地獲得巖體的波速值。使用這2種方法可獲取巖體在原位情況下的裂隙密度和巖體完整性系數(shù)KV值，對(duì)巖體的完整程度進(jìn)行分析，結(jié)合基巖的物理力學(xué)指標(biāo)預(yù)判圍巖類別。

1 裂隙統(tǒng)計(jì)

1.1 裂隙分類與區(qū)分

使用全景圖像獲取裂隙數(shù)據(jù)資料時(shí)，大多數(shù)裂隙在圖像中表現(xiàn)為一條近似平滑的曲線，圖像中的數(shù)值為測試中所對(duì)應(yīng)的深度值，裂隙通常的顏色與巖體本身顏色存在較大差異，見圖1。圖1中 “S”形曲線為裂隙，且深度17.7 m處白色 “S”形曲線實(shí)際為1條鈣質(zhì)膠結(jié)的裂隙。當(dāng)鉆孔貫穿或坐落于擠壓破碎帶、斷層時(shí)，圖像資料中裂隙就會(huì)表現(xiàn)得很發(fā)育，裂隙的形態(tài)特征、產(chǎn)狀不明顯，巖體多為碎塊狀，在鉆孔中也容易形成空腔，其全景圖像見圖2。進(jìn)行裂隙統(tǒng)計(jì)時(shí)需要將其獨(dú)立開，不作為統(tǒng)計(jì)的對(duì)象。

圖1 裂隙

圖2 破碎帶

根據(jù)全景圖像可知，大多數(shù)層積巖、部分火成巖及板巖等都有較多的層理面，層理面反應(yīng)了巖體的分層現(xiàn)象，其表現(xiàn)為成巖物質(zhì)的形狀、大小、成分、顏色的不同 （見圖3）。層理面也可能作為巖性變化的分界 （見圖4）。在裂隙統(tǒng)計(jì)時(shí)只將張開的層理面作張裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖3 板巖層理面

圖4 砂礫巖與泥巖層理面

1.2 裂隙分類統(tǒng)計(jì)

使用全景圖像處理軟件，將獲取的全景圖像中的每條裂隙的產(chǎn)狀、張開度進(jìn)行一一測量，同時(shí)根據(jù)分類原則預(yù)先設(shè)置好裂隙的分類參數(shù)，分類參數(shù)可設(shè)置為數(shù)字或字母加以區(qū)分，使用繪圖軟件導(dǎo)入測量的裂隙資料繪制得到全孔壁數(shù)字圖像裂隙分布圖 （見圖5），不同分類的裂隙將以不同的圖層反應(yīng)出來。根據(jù)圖示可以直觀地看出在不同深度裂隙的產(chǎn)狀、間距、張開度情況。

依照不同深度裂隙分布的密集程度對(duì)裂隙進(jìn)行分段，參數(shù)設(shè)置中將裂隙寬度、裂隙間距分別分5組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，裂隙寬度以小于1、1～3、3～5、5～10 mm和大于10 mm為分組數(shù)據(jù)，裂隙間距以小于0.1、0.1～0.3、0.3～0.5、0.5～1 m 和大于 1 m 為分組數(shù)據(jù)，最后根據(jù)各鉆孔的分段結(jié)果對(duì)各段裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到全孔壁裂隙分布統(tǒng)計(jì)圖，同時(shí)可以得到某一深度范圍內(nèi)裂隙的產(chǎn)狀、間距、寬度分布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及優(yōu)勢裂隙產(chǎn)狀及條數(shù)。

圖5 全景圖像裂隙分布

2 波速統(tǒng)計(jì)

為了能將聲波波速統(tǒng)計(jì)結(jié)果與巖體裂隙統(tǒng)計(jì)結(jié)果相互比較，根據(jù)聲波波速在不同深度的變化，將聲波波速統(tǒng)計(jì)分段參數(shù)按照裂隙統(tǒng)計(jì)的分段參數(shù)設(shè)置進(jìn)行分段。具體的統(tǒng)計(jì)方法為:首先將野外測試的聲波資料進(jìn)行處理，得到鉆孔不同深度的聲波波速值；再將得到的巖體波速分段后運(yùn)用計(jì)算軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，計(jì)算出不同深度范圍巖體波速的最大值、最小值和平均值，最終得到巖體完整性指數(shù)KV值。在進(jìn)行巖體完整性指數(shù)計(jì)算時(shí)，巖體彈性縱波速度Vpm使用各段巖體的平均波速值，巖石彈性縱波速度Vpt為巖塊波速。

3 工程實(shí)例

某鉆孔位置位于雅礱江上游某水電站，壩址區(qū)巖性為變質(zhì)砂巖夾砂板巖及極少的侵入型花崗巖，根據(jù)鉆孔中裂隙的分布將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分為2段。全景圖像裂隙統(tǒng)計(jì)見表1，全景圖像裂隙分布統(tǒng)計(jì)見圖6。圖表分析表明，第1段裂隙的平均間距為0.31 m，第2段的裂隙平均間距為0.85 m。對(duì)該區(qū)域巖體波速的長期測試結(jié)果表明，測試中得到了波速值6100～6200 m/s的連續(xù)波速，將巖塊波速設(shè)定為6200 m/s進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到鉆孔聲波波速 （見表2）。經(jīng)計(jì)算，第1段KV為0.71，第2段KV為0.86。

表1 全景圖像裂隙統(tǒng)計(jì)

表2 鉆孔聲波波速統(tǒng)計(jì)

上述分析可知，第1段裂隙間距在0.1～1 m之間分布較均勻，張開度以小于0.3 mm為主，最集中的方位角為 60°～90°、傾角為 60°～75°；第 2 段的裂隙的平均間距為0.85 m，間距大于1m的超過60%，間距大于0.5 m的超過80%，張開度以小于0.3 mm為主，最集中的方位角為290°～320°、傾角為 55°～70°。

已知了各孔段裂隙的平均間距與KV值，就能夠?qū)Ω鞫螏r體的完整程度做出判斷。第1段的裂隙間距為0.31 m，同時(shí)裂隙間距在0.1～1.0 m之間成均勻分布。根據(jù)裂隙分布情況，結(jié)合巖體完整程度的結(jié)構(gòu)面特征分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度情況，分析圖像中裂隙的結(jié)合程度，可知該段為較破碎～較完整巖體，同時(shí)根據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的KV值可知該段為較完整巖體。第2段裂隙間距為0.85 m，且間距大于1 m的占61.5%，同理可知該段為完整巖體。根據(jù)全景圖像資料，結(jié)合變質(zhì)砂巖、砂板巖本身的力學(xué)性質(zhì)較好、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，且砂巖本身抗風(fēng)化能力強(qiáng)，同時(shí)結(jié)合 《工程地質(zhì)手冊》中對(duì)圍巖類別的分類標(biāo)準(zhǔn)可知，第1段的巖體為III～I(xiàn)I類圍巖，第2段的巖體為II～I(xiàn)類圍巖。根據(jù)各條裂隙的產(chǎn)狀及極坐標(biāo)圖，也可對(duì)該區(qū)域巖體進(jìn)行應(yīng)力分析。

4 結(jié) 語

（1）裂隙統(tǒng)計(jì)與波速統(tǒng)計(jì)是在原位測試資料上進(jìn)行的，避免了單純的取芯鉆探對(duì)巖芯的卸荷作用及機(jī)械擾動(dòng)的影響，得出不同埋深下巖體完整程度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果更加符合工程實(shí)際。同時(shí)，2種方法的對(duì)比也能更好地驗(yàn)證結(jié)果的真實(shí)性。

圖6 全景圖像裂隙分布統(tǒng)計(jì)

（2）全景圖像采集的鉆孔孔壁巖層表面特征的原始圖像具有直觀性、真實(shí)性，容易劃分地層結(jié)構(gòu)，測試得到的裂隙產(chǎn)狀、張開度等數(shù)據(jù)更為可靠，特別是通過多鉆孔的測試資料可判斷斷層、破碎帶的發(fā)育規(guī)模及斷層面延展?fàn)顩r。

（3）對(duì)裂隙的統(tǒng)計(jì)能夠得到對(duì)大壩防滲及抗滑移設(shè)計(jì)影響較大的緩傾角裂隙的分布規(guī)律，對(duì)壩區(qū)防滲及抗滑移設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

（4）在邊坡開挖、大壩修筑過程中，通過裂隙與波速統(tǒng)計(jì)的對(duì)比，可以分析巖體在應(yīng)力變化時(shí)內(nèi)部的變形、破壞情況。

［1］GB 50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［2］沙椿，等.工程物探手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［3］左建.地質(zhì)地貌學(xué)［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［4］張有良，等.最新工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國知識(shí)出版社，2006.

［5］GB 50487—2008 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［6］劉佑榮，等.巖體力學(xué)［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2010.