壩基巖體巖石質(zhì)量指標(biāo)、波速和透水率的關(guān)系
——以青?，斍叩貐^(qū)瑪爾擋水電站為例

陳康達(dá)，宋彥輝,2*，巨廣宏，戎 娟，陳子玉

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.長安大學(xué) 西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 3.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

工程巖體質(zhì)量是復(fù)雜巖體工程地質(zhì)特性的綜合反映。它不僅客觀地反映了巖體結(jié)構(gòu)固有的物理力學(xué)特性，而且為工程穩(wěn)定性分析、巖體的合理利用以及正確選擇各類巖體力學(xué)參數(shù)等提供了可靠的依據(jù)。因此,巖體質(zhì)量評價(jià)是溝通巖體工程勘察、設(shè)計(jì)和施工的橋梁與紐帶[1]。在巖體質(zhì)量評價(jià)過程中，巖石質(zhì)量指標(biāo)、波速和透水率都是評價(jià)巖體質(zhì)量的主要指標(biāo)。從它們的含義及宏觀地質(zhì)規(guī)律而言，三者之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，如宏觀上巖石質(zhì)量指標(biāo)大者，波速也較大，而透水率較小。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，三者之間的相關(guān)關(guān)系有時存在一定的離散性。劉仰鵬等研究發(fā)現(xiàn)，巖石質(zhì)量指標(biāo)隨著孔深的增大而增大[2-3]；蔣小偉等也通過對某花崗巖體的研究，得出巖石質(zhì)量指標(biāo)總體上隨深度增大的規(guī)律，同時利用巖石質(zhì)量指標(biāo)估算出該花崗巖體的平均滲透系數(shù)，發(fā)現(xiàn)局部巖石質(zhì)量指標(biāo)和滲透系數(shù)隨深度變化的離散性很大[4]。Qureshi等發(fā)現(xiàn)在巖石質(zhì)量指標(biāo)大于25%情況下，可用巖石質(zhì)量指標(biāo)估算巖體的滲透系數(shù)[5]。Piscopo等研究發(fā)現(xiàn)局部巖石質(zhì)量指標(biāo)和透水率的相關(guān)性并不大[6]，因?yàn)閹r石質(zhì)量指標(biāo)并不包含巖體結(jié)構(gòu)面的連通性信息，而結(jié)構(gòu)面的連通性影響巖體的滲透性和完整性[7-8]。楊勇等也提出了可利用巖石質(zhì)量指標(biāo)估算滲透系數(shù)，其方法較為方便[9]。此外，受自重應(yīng)力場影響，巖體裂隙的發(fā)育、張開程度和深度之間存在對應(yīng)關(guān)系，從而引起透水率和深度之間存在對應(yīng)關(guān)系。大量試驗(yàn)研究[10-13]表明巖體的透水率隨著深度的增大而減小。Ku等得出滲透系數(shù)隨孔深呈冪函數(shù)曲線降低[14]。Chen等利用單軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M了深度對波速大小影響的3個階段，得出波速隨著上覆應(yīng)力的增大先增大而后趨于穩(wěn)定的變化趨勢[15]。吳世斌等以金沙江白鶴灘水電站泄洪洞圍巖為研究對象，得出在不同類型的巖體中波速與孔深的相關(guān)性存在很大差異[16]。孫淵等也研究發(fā)現(xiàn)，波速隨深度整體上呈階梯狀增加[17]。李景山等關(guān)于波速與透水率之間的關(guān)系研究表明，對于巖性比較單一的壩基巖體，巖體的波速和透水率之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系[18]。

本文通過對青?，斍叩貐^(qū)瑪爾擋水電站河床壩基上6個鉆孔(ZK165、ZK166、ZK169、ZK171、ZK172和ZK174)實(shí)測得到的鉆孔深度的巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、縱波波速(V)以及透水率(ω)進(jìn)行分析，通過Origin軟件使用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，分別探討巖石質(zhì)量指標(biāo)、透水率和深度的關(guān)系及三者之間的對應(yīng)關(guān)系。

1 工程地質(zhì)概況

瑪爾擋水電站壩址位于青海省瑪沁縣拉軍鎮(zhèn)上游約5 km的黃河干流上。按規(guī)劃設(shè)計(jì)，瑪爾擋水電站為堆石壩。工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型工程，主要建筑物為1級，次要建筑物為3級，是一座以發(fā)電為主的大型水電樞紐工程[19]，正常蓄水位為3 270 m。

壩址區(qū)出露的地層巖性為：①中—上三疊統(tǒng)，巖性為灰—灰綠—灰黑色中細(xì)粒變質(zhì)砂巖、長石石英砂巖、鈣質(zhì)細(xì)砂巖，偶夾砂質(zhì)板巖，整體屬區(qū)域變質(zhì)巖(輕度)，靠近侵入接觸帶部位，由于疊加接觸熱變質(zhì)作用，變質(zhì)程度加深，其間穿插有侵入巖脈(二長巖脈、細(xì)晶巖脈和石英脈)；②中生代侵入巖，巖性為灰白色似斑狀二長巖(πγ5)，與三疊系地層呈侵入接觸關(guān)系，接觸面工程性狀較好；③第三系，與三疊系地層及中生代侵入巖呈沉積接觸，主要巖性為紫紅色黏土巖(Rb)、礫巖、角礫巖和泥質(zhì)粉砂巖，少量砂巖和泥巖等；④第四系，主要為兩岸緩坡處坡積和河床沖積砂礫石。根據(jù)河心鉆孔揭露情況，河床覆蓋層不厚，為2～5 m。

根據(jù)地表出露、鉆孔及平硐揭露，似斑狀二長巖與變質(zhì)砂巖侵入接觸帶結(jié)合良好，分布上基本沿右岸壩址下游—左岸壩址上游斜向分布(NW—SE向)。根據(jù)初步勘探，侵入巖向地下深處有擴(kuò)大趨勢；從地表看，兩種堅(jiān)硬巖石構(gòu)成的壩址峽谷在岸邊分布最高，基巖面向兩岸遠(yuǎn)處及上、下游均呈逐漸下降趨勢。工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 青?，斍叩貐^(qū)瑪爾擋水電站工程地質(zhì)剖面Fig.1 Engineering Geological Profile of Ma’erdang Hydropower Station in Maqin Area of Qinghai

根據(jù)鉆孔描述，河床壩基巖體的巖性比較單一，50 m深度上以似斑狀二長巖、第三系礫巖為主，50 m深度下以變質(zhì)砂巖等堅(jiān)硬巖為主。

2 壩基鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)及對應(yīng)性處理

2.1 獲取方法

通過瑪爾擋水電站河床壩基6個鉆孔(ZK165、ZK166、ZK169、ZK171、ZK172、ZK174)的實(shí)測數(shù)據(jù)，得到每個鉆孔不同深度的縱波波速、透水率以及巖石質(zhì)量指標(biāo)。鉆孔波速測試采用RS-ST01C型數(shù)字聲波儀，探頭采用一發(fā)雙收換能器，采樣間隔為0.8～1.0 μs，記錄點(diǎn)間距為20 cm；透水率由鉆孔壓水試驗(yàn)獲得，大約每5 m為一試驗(yàn)段；巖石質(zhì)量指標(biāo)則是運(yùn)用XY-100型鉆機(jī)取直徑為75 mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖石中鉆進(jìn)的每個回次統(tǒng)計(jì)值，回次尺寸從幾十厘米到幾米不等。

2.2 對應(yīng)性處理

為獲得各鉆孔同一深度段不同測試指標(biāo)的相互關(guān)系，需要解決各實(shí)測數(shù)據(jù)在深度上的對應(yīng)問題。圖2為同一深度段透水率與多個巖石質(zhì)量指標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 同一深度段透水率與多個巖石質(zhì)量指標(biāo)Fig.2 Permeability and Multiple RQDs at the Same Depth

根據(jù)圖2，求出同一深度段巖石質(zhì)量指標(biāo)為

(1)

式中：Q為巖石質(zhì)量指標(biāo)；Qi為Xi到Xi+1之間的巖石質(zhì)量指標(biāo)，i=1,2,3；Xi為深度，i=1,2,3,4。

在同一深度段內(nèi)，每20 cm測得一個縱波波速，在進(jìn)行地質(zhì)分析時刪去異常高值或低值后，取該深度段波速的算術(shù)平均值作為對應(yīng)性替換進(jìn)行分析研究。

3 巖石質(zhì)量指標(biāo)、透水率和深度的關(guān)系

3.1 巖石質(zhì)量指標(biāo)和深度的關(guān)系

圖3 巖石質(zhì)量指標(biāo)隨深度的變化Fig.3 Variation of RQD with Depth

取每個回次深度的下限深度對應(yīng)該回次的平均巖石質(zhì)量指標(biāo)，分析其隨深度的變化。由圖3可知，同一深度的巖石質(zhì)量指標(biāo)差異較大，但整體上隨深度的增加呈線性帶狀增大。帶狀區(qū)域上、下限的線性關(guān)系分別為

式中：h為鉆孔深度。

由于河床壩基開挖前，巖體處于一定應(yīng)力狀態(tài)，并與周圍巖體以應(yīng)力的形式互相制約并達(dá)到平衡。隨著河流的下切，地表上覆巖體不斷被剝蝕，使河床巖體發(fā)生卸荷回彈[20]。在這一過程中，臨空面表部巖體應(yīng)力釋放(相當(dāng)于給臨空面附近巖體施加了一種拉張力)勢必導(dǎo)致表部巖體沿已有結(jié)構(gòu)面拉張變形，并可產(chǎn)生新的卸荷節(jié)理；隨深度增加，卸荷作用減弱，新生節(jié)理隨之減少，相應(yīng)巖石質(zhì)量指標(biāo)整體增大。對于瑪爾擋水電站河床壩基來說，由于巖性主要為似斑狀二長巖及變質(zhì)砂巖，屬堅(jiān)硬巖，巖體儲存的彈性應(yīng)變能高，所以卸荷裂隙顯著。伍法權(quán)等的研究也表明，巖體的卸荷風(fēng)化變形破壞能導(dǎo)致巖體完整性的顯著降低[21-23]；裴書鋒等通過對高邊坡壩基柱狀節(jié)理玄武巖開挖卸荷時效松弛特性的研究，也發(fā)現(xiàn)巖體質(zhì)量與孔深關(guān)系密切[24]。

3.2 透水率和深度的關(guān)系

瑪爾擋水電站河床壩基某個深度段的透水率(ω)對應(yīng)該回次的下限深度，舍去異常值，將6個鉆孔的透水率、深度進(jìn)行擬合，得到透水率隨深度的變化(圖4)。

圖4 透水率隨深度的變化Fig.4 Variation of Permeability with Depth

透水率和深度具有較好相關(guān)性，隨著深度增加，透水率減小。總體上，透水率隨深度的變化可用冪函數(shù)曲線來表示，其函數(shù)關(guān)系為

ω=410.7h-1.299R2=0.553

(4)

式中：R2為判定系數(shù)。

以鉆孔ZK165和ZK166為例分析單個鉆孔的透水率和深度之間的關(guān)系(圖5、6)。由圖5、6可以看出，單個鉆孔巖體透水率和深度亦具有較好的冪函數(shù)相關(guān)性。

圖5 鉆孔ZK165透水率隨深度的變化Fig.5 Variation of Permeability of Borehole ZK165 with Depth

圖6 鉆孔ZK166透水率隨深度的變化Fig.6 Variation of Permeability of Borehole ZK166 with Depth

鉆孔ZK165和ZK166巖體透水率和深度的函數(shù)關(guān)系分別為

圖7 平均透水率隨深度的變化Fig.7 Variation of Average Permeability with Depth

取6個鉆孔同一深度的巖體透水率幾何平均值，并舍去個別異常值后，得到平均透水率和深度的擬合曲線，如圖7所示。

6個鉆孔同一深度的透水率幾何平均值與深度也呈明顯的冪函數(shù)關(guān)系。其表達(dá)式為

ω=1 329.192h-1.599R2=0.881

(7)

受自重應(yīng)力的影響，巖體裂隙的閉合度和深度之間存在相關(guān)性，從而引起透水率和深度之間存在相關(guān)性。隨著深度的增加，巖體裂隙與結(jié)構(gòu)面的頻數(shù)也變低。同時，上覆巖體不斷被剝蝕而使得河床巖體發(fā)生卸荷，導(dǎo)致原處于天然狀態(tài)下的巖體上覆應(yīng)力釋放，從而使得巖體裂隙的閉合程度發(fā)生變化，即閉合度變低。因此，隨著深度的增加，巖體的透水率降低。

綜上所述，瑪爾擋水電站河床壩基巖體透水率與深度具有較好的相關(guān)性，即隨深度增大，透水率呈冪函數(shù)曲線下降。

4 巖石質(zhì)量指標(biāo)、縱波波速、透水率的相互關(guān)系

4.1 巖石質(zhì)量指標(biāo)和縱波波速的關(guān)系

對鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)性處理后，舍去異常值，分析巖石質(zhì)量指標(biāo)和縱波波速(V)的關(guān)系(圖8)。由圖8可知，巖石質(zhì)量指標(biāo)和波速的對應(yīng)性較差。其主要有兩種原因：一種是傳統(tǒng)巖石質(zhì)量指標(biāo)的不足，不能完全反映巖體中的裂隙發(fā)育情況，也不能反映結(jié)構(gòu)面的張開度；另一種是硬性緊閉結(jié)構(gòu)面的影響，硬性緊閉結(jié)構(gòu)發(fā)育孔段雖然巖體較為破碎，巖石質(zhì)量指標(biāo)較低，但巖體波速較高，造成巖石質(zhì)量指標(biāo)與波速對應(yīng)較差。

圖8 巖石質(zhì)量指標(biāo)和波速的關(guān)系Fig.8 Relationship Between RQD and Wave Velocity

盡管如此，隨著巖石質(zhì)量指標(biāo)的增高，波速總體上有呈線性帶狀增大的趨勢。帶狀區(qū)域上、下限的線性關(guān)系分別為

4.2 巖石質(zhì)量指標(biāo)和透水率的關(guān)系

根據(jù)本文給出的數(shù)據(jù)處理方法，求出每個透水率深度段的加權(quán)平均巖石質(zhì)量指標(biāo)，得到巖石質(zhì)量指標(biāo)和透水率的關(guān)系(圖9)。從圖9可見，兩者的離散性較大，但隨著巖石質(zhì)量指標(biāo)增大，透水率整體上有減小趨勢。巖石質(zhì)量指標(biāo)和深度以及透水率和深度都有很好的相關(guān)性，可以推測巖石質(zhì)量指標(biāo)均值和透水率均值之間有很好的相關(guān)性。

圖9 巖石質(zhì)量指標(biāo)和透水率的關(guān)系Fig.9 Relationship Between RQD and Permeability

圖10給出了6個鉆孔的巖石質(zhì)量指標(biāo)均值和透水率均值的擬合曲線，其中巖石質(zhì)量指標(biāo)取算術(shù)平均值，透水率取幾何平均值。由圖10可知，透水率的幾何平均值和巖石質(zhì)量指標(biāo)的算術(shù)平均值成負(fù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性較好。兩者關(guān)系為

ω=6.378-3.708×10-7Q3.832R2=0.635

(10)

圖10 巖石質(zhì)量指標(biāo)算術(shù)平均值和透水率幾何平均值的關(guān)系Fig.10 Relationship Between Arithmetic Mean of RQD and Geometric Mean of Permeability

5 結(jié) 語

(1)隨著深度的增加，青?，斍叩貐^(qū)瑪爾擋水電站河床壩基巖石質(zhì)量指標(biāo)整體上呈增加趨勢，上、下限明顯，其表達(dá)式分別為Q=0.488h+67.886和Q=0.309h+2.319。

(2)隨著深度增加，瑪爾擋水電站河床壩基巖體透水率呈冪函數(shù)曲線減小，其中同一深度透水率幾何平均值與深度之間具有良好的相關(guān)關(guān)系，即ω=1 329.192h-1.599。由于瑪爾擋水電站河床壩基巖體多屬堅(jiān)硬巖，所以可得出堅(jiān)硬巖體透水率幾何平均值與深度之間具有良好的相關(guān)性。

(3)巖石質(zhì)量指標(biāo)與波速成線性正相關(guān)關(guān)系，但離散性較大，上、下限關(guān)系分別為V=40.493Q+3 612.9和V=32.458Q+1 822.6。

(4)巖石質(zhì)量指標(biāo)的算術(shù)平均值與透水率的幾何平均值成良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即ω=6.378-3.708×10-7Q3.832。