白鹤滩水电站多层位复杂介质坝基岩体结构特征及岩体质量分级研究

摘要

白鹤滩水电站层位众多、岩性复杂，建基岩体直接利用层位包含亚层9 层、岩性小层50层，主要岩性有：斜斑玄武岩、含斑玄武岩、隐晶玄武岩、微晶玄武岩、柱状节理玄武岩、杏仁玄武岩、含杏仁玄武岩、角砾熔岩、凝灰岩等近11种，介质类型体系复杂。不同岩性岩体在表观块度、纵波波速、力学性质等多个方面出现非常明显的差异，最为明显的是柱状节理玄武岩和角砾熔岩，表观结构与力学属性反差巨大，按现行规范或通用方法划分岩体结构和岩体质量，力学属性最好的柱状节理玄武岩被判定为坝基最差的岩体，而力学性质最差的角砾熔岩却成为坝基最好的岩体，划分结果不能反映岩体真实的工程地质性质。同时，众多的层位、复杂的岩性、不同岩性岩体各方面性质明显的差异，使坝基岩体在岩体结构划分、岩体质量评价及力学参数取值等方面遇到了较大的难题和挑战，对这种多层位、多岩性复杂坝基岩体开展工程地质评价，准确表征表观结构与力学性质反差巨大的岩体真实的工程地质条件，研究在理论和工程实践上均具有重要意义。论文以白鹤滩水电站多层位、多岩性的坝基岩体为研究对象，重点开展复杂坝基岩体岩体结构划分和岩体质量评价的研究，主要取得了以下成果：
　　 (1)通过分析坝基多层位、复杂岩性、结构体特性与结构面发育程度差异明显的岩体基本特征，在现场大量结构面调查、声波测试、现场及室内试验的基础上，论述分析了当前单一块度指标划分岩体结构的有关问题，以及结构体性质和结构面效应对岩体结构的影响，确定了岩体结构划分的参评因素和主要指标，并针对坝址区岩体岩性多样、结构体性质差异明显、本底波速不同的典型特征，创新性的提出了完整程度划分指标—同质完整性系数和不同结构类型的统一比较指标—标准结构系数，建立了考虑结构体性质和结构面效应的岩体结构划分方案，划分结果能够准确体现表观结构与力学性质反差巨大的岩体真实的工程地质条件。
　　 (2)对坝基岩体风化、卸荷特征进行了研究，采用波速比、单元面积裂隙总条数和现场判断等定性定量指标对坝基岩体水平和铅直两个方向进行了风化分带，分析了不同岩性岩体的风化特点；利用张开结构面数量和钻孔吕荣值对坝基岩体开展了卸荷带划分。
　　 (3)现场开展了数量较多的岩体变形试验，重点研究了柱状节理玄武岩变形特征，并综合不同岩性岩体中开展的原位波速同步、应力同向变形试验，获得了相关性良好的岩体纵波波速与模量的关系式。
　　 (4)统计分析结构体性质、岩体纵波波速、结构面间距、单元面积裂隙条数等岩体特征指标，对特征指标一致或接近的岩体视为有效相近岩体，据此对坝基11种岩性进行综合处理，合并为杏仁玄武岩、隐晶玄武岩、柱状节理玄武岩和角砾熔岩这四个类似岩性层。
　　 (5)根据坝基岩体的典型特征，确定了岩体质量分级的主要参评因素及量化指标为岩体结构、风化、卸荷、结构体强度、刚度、岩体纵波波速、洞壁地震波纵波波速、变形及强度参数，建立了岩体质量划分方案。
　　 (6)采用类似岩性层资料共享和联用的方法，根据岩级划分方案对坝基50层小层(岩性层）岩体岩级进行了划分，在此基础上对小层岩体进行并层处理，利用理论公式计算获得了并层后大层(岩流层亚层）岩体的综合模量和综合波速，最终对大层岩体开展了岩级划分。
　　 (7)论文通过建立的相关关系式对各小层不同岩级的岩体力学参数进行了取值，并根据理论公式对并层后大层岩体不同岩级开展了力学参数取值研究。
　　 (8)从岩体结构、风化、卸荷、岩体质量等多个方面对坝基岩体工程地质条件进行评价，并按岩体质量分级结果确定了建基面位置。