（地质工程专业论文）洪口水电站坝址区风化岩体工程地质研究及建基面的合理优化.pdf

摘要 摘要 岩体的风化规律以及风化岩体的分带研究直以来都是工程地质勘察的重 要内容之一。通过岩体风化分带研究可以选取工程可利用岩体，确定经济合理的 建基面，减少不必要的开挖量，节省工程投资，缩短工期，具有较好的经济效益 和社会效益。 本文以福建宁德洪口水电站坝基岩体为研究对象，进行岩体的风化规律及风 化分带研究，根据研究成果建立数学模型进行稳定性分析，最后得到经济合理的 建基面高程。 岩体的物理力学参数是反映岩体风化程度的定量指标，本文统计了国内部分 已建水利水电工程的风化岩体参数，并运用数学方法进行拟合。结果表明，岩体 物理力学参数在垂直分布上，除了地质构造的存在和岩性的突变，一般有着由弱 变强、由差变好的规律。坝址区岩体参数垂直分布特征可以用线性函数和二项式 函数来模拟，并且二项式拟合结果要好于线性拟合，但线性分析也能满足一般的 统计和工程要求。 本文分别运用多元分割法和模糊综合评判法对洪口水电站坝址区岩体进行 风化分带，通过两种方法的比较获得了比较理想的分带结果，避免了风化分带定 性方法和运用单一指标分带方法中对岩体风化分带在经验上的依赖性。 最后，本文利用对洪口水电站坝址区岩体风化规律和风化分带的研究成果， 建立模型，运用a n s y s 软件进行计算。通过比较分析，确定以福建水利水电勘 测设计研究院建议的建基面以上1 m 为安全经济合理的建基面。 关键词：风化岩体多元分割模糊综合评判a n s y s 建基面选取 弼海火学申请硕士学位论文 a b s t r a c t t h e s t u d yo fw e a t h e r i n gl a w o fr o c km a s sa n dt h ez o n i n gw e a t h e r i n gr o c k sa r e t h ei m p o r t a n tm a t t e r so ft h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o s p e c t i n g n l es t u d yo fz o n i n g w e a t h e r i n g r o c k sc a l lc h o o s et h eu t i l i z a b l er o c km a s si n e n g i n e e r i n g ，c o n f i r m e c o n o m i cr a t i o n a l l yd a mr o u n d i o ns u r f a c e ，r e d u c em m e c e s s a r ye x c a v a t i o n ，s a v e e n g i n e e r i n g i n v e s t m e n t s ，s h o r t e nt i m e l i m i tf o rt h e p r o j e c t ，a n d i th a v eb e t t e r e c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t s t h e w e a t h e r i n gl a wa n dz o n i n gw e a t h e rr o c k so f t h ef o u n d a t i o nr o c k1 1 2 a s so f t h eh o n g k o uh y d r o p o w e rs t a t i o no fn i n g d ei nf u j i a nh a sb e e nr e s e a r c h e di nt h i s a r t i c l e ，t h em a t h e m a t i c sm o d e la c c o r d i n gt or e s e a r c hr e s u l t sh a sb e e ns e tu pa n d a n a l y z e di t ss t a b i l i t yi nt h i sa r t i c l e ，i tr e c e i v ee c o n o m i cr a t i o n a lh e i g h to f t i l ed a m f o u n d a t i o ns u r f a c ef i n a l l y t h ep h y s i c sa n dm e c h a n i c sp a r a m e t e r so ft h er o c km a s sa r et h eq u a n t i t a t i v e i n d e x e st or e f l e c tt h ew e a t h e r i n gd e g r e eo f r o c km a s s p a r t so f w e a t h e r i n gr o c km a s s p a r a m e t e ro fc o m p l e t e dw a t e rr e s o u r c e sa n dh y c h o p o w e re n g i n e e r i n ga th o m eh a s b e e ns t a t i s t i ca n df i tu s i n gm a t h e m a t i c sm e t h o di nt h i sa r t i c l e t h er e s u l ts h o w st h a t t h er o c km a s sp h y s i c sa n dm e c h a n i c sp a r a m e t e r si s g e n e r a l l yc h a n g ef r o mw e a kt o s t r o n g ，b yt h el a ww h i c h b e c o m ew e l lo fd i f f e r e n c ei nd i s t r i b u t i n gv e r t i c a l l ye x c e p t e x i s t e n c eo ft h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dr o c ks u d d e nc h a n g e t h ec h a r a c t e r i s t i co f d i s t r i c tr o c km a s sp a r a m e t e ri nd a ms i t ec a nb ef i t b yl i n e a rf u n c t i o na n db i n o m i a l f u n c t i o n t h eb i n o m i a lf i t t i n gi sb e t t e rt h a nt h el i n e a r f i t t i n g b u t t h el i n e a rf u n c t i o n a n a l y s e sc a n m e e t g e n e r a ls t a t i s t i c sa n de n g i n e e r i n gd e m a n d t h e m u l t i p l e xc u t t i n gm e t h o da n df u z z yi n t e g r a t i o nj u d g m e n tl a ww e a t h e r h a s b e e nu s e dt oz o n i n gt h er o c km a s si nd a ms i t eo f h o n g k o uh y d r o p o w e rs t a t i o na n d o b t a i n e di d e a lz o n i n gr e s u l tt h r o u g hc o m p a r i n gt h et w ok i n d so fm e t h o d si nt h i s a r t i c l e i ta v o i d e dt h ed e p e n d e n c et ot h ee x p e r i e n c eo ft h eq u a l i t a t i v em e t h o da n d u s i n gs i n g l ei n d e xm e t h o d f i n a l l y , m o d e l sh a sb e e ns e tu pu s i n gr e s e a r c hr e s u l t so f t h el a wo fr o c km a s s w e a t h e r i n ga n d t h es t u d yo f z o n i n gw e a t h e r i n gr o c k so fh o n g k o uh y d r o p o w e rs t a t i o n a n dc a l c u l a t i n gu s i n gi nt h i sa r t i c l e ，t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i si tc o n f i r m e dt h e d a mf o u n d a t i o ns u r f a c ew h i c ho n em e t e r h i 出t h a nf u j i a nr e s e a r c hi n s t i t u t eo f r e c o n n a i s s a n c ea n d d e s i g np r o p o s e d a se c o n o m i ca n dr a t i o n a ld a mf o u n d a t i o n s u r f a c e k e y w o r d s ：w e a t h e r i n g r o c km a s s m u l t i p l e xc u t t i n gf u z z y i n t e g r a t i o nj u d g m e n t a n s y s c h o o s i n gd a m f o u n d a t i o ns u r f a c e l i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题依据及研究意义 当前，我国水电开发处于前所未有的黄金时期，开发水电资源有着巨大的经 济效益和社会效益。我国水电资源居世界首位，可开发量为3 7 8 亿k w ，但是 到本世纪开始仅开发了2 2 左右，远低于一般发达国家的开发水平。我国的水 电资源主要集中在西南部地区。西南部地区不仅有丰富的水电资源，还有丰富的 矿产资源和其它资源，尽早开发西部水电资源可带动西部矿产资源开发及地区经 济发展，也必将促进全国经济持续发展。 随着我国水电资源的开发，将要修建众多的巨型高坝与水电站工程，因此， 国内高坝工程建设与筑坝技术在本世纪将面临新的机遇与挑战，也将在现代高坝 科学技术理论与应用方面登上新的高峰。目前国内在建或拟建的大型水利工程有 长江三峡、溪洛渡、向家坝、构皮滩、瀑布沟、黄河古贤、大柳树、珠江龙滩、 澜沧江小湾、糯扎渡等。这些工程往往是调节性能较好，能提高本身和下游各梯 级的供水、防洪和发电作用，效益十分巨大。这些工程不仅有利于改善所在地区 的水资源及水电资源的开发状况，并对下游的防洪、供水、发电都有好处，而且 对改善生态环境和社会经济等各方面都有十分巨大的影响。大型水利水电工程的 主要特点是：坝高库大，泄洪流量大，地质条件复杂，基础处理难度大，地下厂 房机组容量大。 在工程地质方面，大型水利水电工程的主要特点有： ( 1 ) 由于科学技术及社会发展水平的局限，人类现在通过各种工程建设对 地表岩土体的改造只是在地表以下几十米至几百米范围内； ( 2 ) 工程影响范围内的岩土体在颜色、光泽、矿物变异情况、岩石结构、 裂隙发育程度及充填情况和地下水的渗透性等方面都不尽相同，造成这些差异的 主要原因就是风化作用等外生营力的影响； ( 3 ) 浅表地层岩土体的工程地质研究实际上就是研究这范围的岩土体的 工程利用和工程改造问题。具体讲就是研究工程岩体的风化分带问题，以及不同 风化带岩体的各种物理力学性质，确定合理基岩利用高程。亦即研究坝体的建基 面是否完全需要放在新鲜岩体或微风化岩体上，弱风化岩体可否利用，是否需要 处理等： ( 4 ) 风化岩体的工程地质研究对于工程设计、岩体开挖、岩体质量分级、 建基面选取等具有重要意义。 河海大学申请硕士学位论文 因此，岩体的风化规律以及不同风化岩体的分带研究一直以来都是工程地质 勘察的重要内容之一。1 9 8 7 年1 1 月在无锡召开的水利水电工程地质情报网第二 届网员大会上，部分专家提出“风化岩体分类研究及风化岩石的应用问题”是水 电工程地质今后发展方面的十大课题中的第一大课题。据地学年谱记载：1 7 6 3 年，俄国的罗蒙诺索夫出版了论地层一书，书中涉及地表受到内外营力作用 的思想，其中就包括对风化作用的认识。在新中国建立初期，坝工工程界对于风 化岩体的研究只是限于建立了风化岩和利用岩两个概念，并规定风化岩要挖除， 利用岩可作为坝基。在当时的生产实践中，专家们则依据各自的工程经验和感性 认识，予以定性评价和决断。上世纪5 0 年代后期至7 0 年代后期，随着水电工程 建设的发展，大坝越来越高，坝基地质条件也更加复杂化，对风化岩体也按风化 程度不同划分等级，如全风化、强风化、弱风化、微风化和新鲜岩体。对风化岩 体等级的划分依据，除了工程经验和感性描述外，还考虑了岩体的物理力学性质 指标，例如风化矿物、重度、抗压强度、变形模量、纵波波速和渗透性等。 实际上，国内外不少专家、学者和工程技术人员，已经从工程实际出发，对 风化岩体进行了深入细致的研究，形成了较强的现场判断能力和室内资料的分析 能力，积累了大量的理论及实践经验，为风化岩体的工程地质研究提供了大量的 素材。但同时也应该看到，由于不同的工程技术人员针对不同的工程所关心的角 度不同，各种期刊专著中对风化岩体的研究常常带有一定的片面性和局限性，有 的仅研究坝址区岩体、有的仅从定性角度或定量角度出发、有的仅研究风化速度 的变化、有的仅研究化学成分的变化，很难见到对风化岩体的系统性的研究。如 果对风化岩体的特征和规律认识不足，就容易导致工程设计与施工处理的不合 理，造成不必要的损失或浪费，增加了投资，延缓了工期，甚至对工程造成潜在 威胁。另外，虽然对风化岩体的研究有一定的成果，但并没有被运用的工程实践 当中，1 9 9 9 年8 月1 日由国家质量技术监督局与建设部联合颁布实施的水利 水电工程地质勘察规范( g b 5 0 2 8 7 - - 9 9 ) 1 2 1 中对于岩体风化带的划分依据主要 停留在定性描述上，对定量研究仅列风化岩体的纵波波速与新鲜岩体的纵波波速 比一项指标，比以前的老规范并没有明显的改进。 鉴于此，本文对风化岩体的特性及工程应用作些尝试性的研究工作。本论 文研究的主要岩体为福建洪口水电站坝址区的流纹岩。 洪口水电站位于福建省宁德市霍童溪中游( 见图1 1 ) ，是霍童溪干流梯级 开发的第六级水电站，坝址位于洪1 2 1 乡下游1 3 k r n 峡谷处，坝址以上全河道长 8 6 3 k m ，流域面积1 7 0 1 k m 2 ，多年平均径流量2 0 5 3 亿m 3 。预可行性研究阶段电 站装机容量2 0 0 m w ，多年平均年发电量4 5 7 亿k w h 。水库正常蓄水位1 6 5 0 m ， 总库容4 5 7 亿m 3 ，调节库容2 0 4 亿m 3 ，库容系数1 1 0 1 ，拦河坝最大坝高1 3 0 m ， 第一章绪论 图1 1 洪口水电站埙址区地貌图 为不完全年调节水库。洪口水电站坝址区分布着坚硬的流纹岩，岩体性质较好， 基岩具有硬、脆的特点，表面为全风化带和强风化带。风化流纹岩物理力学特性 较好，经过风化分带研究，确定合理的建基面及清除范围，在保证工程安全和稳 定的前提下，对于减少工程量和节约投资具有重要的意义。对坝址区可利用岩体 的工程地质条件进行分析、评价对工程决策等都有很重要的意义，其研究成果对 今后水利水电建设项目有较好的参考作用。 1 2 国内外风化岩体研究现状 岩体按风化程度的不同，一般划分为5 个带，从上到下分别为：全分化、强 风化、弱风化、微风化、未风化。但是，不同部门和不同的研究者有着不同的分 带方法。国内外工程地质界对风化岩体的划分方法可归结为以下三个方面： ( 1 ) 以定性方法为主的风化分带研究： ( 2 ) 以单一特征指标对岩体风化分带的研究： ( 3 ) 以定量方法为主的岩体风化分带的研究。 1 2 1 以定性方法为主的风化分带研究 这种方法是从风化岩的地质特征出发，以经验判断为主进行岩体的风化分 带。 孔德坊教授在其主编的工程岩土学( 1 9 9 0 ) 0 6 教材中从化学风化、物理 风化、岩体的动弹性、强度四个方面定义了岩体风化标志的七个方面： 河海大学申请硕士学位论文 ( 1 ) 岩石的颜色； ( 2 ) 矿物的色泽； ( 3 ) 矿物成分的变异； ( 4 ) 不等维矿物的弹性退化； ( 5 ) 岩体的破碎程度； ( 6 ) 用地质锤敲击的反响； ( 7 ) 手捏强度。 虽然上述指标对岩体风化程度的划分比较粗略，但是比较全面的反映了风化 岩体在野外所表现出来的特征。 在国内，风化岩体定性分带的依据主要是国家标准岩土工程勘查规范 ( g b 5 0 0 2 1 - - 2 0 0 1 ) 【1 1 】，水利水电工程地质勘查规范( g b 5 0 2 8 7 9 9 ) 【”1 。 根据这些规范和我国一些大型水利水电工程的实践经验，将岩体定性分带方法的 风化特征归纳为表1 1 。 表1 1 岩体风化分带特征 风化带特征 岩石完全变色，光泽消失。除石英外，其余矿物都已蚀变为绿泥石、绢云母、 盐类及粘土等次生矿物。岩石结构完全破坏，已崩解成松散的土状或砂状， 全风化 外观保持岩体状态，裂隙异常发育。结构面大部分为泥质或次生残积物充填。 涌水严重，锤击声哑，有松软感，手可捏碎，用锹可挖。 岩石表面大部变色，只有岩块的中心还保持原色。矿物蚀变严重，黑云母多 蛭石化或变为绿泥石、长石商岭石化、角闪石绿泥石化。岩石结构大部分破 强风化坏，部分崩解或分解为土状，外观保持原岩的结构。裂隙很发育，张开、有 充填，锈膜片状或网状。结构面一部分无充填，一部分为泥质和风化碎屑充 填。涌水。锤击声哑，易碎，用镐可挖，坚硬部分需爆破。 岩石表面和裂隙面大部分变色，矿物蚀变明显，部分黑云母呈金黄色，部分 长石微高岭石化，角闪石轻度绿泥石化。结构完好，有风化裂隙，裂隙微张， 弱风化 锈膜呈条状或较零星分布。结构面大部分无充填，少部分为风化碎屑、钙质 或绿帘石充填。滴水。锤击声清脆，开挖需用爆破。 岩石表面和裂隙面轻微变色，矿物未蚀变，仅沿节理面有泥质薄膜或铁锰质 渲染。保持原岩结构。裂隙闭合或含隐裂隙，锈膜呈零星点状。结构面大部 微风化 分无充填，偶有钙质、绿帘石、绿泥石充填。潮湿。锤击声清脆，开挖需用 爆破。 4 第一章绪论 1 2 2 以单一特征指标对岩体风化分带的研究 这种方法是利用风化岩体与新鲜岩石的某一特征指标的差异程度对风化岩 体进行分带。主要方法有： ( 1 ) 风化岩体化学成分指标 张丽萍吲提出，矿物在风化过程当中，易溶盐的淋失率和铁铝的富集程度是 最能反映岩体风化程度的两类指标，并且它们的灵敏性也较高。可以作为岩体风 化程度划分的常用指标有：硅铁系数( s i 0 2 f e 2 0 3 ) ，硅铝系数( s i 0 2 a 1 2 0 3 ) ， 铝铁系数( a 1 2 0 3 f e 2 0 3 ) ，硅铁铝系数( s i 0 2 r 2 0 3 ) ，碱土金属淋溶系数 ( ( c a o + m g o ) a 1 2 0 3 ) ，碱金属淋溶系数( ( k 2 0 + n a 2 0 3 ) a 1 2 0 3 ) ，盐基 总量淋溶系数( ( k 2 0 + n a 2 0 + c a o + m g o ) a 1 2 0 3 ) ，这些系数的共同点是随着 风化程度的加深，值趋向于减小，即值越小，反映的风化程度越深。 岩石的化学新鲜度也是评价岩石化学风化强度的特征指标。岩石的化学新鲜 度= ( r 2 0 + r o ) r 3 0 2 ，即残积系数的倒数。将风化岩体的化学新鲜度与新鲜岩 体的化学新鲜度相比，就得到岩石的绝对化学新鲜度。其值越大，表明岩体风化 越弱；反之，则岩体风化越强。 p a r k e r ( 1 9 7 0 ) 提出风化指数聊法，用式1 1 表示硅酸盐岩石风化指数： w i ：l 塑监十丝+ ! 堕x 1 0 0( 1 1 ) l 0 3 50 90 。7 j 式中( x ) 。表示元素x 的原子百分含量被它的原子量除，函数中的分母是每个元 素和氧之间键的强度。对于某种岩石来说，从新鲜岩石到风化岩石风化指数逐渐 减小。 岩体的风化程度不同，次生粘土矿物的种类以及已变异和可变异的原生铝硅 酸盐矿物的数量比不同。l u m b 据此针对花岗岩提出矿物风化指数如式1 2 ： x 。：n q - n q o ( 1 2 )x 。= ( ) ” 1 一n q o 式中，。一风化岩石中石英含量与石英和长石总含量之比，可以在放大镜下估 计；虬。一新鲜岩石中石英含量与石英和长石总含量之比，可以在放大镜下估计。 根据l u m b 的经验，新鲜花岗岩的n q 。约为1 3 左右，虬随风化程度加深而 趋于l 。 ( 2 ) 风化岩体力学性质指标 1 9 7 8 年，水利电力部成勘院提出岩石风化程度系数用来划分风化带，风化 系数彪定义为： p 置= 兰生( 1 3 ) 尺，d 河海大学申请硕士学位论文 式中，尺。一风化岩石单轴抗压强度；r j d 一新鲜岩石单轴抗压强度。 表1 2 据k 。对岩体风化程度的划分风化带 足 0 9 岩体风化程度 全风化强风化弱风化微风化未风化 1 9 6 2 年日本学者工藤提出用声波法测定同一岩石的室内外动弹性模量，计 算裂缝系数丘和坚固度n 来进行风化分带，其表达式为： k = 生坌= 鱼!( 1 4 ) e d n ：生 ( 1 5 ) 式中，e 。野外岩体动力弹性模量；e 。一室内岩石动力弹性模量。 对岩体风化程度分级见表1 3 。 表1 3 按坚固度n 和裂缝系数定划分风化带 风化程度全风化带 强风化带 弱风化带微风化带 坚固程度n 0 8 00 6 5 o 8 0o 5 0 0 6 50 2 5 0 5 0 1 9 6 6 年，保加利亚伊利耶夫根据室内大量岩体的超声波速度测定值，提出 了根据岩体风化系数，进行分带： i - 坚兰( 1 6 ) k 式中，k 一新鲜岩石超声波速度值；k 一风化岩体超声波速度值。 表1 , 4 所列为根据风化系数，对二长岩进行的风化分带。 表1 4 按风化系数对二长岩进行的风化分带 风化程度全风化带 强风化带弱风化带 微风化带 超声波速度( m s ) 硅酸盐 碳酸盐 卤化物、硫酸盐。 硅酸盐矿物中矿物的稳定性由好到差是浅色矿物 暗色矿物。 即：石英 白云母 长石 黑云母 角闪石 辉石 橄榄石。 各种矿物在风化中的稳定性见表2 1 。 表2 1 常见矿物的风化稳定性表 几乎不受影响的最稳定的稳定的较稳定的 不稳定的 白云母、钾长 基性斜长石、黑云母、 自然铂、自然金、石英、磁铁普通角闪石、辉 普通辉石、橄榄石、 石、微斜长石、 金刚石、锡石矿、石榴子石石类 绝大部分碳酸盐和硫 酸性斜长石 化物 2 3 三大岩类的抗风化能力 岩石由矿物组成，岩石的抗风化能力主要取决于岩石的矿物成分，不同岩类 岩石的抗风化能力是不同的。 2 3 1 岩浆岩 岩浆岩多由暗色矿物组成，如橄榄石、辉石、角闪石、黑云母等，这些矿物 的稳定性较其它矿物差，所以在风化作用特别是化学风化作用下，抗风化能力较 低，风化程度较深。此外，风化程度还与环境的变化和岩石的年代有关。当岩浆 喷出地表或侵入其它岩体固结成岩时，由于剥蚀、切割出露地表后，则处于常温、 常压的环境与原来深部高温、高压环境发生很大变化，所以岩石遭受风化作用强 烈而导致岩石风化较深。尤其是早期岩浆岩风化更深，高温形成的岩石较低温形 成的岩石易于风化。 2 3 2 沉积岩 沉积岩是在地表或近地表环境下形成的，其组成物质以浅色矿物为主，而且 经受过风化作用的考验。当该类岩石经地壳运动暴露地表后，仍处在常温、常压 环境，与原来生成环境变化不大，所以其风化程度较岩浆岩浅。 o 第二章岩体风化作用机理 2 3 3 变质岩 变质岩的抗风化能力取决于矿物成分、变质程度和变质类型。一般副变质岩 的抗风化能力较正变质岩和岩浆岩强，而较沉积岩弱：正变质岩的抗风化能力一 般较岩浆岩弱。 2 4 风化作用类型 风化作用可以分为物理风化作用和化学风化作用。 2 4 1 物理风化作用 物理风化作用是指发生机械破碎。而岩石没有显著化学成分改变的作用。物 理风化是由各种因素引起的。由于作用因素的不同，岩石在物理风化时的破坏也 是各种各样的。由于温度变化引起的岩石各组成部分体积的改变成为温度风化： 岩石在外部营力的作用下遭受破坏成为机械风化。 ( 1 ) 温度风化 温度风化是由昼夜温差和季节温度变化而发生的，这些温度的变化引起岩石 不均匀的变热和冷却。此时组成岩石的矿物颗粒在温度升高时膨胀，而在温度降 低时又冷缩，岩石中也就相应的交替产生挤压力和拉伸力。这种挤压力和拉伸力 在岩石的外表面部分表现的尤为强烈。组成岩石的矿物由于具有不同的体积膨胀 系数，所以在温度发生变化时，变形程度也不同。因此，多矿物组成的岩石会由 于温度风化而遭受最大的破坏。同一种矿物的线膨胀系数的变化与晶体的方向有 关( 各向异性) 。有的矿物在垂直三轴方向上的线膨胀系数是其它平行轴线方向 上的系数的一倍多。因此，单矿物岩石在温度变化时。可形成局部性应力。 由于温度变化长期作用的结果，再加上膨胀系数的不同，使岩石中矿物颗粒 间的联结受到破坏，岩石开裂解体成一些单个的块体。影响温度风化强度的还有 岩石的颜色和组成岩石的矿物颗粒的大小。一般来讲，具暗色矿物和粗粒矿物的 岩石破坏较快。 温度风化在温度反差大的地区最为强烈，特别是昼夜温差大，并且空气干燥、 缺少植物覆盖的地区，因为植物覆盖可以缓和温度对土壤和岩石的作用。 ( 2 ) 机械风化 机械风化是在外部营力的机械作用下产生的风化作用。水的冻结具有特别大 的破坏作用。当水落入岩石的裂隙或者孔隙然后又冻结时，其单位体积增大9 l o ，同时产生巨大的膨胀力。这种力能够克服岩石对断裂的阻力，将其劈成单 个的块体。岩石裂隙中冻结水产生的劈裂作用最强烈。在冻结水的影响下，孔隙 河海大学申请硕上学位论文 空间占岩石体积1 0 3 0 的高孔隙度岩石( 砂岩等沉积岩) 很容易破碎。与周期 性水的冻结相联系的作用，通常称为冻结风化。 树木根系和掘地动物对岩石也产生这种机械作用。随着树木的生长，其根系 越来越大。树木的根系给裂隙壁以很大的作用力，象楔子一样将裂隙分开，将岩 石劈成岩块和碎石，一部分岩块向上顶出。各种掘地动物如蠕虫、蚂蚁等动物 也产生这种机械作用。 岩石的解体可以引起毛细裂隙和毛细孔中结晶体的生长。在干旱的条件下这 种现象更容易出现，白天强烈烘热，毛细水上升至地表蒸发，含在其中的盐分结 晶出来。在晶体生长的压力下，毛细裂隙变宽，导致岩石完整性的破坏并使岩石 破裂。 2 4 2 化学风化作用 在物理风化的影响下，岩石的破坏在不同程度上都伴随着化学风化，某些情 况下化学风化还起着决定性的作用。物理碎裂增大了风化岩石的表面反应面积。 化学风化的主要因素是水、氧、氮、二氧化碳和有机酸。这些因素的作用从根本 上改变了矿物的结构和成分，并形成对应于一定物理化学条件的新矿物。化学风 化的最重要因素是水：水在不同程度上游离成带正电荷的氢离子( h + ) 和带负电 荷的氢氧根离子( 0 r ) ，这决定了水参与结晶物质反应的可能性，溶液中高浓 度的氢离子能够加速风化过程。 洪口坝址区河水和地下水中存在氧、二氧化碳和有机酸，能增加化学风化的 强度。同时这些因素具有很大的活性，并能大大的提高水的游离性。根据风化过 程中反应介质的不同，产生不同类型的矿物组合。宁德地处中亚热带潮湿地区， 高湿、高温，植物茂盛，每年有大量有机物产生，具有化学风化最有利的条件。 这些因素综合作用的结果，大大增加了二氧化碳和有机酸的浓度。溶于水中的离 子，诸如h c 0 3 。、s 0 4 、c l 、c a 2 十、m g “、n a + 、k + 对于岩石产生化学作用。这 些离子也能置换晶体中带电荷的原子，或者与其相互作用，从而导致矿物原生结 晶结构的破坏。化学风化进行的主要是化学反应，包括：氧化作用、水化作用、 溶解作用和水解作用。 ( 1 ) 氧化作用 氧化过程在含低价铁、锰及其它元素化合物的矿物中进行的最为强烈。酸性 介质中的硫化物是不稳定的，并逐渐被硫酸盐、氧化物和氢氧化物所置换。这一 作用过程的趋向可以概括的表示如下： f e s 2 + n 0 2 + m h a o _ f e s 0 4 _ f e 2 ( 9 0 4 ) 3 _ f e 2 0 3 n h 2 0 黄铁矿硫酸亚铁硫酸铁褐铁矿 第二章岩体风化作用机理 第一阶段，得到硫酸亚铁和硫酸( h 2 s 0 4 ) 。硫酸的存在大大增加了风化强 度，促进矿物的进一步分解。第二阶段，硫酸亚铁转变成硫酸铁。后者是不稳定 的，在氧和水的作用下变成铁的含水氧化物一褐铁矿。 ( 2 ) 水化作用 是指水与原生矿物组合并形成新矿物的作用。比较有代表性的水化作用有： 无水石膏变成石膏，其反应式c a s 0 4 + 2 h 2 0 c a s 0 4 2 h 2 0 ( 在改变条件时， 反应是可逆的) ； 赤铁矿变成铁的含水氧化物：f e 2 0 3 + n h 2 0 c f e 2 0 3 n h z o 。水化作用时岩石 体积增大，使沉积物变形。 ( 3 ) 溶解作用 在含有二氧化碳的水的作用下，岩石发生溶解作用。在含氯化物、硫酸盐和 碳酸盐类的一些沉积岩石中溶解作用尤为强烈，氯化钠、氯化钾等氯化物的溶解 度最大。按溶解度排列： 氯化物 硫酸盐 碳酸盐类岩石 地下水溶解作用下，在岩石表面形成沟槽、漏斗、洼坑、通道和洞穴等岩溶。 ( 4 ) 水解作用 复杂的水解作用对于硅酸盐类和铝硅酸盐类岩石的风化具有特别重要的意 义。这种作用包括分解矿物、带出某些元素、与氢氧离子组合以及水化作用。在 水解过程中，矿物的原生晶体结构被破坏、改造，并且可能完全遭受破坏和被完 全不同于原始的、新生成的表面风化矿物结构所替代。在水、二氧化碳和有机酸 的作用下，硅酸盐和铝硅酸盐的表面风化常常分阶段地伴随各种粘土矿物的形 成。一般长石的分解方式为( 长石一过渡矿物一高岭石) ： k 【a i s i 3 0 8 一，h 2 0 ) a 1 2 ( o h ) 2 a i s i 4 0 i o n l - i z o a 1 4 ( o h ) 8 s i 4 0 l o 】 正长石水云母高岭石 由长石变成高岭石时发生的某些变化和反应有： a 所有k 、n a 、c a 阳离子在与二氧化碳相互作用时，均形成碳酸盐真溶液 ( c a c 0 3 、n a 2 c 0 3 、k 2 c 0 3 ) 和重碳酸盐溶液。在潮湿温暖的气候条件下，碳酸 盐类被带到其形成区域之外；在干旱、湿度不足的条件下，碳酸盐类留在原地， 或者距地表不深处从溶液中沉淀出来。碳酸盐的这种形成过程称为碳酸化。 b 长石的架状结构变成高岭石和其它粘土矿物所特有的层状结构。 c 部分溶解的二氧化硅被水带走，使河水的固体流中含有大量的s i 0 2 。大部 分带出的二氧化硅很快变成胶体状态，以非晶质的水化沉积物s i 0 2 n h 2 0 沉淀 出来，在干燥和部分失水时，变成蛋白石；部分s i 0 2 和高岭石牢固的结合在一 起。 河海大学申请硕士学位论文 e 高岭石中氢氧离子的化合。富含铝硅酸盐的岩浆岩和变质岩( 花岗岩、花 岗闪长岩、片麻岩等) 风化的结果形成高岭土矿床，地表条件下高岭石是相当稳 定的矿物，但是在高温、大量降雨以及植物落叶等有利条件下，它发生进一步分 解并形成更稳定的化合物铝的氢氧化物。铝的氢氧化物常呈斑块状分布于高岭 石中。 多矿物岩石在风化和形成氢氧化铝的同时，在最终阶段形成铁的氢氧化物， 有时是锰钛的氢氧化物。在铁镁矿物( 橄榄石、辉石、角闪石) 和碱性长石中化 学风化作用最为强烈。 2 5 影响风化作用的因素 影响岩体风化的因素有岩性、地质构造、气候、地貌、地下水等。 ( 1 ) 岩性 洪口水电站坝址区出露地层为白垩系下统石帽山群上组上段流纹岩 ( k i s h 2 b 旯) 及后期侵入的花岗岩脉、辉绿岩脉。 流纹岩主要呈灰黑或深灰色、灰带肉红色，主要成分为石英、长石和少量云 母，变余玻屑凝灰熔岩状结构，流纹构造，常见的流纹岩产状：n w 2 8 0 3 1 7 。 倾n e ，倾角2 0 4 0 。，局部波状，产状变化较大，岩石致密坚硬。 花岗岩脉呈肉红色，细粒结构，斑晶为长石、石英、粒径o 5 o 7 m m ，致 密坚硬，坝址见一条花岗岩侵入体y l ，宽度约1 0 m ，下部变宽些。 花岗斑岩脉呈肉红色，斑状结构，斑晶为长石、石英、粒径i 5 2 5 m m ， 致密坚硬，坝址见一条花岗岩侵入体低，左岸宽度2 0 m ，右岸宽度3 5 5 0 m 。 辉绿岩脉，共l o 条，宽度0 3 3 m ，其中两条分别沿花岗岩脉y l 两侧出露， 宽约0 5 1 0 m ，接触带很破碎且风化强烈。 岩石的矿物组成和结构构造特征不同，其抗风化能力也不同。按照其化学成 分的活动性，矿物可以分为极不稳定矿物、不稳定矿物、稳定矿物和极稳定矿物 4 种。同时，颗粒细且致密的岩石抗风化能力较强。 ( 2 ) 地质构造 坝址区的地质构造形迹主要为断裂和侵入岩脉，在坝址上游2 1 0 m 处有一条 次一级的区域性断裂f l l 通过，产状为n e e e w 向，破碎带宽度5 1 0 m ，充 填碎块岩、花岗斑岩脉、辉绿岩脉等，断层面不平，锯齿状，延伸较长，但f l l 对坝址无影响。坝址区发育断层1 9 条，岩脉1 0 条，以高倾角断裂为主。断裂以 北西西向为主，北东向和近东西向次之。 断裂构造发育地区，岩体完整性差，岩体的空隙率增大，扩大了岩石与地下 水的接触面，促使风化作用沿着各类结构面向岩体内部纵深发展。所以沿断层破 4 第= 章岩体风化作用机理 碎带、裂隙密集带、层间错动带容易形成较深的风化槽和风化囊。并且坝址位于 深切河谷区，因应力释放而发育的卸荷裂隙带，风化作用也比较强烈。 ( 3 ) 气候 坝址区所在的宁德市位于东经11 8 。3 2 1 2 0 0 4 4 、北纬2 6 0 1 8 2 7 4 之间， 属中亚热带海洋性季风气候，年平均气温1 3 4 c 2 0 2 ，年平均降雨量在 1 2 5 0 2 3 5 0 m m ，无霜期2 3 5 3 0 0 天。宁德市地处东南沿海，具有山地气候、盆 谷地气候等多种气候特点，春夏雨热同期，秋冬光温互利，光能充足，热量丰富， 雨水充沛，四季分明，海洋性季风气候显著，沿海和内陆温差悬殊，气候类型呈 多样性。 气温、雨量和湿度对岩体风化有很大的影响。气温的高低对于岩石的机械破 坏程度、各种化学反应的速度以及生物界的面貌及其新陈代谢速度都有重大影 响。降雨量的多少关系到水在风化作用中的活跃程度，而且水量的多少和运动状 况还涉及到一部分风化产物的淋湿与运移过程，直接或间接影响风化的速度。 ( 4 ) 地貌 坝址区位于河谷最窄段，坝址河流流向由s e l 5 0 0 转为se1 7 0 0 ，两岸呈较 对称的“v ”型，两岸地形下陡上缓，陡崖处大片基岩裸露，两岸缓坡处及右岸 小山包多为残坡积的含碎石壤土和粘土覆盖，厚度一般o 5 2 5 m 。坝址左岸下 游冲沟有崩塌堆积，为厚度约2 6 m 的块石砂质壤土等堆积。左岸1 4 5 m 高程以 下山坡坡度4 0 7 0 0 ，1 4 5 m 高程以上山坡坡度2 0 4 0 0 ，局部地段呈陡壁，右岸 1 3 0 m 高程以下山坡坡度4 0 6 0 0 ，1 3 0 m 高程以上山坡坡度1 0 3 5 。，并在右岸 呈- , b 山包，其顶高程为1 7 5 9 m ，且小山包后有一鞍部，其高程为1 7 0 4 m ，右 岸1 4 5 m 高程以上侧向地形单薄，正常蓄水位1 6 5 m 高程，山体侧向厚度为2 5 4 0 m 。两岸近东西向的冲沟发育，多与河流正交。河流常水位5 5 4 m 高程时，河 谷水面宽度3 0 6 0 m ，最大水深约1 0 m ，水流较缓，河床砂砾石层厚2 7 0 m ， 正常蓄水位1 6 5 m 高程自然河谷宽2 3 0 3 0 0 m 。 在坝址区陡坡地段，风化产物易被剥蚀，没有风化壳保留下来，岩体易被风 化。在河床和河流底部，由于河水的冲刷，所以风化速度也比较快，并且风化产 物不易被保留下来。在坡度较缓的地貌单元上，保存有较厚的风化产物，阻碍着 风化应力向岩体中深入。岩体风化壳的厚度和特点与风化产物的生成和风化速度 的相对快慢有关。并且，坝址区阳坡比阴坡的风化作用要强烈一些。 ( 5 ) 地下水 坝址区地下水的类型有孔隙潜水、基岩裂隙水和裂隙承压水。从物质成分可 以分为重碳酸硫酸钠钾水、硫酸重碳酸钠钾水、重碳酸钠钾水、重碳酸钠钾钙水、 重碳酸硫酸镁钠钾水等。 河海大学申请硕士学位论文 地下水的化学成分及其循环条件，对风化速度和程度有较大的影响。因为地 下水可以促使岩石的溶虑、水化、水解等作用的进行，地下水循环良好的地区， 往往形成较厚的风化壳。 2 6 岩体风化程度分带 根据前人的研究和已有的经验可以得出风化的一般规律： ( 1 ) 风化带存在于地表以下一定深度内； ( 2 ) 岩体的风化程度一般情况下是随高程的变化而成渐变关系，风化界限 与地面大致平行。但在一些特殊条件下也容易出现异常的风化类型。如因为地质 构造的存在而造成的风化夹层、风化槽、风化囊、球状风化或因为岩性的突变而 造成的风化程度的突变； ( 3 ) 不同的地貌单元( 如河床、漫潍、阶地等) 风化带的厚度存在明显的 差异： ( 4 ) 就同一岩性而言，风化壳由表及里依次可以分为全风化、强风化、弱 风化、微风化和新鲜岩体。 在以往很长的时间里，地质工程工作者对岩体风化带的划分都是通过野外现 场观察岩体的颜色、矿物蚀变程度、组织结构变化情况、裂隙发育和结构面充填 状况、地质锤的敲击声音及施工难度等作为依据。不同的地质工作者由于经验的 不同和标准的不一致，对同一岩体常常会得出不同的风化分带结果。这种风化岩 体分带的不确定性和人为性给实际的工程建设带来了诸多不便。 自上世纪6 0 年代以来，许多地质工程工作者在对岩体风化分带过程中引入 较多的岩石测试指标并运用多种数学方法，使岩体风化带的划分向定量化的方向 发展。其中应用比较广泛的有模糊聚类分析法、模糊综合评判法、模糊模式识别 法、有序数据的最优分割法和求矩阵最大特征值法等。 2 7 岩体风化研究的工程地质意义 风化作用破坏了岩体的完整性，降低岩体的力学系数，对岩体的工程地质性 能有着重要的影响。 风化作用加剧了岩体的裂隙化，提高了岩体中裂隙的连通率。并且风化营力 使原有的裂隙结构面得到改造，夷平了结构面上的突起体，地下水带走了结构面 充填物中的易溶成分。风化作用还导致岩石中矿物颗粒之间联结遭到破坏，使岩 石中的空隙度增大，而且岩石的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、内摩擦系数等 随之降低。 第二章岩体风化作用机理 在水利水电工程中，岩体的风化状况是影响坝址和建基面选择的重要因素之 一。如果忽视了对风化岩体的研究，会对施7 - 7 - 程造成被动。或者增加开挖工作 量、延长工期、增加造价，或者增加施工处理难度，甚至被迫改变坝型。 水利水电工程地质勘察规范( g b 5 0 2 8 7 - - 9 9 ) m 1 中明确规定：坝址区工 程地质勘查应调查岩体的风化深度和程度，以及不同风化带岩石的强度。 河海大学申请硕士学位论文 第三章坝基岩体风化参数研究 3 1 概述 风化过程是多种风化作用及各种影响因素综合作用的结果。风化过程必然导致岩 石中物质成分的变化、迁移和岩体中各种结构构造的演化，从而导致岩石的物理、力 学参数和岩体的完整性及地质环境参数的变化。为获得可靠的风化岩体参数，大的工 程建设从勘察、设计、施工到运行，特别是工程地质勘察阶段都需耗巨资对岩体进行 原位试验。水电工程中获得可靠的风化岩体参数尤为重要，已经建成的拓溪水电站， 各勘察阶段共做各种岩石试验9 0 0 余组：全国著名的葛洲坝水电站各勘察阶段共做岩 石试验3 2 0 0 余组。 由此可见，风化岩体的参数研究是工程地质勘察工作的重要内容。 3 2 风化岩体的各种参数 风化岩体的参数主要有完整性参数、力学性质参数、物理性质参数、结构面性质 参数、水理性质参数等。 3 2 1 完整性参数 ( 1 ) 岩体完整性系数k 。：是岩体纵波波速与岩块纵波波速的比值的平方。岩体的 完整性系数越大，则岩体的完整性就越好。 k ，= ( ，) 2 ( 3 1 ) 式中，一岩体纵波波速( m s ) ，一岩块纵波波速( m s ) 。 ( 2 ) 岩体波速比定，：是风化岩体的纵波波速与新鲜岩体的纵波波速的比值。岩体 波速比的值越大则岩体的风化程度越弱。 芷r2 7 ( 3 2 ) 式中，一风化岩体的纵波波速( m s ) ，一新鲜岩体的纵波波速( m s ) 。 ( 3 ) 岩石质量指标r q d ( ) ：美国伊利诺斯大学采用直径为7 5 m m 的双层岩芯 管钻进，取直径为5 4 m m 的岩芯，将长度小于l o