李 雷，王貴軍，張 一，王冠霖

黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，鄭州 450003

0 引言

風化作用會導致巖石強度和巖體承載力降低、變形模量減小、透水性增強，使巖質邊坡的穩(wěn)定性變差，加速滑坡、崩塌等不良地質現(xiàn)象的形成和發(fā)展。巖體風化程度不同，其破碎程度和物理力學性質也不同[1]。為了確定巖體風化對工程建筑的影響，必須查明風化規(guī)律和特征，對巖體進行風化程度分級。

巖體卸荷是由于河谷侵蝕下切或人工開挖形成新的臨空面，使巖體因應力釋放而向臨空面方向發(fā)生回彈、松弛的現(xiàn)象。其工程地質特征主要表現(xiàn)在卸荷裂隙的產生、巖體結構的松弛，以及由此而產生的物理力學性質的變化。巖體卸荷直接關系到壩肩穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定、建筑物地基變形和洞室圍巖穩(wěn)定等。岸坡卸荷是岸坡巖體變形破壞和地質災害發(fā)生發(fā)展的基礎[2]。卸荷帶的劃分是水利水電工程壩址選址、建基面選擇、邊坡和地面工程開挖設計的主要依據(jù)。

巖體發(fā)生風化作用、卸荷作用給水利水電工程建設帶來了復雜的地質問題；在深山峽谷、新構造運動強烈、高地應力等地質環(huán)境中，這種問題更為突出。因此，判別巖體的風化與卸荷及其等級劃分就顯得非常重要。

不少學者和部門從巖體的一些特征指標來研究巖體的風化分帶。如Deere[3]用巖石質量指標(rock quality designation, RQD)、巖石滲透性對巖漿巖和變質巖風化進行分帶；Deere[4]、Merritt[5]用RQD、地震波速對花崗巖體風化進行分級。聶德新等[6]結合國內外有關巖體風化劃分中的RQD量值和現(xiàn)場研究獲得的不同風化帶巖體裂隙間距的指標界線，以及裂隙間距、巖體完整性系數(shù)與巖體結構類型的關系，提出了用于巖體風化程度并內含巖體結構的綜合分帶指標，并對主要代表性指標間的關系作了系統(tǒng)分析和歸納總結。

國內外對巖體卸荷帶的形成機制[7-8]、定量劃分[9]以及卸荷巖體的工程特征[10]、破壞特征[11]做了大量的研究。如衛(wèi)宏等[12]運用卸荷巖體的氡異常確定卸荷界線，并為工程實際所采用；任光明等[13]綜合考慮國內外卸荷巖體大量實測資料及其特征指標，并結合黃河拉西瓦工程實踐，以裂隙開度、裂隙條數(shù)、縱波速度、透水系數(shù)等指標來探討巖體卸荷帶定量劃分問題。

目前，巖體風化、卸荷的判別方法及風化帶、卸荷帶的劃分方法存在以下缺陷：第一，判斷巖體發(fā)生風化作用還是卸荷作用，主要是通過野外現(xiàn)場人為定性進行，輔以裂隙張開寬度及波速比等簡單的定量指標。定性判別會因勘察人員的經驗及對評價標準掌握情況的差異得出不同的分帶量級，不可避免地存在評價的任意性。第二，在巖體風化帶、卸荷帶的定量劃分方法中，對風化帶、卸荷帶的界面關系研究較少，未見到定量確定界線的研究。

本文根據(jù)巖體風化與卸荷的本質，以巖體的完整性和巖石強度兩項參數(shù)為基本指標，定量判別巖體風化與卸荷，并定量劃分風化帶、卸荷帶。

1 巖體風化卸荷特征

1.1 風化巖體特征

巖體風化后，顏色會發(fā)生不同深度、不同程度的變化，結構發(fā)生不同程度的破壞，礦物成分發(fā)生不同程度的變化，巖石強度降低，巖體完整性變差。根據(jù)巖體的主要地質特征，將風化帶分為五級，即全風化、強風化、弱風化、微風化和新鮮。

巖體全風化帶主要地質特征為全部變色，光澤消失；巖石的結構完全破壞，已崩解或分解成松散的土狀或砂狀，有很大的體積變化，但未移動，仍殘留原始結構痕跡；除石英顆粒外，其余礦物大部分風化蝕變?yōu)榇紊V物；錘擊有松軟感，出現(xiàn)凹坑，礦物手可捏碎，用鍬可以挖動。巖體強風化帶主要地質特征為大部分變色，只有局部巖塊保持原有顏色；巖石的結構大部分已破壞，小部分巖石已分解或崩解成土，大部分巖石呈不連續(xù)的骨架或心石，風化裂隙發(fā)育，有時含大量次生夾泥；除石英外，長石、云母和鐵鎂礦物已風化蝕變；錘擊啞聲，巖石大部分變酥，易碎，用鎬撬可以挖動，堅硬部分需爆破。巖體弱風化帶分為上帶和下帶：上帶主要地質特征為巖石表面或裂隙面大部分變色，斷口色澤較新鮮；巖石原始結構清楚完整，但大多數(shù)裂隙已風化，裂隙壁風化劇烈，寬一般5～10 cm，大者可達數(shù)十厘米；沿裂隙鐵鎂礦物氧化銹蝕，長石變得渾濁、模糊不清；錘擊啞聲，用鎬難挖，需用爆破。下帶主要地質特征為巖石表面或裂隙面大部分變色，斷口色澤新鮮；巖石原始結構清楚完整，沿部分裂隙風化，裂隙壁風化較劇烈，寬一般1～3 cm；沿裂隙鐵鎂礦物氧化銹蝕，長石變得渾濁、模糊不清；錘擊發(fā)音較清脆，開挖需用爆破。微風化帶主要地質特征為巖石表面或裂隙面有輕微褪色；巖石結構無變化，保持原始完整結構；大部分裂隙閉合或為鈣質薄膜充填，僅沿大裂隙有風化蝕變現(xiàn)象，或有銹膜浸染；錘擊發(fā)音清脆，開挖需用爆破。新鮮帶主要地質特征為保持新鮮色澤，僅大的裂隙面偶見褪色；裂隙面緊密，完整或焊接狀充填，僅個別裂隙面有銹膜浸染或輕微蝕變；錘擊發(fā)音清脆，開挖需用爆破。

巖體發(fā)生風化作用，巖石強度降低，巖體完整性變差。一般情況下，越靠近地表的巖體風化程度越深，向地下深部風化程度逐漸減弱，直至過渡到未受風化的新鮮巖體。

1.2 卸荷巖體特征

巖體發(fā)生卸荷作用，其工程地質特征主要表現(xiàn)為卸荷裂隙的產生、巖體結構的松弛，以及由此而產生的物理力學性質變化。根據(jù)巖體發(fā)生正常卸荷的松弛情況，可分為強卸荷帶和弱卸荷帶。強卸荷帶的主要地質特征為近巖體淺表部卸荷裂隙發(fā)育；裂隙密度較大、貫通性好，呈明顯張開，寬度在幾厘米至幾十厘米之間，充填巖屑、碎塊石、植物根須，并可見條帶狀、團塊狀次生夾泥，規(guī)模較大的卸荷裂隙內部多呈架空狀，可見明顯的松動或變位錯落，裂隙面普遍銹染；雨季沿裂隙多有線狀流水或成串滴水；巖體整體松弛。弱卸荷帶的主要地質特征為卸荷裂隙較為發(fā)育；裂隙張開，其寬度為幾毫米，并具有較好的連通性，裂隙內可見巖屑、細脈狀或膜狀次生夾泥充填，裂隙面輕微銹染；雨季沿裂隙可見串珠狀滴水或較強滲水；巖體部分松弛。巖體發(fā)生卸荷作用，巖石強度未發(fā)生變化，巖體完整性變差。一般情況下，越靠近地表的巖體卸荷程度越深，向巖體深部卸荷程度逐漸減弱，直至過渡到未發(fā)生卸荷巖體。

2 巖體風化與卸荷數(shù)值判別

聲波測試的是線，回彈儀測試的是點。根據(jù)巖體風化與卸荷不同的本質，以及巖體不同的風化程度、卸荷程度，測試聲波在巖體中的傳播速度和巖石的回彈值，對這兩項指標進行數(shù)值計算分析，進而對巖體風化與卸荷進行數(shù)值判別，并進一步定量劃分巖體風化帶和卸荷帶。

2.1 巖體風化與卸荷的判別

2.1.1 縱波速度與回彈值測試

根據(jù)野外工程地質勘察環(huán)境，利用地質勘察開挖的平硐，由硐口向硐底，即選擇巖體由表及里，亦即巖體風化、卸荷由強變弱的方向，在探硐硐壁腰線上每2 m布置一個縱波速度測試點，每0.5 m布置一個回彈值測試區(qū)(圖1)。

圖1 探硐巖體聲波回彈測試布置圖Fig.1 Plan of P-wave and rebound test in adit rock body

按照布置的縱波速度測試點，用聲波儀依次測試縱波在巖體中的傳播時間，每兩測點之間測讀兩次，取其平均值計算聲波縱波速度：

(1)

式中：vP為聲波縱波速度；tP為聲波縱波傳播時間；l為發(fā)射點到接收點的距離。

按照布置的回彈值測試區(qū)，使用回彈儀依次對每個測試區(qū)測試巖石的回彈值。每個測試區(qū)內布置16個回彈值測試點，對于其測得的16個回彈值，舍去3個最大值和3個最小值，然后計算余下回彈值的平均回彈值：

(2)

式中：N為測試區(qū)平均回彈值；Ni為測試區(qū)內第i個測點的回彈值。

對于所測得的縱波速度和回彈值，分別按照各自數(shù)值之間的距離及其相關系數(shù)的親疏程度，將最相近的數(shù)值結合在一起，以逐次聚合的方式對縱波速度和回彈值進行分級，并分別繪制硐深與縱波速度和回彈值的關系曲線圖。

在巖體縱波速度測試中，有時不可避免地會遇到斷層、節(jié)理密集帶或巖體破碎帶，波速會明顯降低。因此，不能將這種低波速區(qū)簡單地判斷為風化帶或卸荷帶。若存在這種低波速區(qū)與兩側巖體波速存在顯著差異，需要根據(jù)縱波速度的變化趨勢，對這種異常數(shù)據(jù)進行特殊對待。

2.1.2 巖體風化與卸荷判別

巖體發(fā)生風化作用，巖性相同，風化程度不同，則巖體聲波波速不同，巖石回彈值也不同。巖體發(fā)生卸荷作用，巖性相同，卸荷程度不同，巖體的聲波波速不同，但巖石回彈值相同。

對測得的巖體縱波速度和巖石回彈值進行對比分析，則可以判斷巖體是風化還是卸荷。如果在探硐中測出來巖體的縱波速度和回彈值均有等級差，曲線為明顯階梯狀，則巖體發(fā)生風化作用。如果測出來巖體的縱波速度有等級差，其曲線為明顯階梯狀，而回彈值沒有等級差，其曲線不存在階梯狀，則巖體發(fā)生卸荷作用。

在遇到軟巖時，其回彈值較小，不能誤認為是風化巖。將其回彈值與大數(shù)據(jù)庫中不同巖性新鮮巖石回彈值進行對比分析，檢驗兩者是否存在顯著性差異，據(jù)此判斷巖體是軟巖還是風化巖。

在判斷出巖體為風化還是卸荷后，進一步劃分巖體風化等級或卸荷等級。

2.2 巖體風化帶與卸荷帶的劃分

分別對測得的一系列巖體的縱波速度和回彈值經過聚類分析分組后，利用玻爾茲曼函數(shù)模型進行數(shù)值擬合計算分析：

(3)

式中：A1為上一等級均值；A2為下一等級均值；dx為對x的微分；x0為界限值。分別求出回彈值和縱波速度各自每兩級之間函數(shù)模型中的各參數(shù)值。

利用巖石回彈值進行風化帶的劃分。對于風化巖體，根據(jù)擬合回彈值的不同等級，參照擬合縱波速度的等級，從新鮮巖體開始，將巖體依次劃分為新鮮、微風化、弱風化(上帶、上帶)、強風化、全風化?；貜椫禂?shù)值計算中求得x0的值即為各風化帶之間的界線位置。

利用巖體縱波速度進行卸荷帶的劃分。對于卸荷巖體，根據(jù)擬合縱波速度的不同等級，將卸荷巖體劃分為未卸荷帶、弱卸荷帶和強卸荷帶?？v波速度數(shù)值計算求得的x0即為卸荷帶之間的界線位置。

3 應用實例

某水電站工程，壩址區(qū)地層分布為下白堊統(tǒng)景星組下段K1j1-6、K1j1-7、K1j1-8。巖性主要為灰白色石英砂巖、青灰色鈣質細砂巖和紫紅色泥鈣質粉砂巖。石英砂巖巖體的縱波速度和回彈值列于表1。

3.1 巖體風化與卸荷數(shù)值判別

經過聚類分析，縱波速度和回彈值均分為4組。利用玻爾茲曼函數(shù)模型式(3)，對縱波速度和回彈值進行數(shù)值擬合計算，擬合曲線見圖2、圖3。從圖2和圖3中可以明顯地看出，巖體縱波速度和巖石回彈值都存在等級差；說明巖體發(fā)生了風化作用，而不是卸荷作用。

圖2 硐深與巖體縱波速度關系曲線Fig.2 Relation curve between the depth of adit and the P-wave velocity of rock mass

3.2 巖體風化帶劃分

對于發(fā)生風化作用的巖體，根據(jù)圖2和圖3曲線可以看出巖體風化分為4等。從硐內向硐外方向，為新鮮—微風化、弱風化、強風化、全風化。利用玻爾茲曼函數(shù)模型擬合計算縱波速度和回彈值的參數(shù)見表2、表3。

巖石的回彈值是每0.5 m布置一個測試區(qū)，巖體的聲波是每2 m布置一個測試點，二者比較，聲波測試跨度較大，回彈測試跨度?。灰曰貜椫档膞0劃分界線較為準確。因此，根據(jù)表3，全風化與強風化界線在1.65 m處，強風化與弱風化界線在10.49 m處，弱風化與微風化(新鮮)的界線在30.06 m處。

表1 某水電站工程石砂巖巖體縱波速度與回彈值

圖3 硐深與巖石平均回彈值關系曲線Fig.3 Relation curve between the depth of adit and the average rebound value of rock

表2巖體縱波速度玻爾茲曼函數(shù)參數(shù)表

Table2TableofBoltzmannfunctionparameterforP-wavevelocityofrockmass

風化程度A1A2x0dx全風化與強風化701.001 139.673.890.08強風化與弱風化1 120.002 823.4411.820.08弱風化與微風化(新鮮)2 808.204 464.4431.850.07

表3巖石回彈值玻爾茲曼函數(shù)參數(shù)表

Table3TableofBoltzmannfunctionparameterforreboundvalueofrock

風化程度A1A2x0dx全風化與強風化7.7720.671.650.21強風化與弱風化20.5332.4110.490.01弱風化與微風化(新鮮)32.3346.8230.060.02

現(xiàn)場人為劃分的結果為，全風化帶底線在1.5 m處，強風化帶底線在10 m處，弱風化帶底線在30 m處。計算結果與人為劃分結果基本一致。因此，本文提出的數(shù)值判別方法是可行的。

4 結論

1)利用聲波在巖體中的傳播速度及巖石的回彈值，定量判別巖體發(fā)生風化作用還是卸荷作用，可以避免定性判別所帶來的人為差異性和隨意性。

2)利用玻爾茲曼數(shù)學模型，可以客觀有效地完成對風化巖體的分帶和卸荷巖體的分帶，定量評價工程地質問題。

3)利用巖體縱波速度和巖石的回彈值這兩項指標，判別巖體風化與卸荷及其發(fā)育程度劃分，影響因素少。

4)本文提出的巖體風化卸荷數(shù)值判別方法對工作環(huán)境條件要求不高，操作簡易，可以在現(xiàn)場較快地獲得工程建筑地區(qū)巖體的定量資料。