岩体结构面相对均质区划分方法

岩体内的结构面，存在着在一定范围内（三维的）结构面的发育程度是相近的情况，我们把岩体结构面发育程度相近的地区称为岩体结构面相对均质区，也称为透水、透浆结构面地质缺陷相对均质区（简称均质区，下同）。

为了在地质体内找出相对均质区，我们从以下3方面来论述和划分相对均质区。

（一）岩性是划分均质区的基本因素

在这里，我先看看远离大断层的岩体特点。

1.不同地段相同岩性的结构面的分布密度相似

为了探索岩性与岩体结构面的关系，我们对小浪底工程的20号探硐0+00～0+65的硅质砂岩内的结构面，进行了详细裂隙测量，并利用著者研制的《等面积投影图》绘制了结构面密度分布图（图10-1）。从图上可以明显看出有3 个裂隙极点密度分布区：Ⅰ区，裂隙倾向SE100°～SE140°，倾角大于80°，极点密度变化于2.1%～3.1%之间；Ⅱ区，裂隙倾向SE158°～SW225°，倾角变化于70°～90°之间，极点密度变化于3.6%～10.8%之间；Ⅲ区，裂隙倾向SE240°～SW292°，倾角70°～90°，极点密度变化于5.1%～8.7%之间。其余的极点密度分布，除了倾向NW280°～NW300°、倾角大于80°那个区的密度大于3.6%以外，其他的密度都小于2.1%。

图10-1　20号探硐0+00～0+65间的岩组中结构面密度分布图

同时，又对小浪底工程的11 号探硐0+ 00～0+65间的的硅质砂岩内的结构面，进行了详细测量，并利用《等面积投影图》绘制了结构面密度分布图（图10-2）。在该图上，着重把图10-1 相当区的极点密度圈了出来，可以非常明显地看出，这3 个区在图10-2 上仍是极点分布密度极大区：Ⅰ区，裂隙倾向SE100°～SE140°，倾角大于80°，极点密度4.1%；Ⅱ区，裂隙倾向SE158°～SW225°，倾角变化于70°～90°之间，极点密度变化于4.1%～12.6%之间；Ⅲ区，裂隙倾向SW240°～NW292°，倾角70°～90°，极点密度变化于5.0%～12.2%之间。其余的极点密度除了倾向SW240°～SW245°、倾角70°～90°那个区的密度3.2%～3.6%大于2.7%以外，其他都小于2.7%。

在等面积投影图上共有面积相等的100个小块，每个小块的极点数除以总极点数，并把其化为百分数，即谓极点密度图。把图10-1、图10-2叠置在一起进行对比就可以发现，两图的3个极点密度较大区完全重合，也就是说，对图10-1来说有78.3%的极点与图10-2极点分布范围相同；对图10-2来说，有87.3%的极点与图10-1极点分布范围相同。

此外，图10-1 所述岩体位于144.13m高程上；图10-2所述岩体位于163.19m高程上，两者高程相差19.06m，两者相距有数百米之遥，但它们都处于远离大断层的正常岩体内。

由上述资料可以得出在远离大断层的正常岩体内，尽管在不同地段，只要岩性相同或相近，其岩体结构面的发育程度是相近的，它们有可能同属一类相对岩体结构面均质区。

图10-3　11号探硐0+75～0+140间的岩组中结构面密度分布图

图10-2　11号探硐0+00～0+65间的
岩组中结构面密度分布图

2.不同岩性的结构面的分布密度不同

为了探索岩性与岩体结构面发育程度之间的关系，我们对小浪底工程的11 号探硐0+75～0+140间的泥质粉砂岩内的结构面，进行了详细测量，并利用《等面积投影图》对极点密度分布进行了分析。从图10-3中可以看出，在该图内有4个极点密度分布较大区：Ⅰ区，裂隙倾向NE60°～SE100°，倾角70°～90°，极点密度变化于2.4%～5.5%之间；Ⅱ区，裂隙倾向SE140°～SW200°之间，倾角70°～90°，极点密度变化于3.7%～25.6%之间；Ⅲ区，裂隙倾向SW240°～NW280°，倾角70°～90°，极点密度变化于5.5%～9.8%之间；Ⅳ区，裂隙倾向NW340°～NW360°，倾角大于80°，极点密度为3.7%。

尽管图10-3、图10-2所使用的岩体结构面资料都来自同一条11 号探硐内，但由于图10-3所示结构面是来自泥质粉砂岩中，而图10-2 所示结构面是来自硅质细砂岩中，因此，它们的密度分布特征几乎都不一样。

由此我们可以认为，岩性的差异是我们划分相对均质区的基本因素。

（二）软岩对其上下层位的硬岩裂隙发育影响

1.软岩层对结构面发育的影响

裂隙面的大小，一般是用它的倾向长度和走向长度来说明的。对于后者，可在地面露头上进行测量，而在人工开挖的探硐和竖井中，因面积有限，难于测得真实长度。对本区的构造裂隙，它的倾角近于直立，其倾向长度可以认为是似垂向长度。在探硐内特别是在竖井内是可以测得它的大部分裂隙长度的。

地层在沉积过程中，由于沉积间断或沉积环境的变化形成了层面。若沉积环境不变，而只是沉积间断，则层面上下的岩层岩性相同；若沉积间断且沉积环境发生变化，则岩性就会发生变化，如砂岩变为泥岩。通常把两个层面之间的最短距离称为岩层的单层厚度。为了更好地描述层状地层中裂隙的延伸性，我们引入了岩性层的概念。同岩性层是指几个岩性相同的相邻单层的组合，也可以是一个单层，同岩性层的厚度简称为岩性层厚。如图10-4所示，地层剖面中有5个单层，而岩性层只有4 个，其中有2 个砂岩单层组成一个岩性层。为了反映岩性层的岩性，还可将砂岩岩性层简称为砂岩层，把泥岩岩性层简称为泥岩层。

根据6个竖井的地层和裂隙测量数据，我们作出了泥岩、砂岩单层厚度，砂岩岩性层厚度和裂隙垂向长度的统计直方图（图10-5）。从图中可见，裂隙的延伸长度要大于砂岩单层厚度，而与砂岩岩性层厚度相吻合。由于砂岩岩性层的上下都是泥岩层，由此可以推论，裂隙在通常情况下可以穿过砂岩层的一个单层，而且延伸长度与砂岩的岩性层厚度一致。

为了进一步从定量上研究岩性对裂隙发育的影响，我们首先考察裂隙与层面的关系，图10-6示意了在一个剖面上裂隙遇到层面的情况。裂隙a与层面相交且穿过层面，其穿过点称为交点；裂隙b和裂隙c同样与层面相交，但不穿过层面，所形成的接触点称为端点。这样我们就可以通过统计层面上交点和端点的数量来判断层面对裂隙延伸性的影响。

对于层面而言，交点数愈多则层面对裂隙延伸性的影响愈小，相反，交点数愈少而端点愈多则层面对裂隙延伸性的影响愈大。由此，我们引入切穿率的概念来描述裂隙对于层面的切穿程度：(www.xing528.com)

显然，切穿率反映了裂隙穿过层面的概率，它是一个大于0 小于1 的数。当切穿率愈接近1，则层面对裂隙延伸性的影响愈小；相反，愈接近0，则对裂隙延伸性的影响愈大。通过对6个竖井测量数据的统计，地层中砂岩岩性层内层面（该层面上下均为砂岩层）的裂隙切穿率为0.67。

图10-4　岩性层和单层

图10-5　在竖井内的地层层厚和裂隙长度统计直方图

在砂泥岩互层中的泥岩层通常较薄，我们同样可用切穿率的概念来描述泥岩层对裂隙延伸性的影响。这时只要在统计交点和端点时，把泥岩层视为一个层面即可。图10-7反映了不同厚度泥岩岩性层对裂隙切穿率的影响，从图中可见，随着岩层厚度的不同，裂隙的切穿率发生变化，0.1m的厚度是一个切穿率发生突变的界限，当泥岩层厚度小于0.1m时，裂隙切穿率为0.76；当泥岩层厚度大于0.1m时，则裂隙的切穿率为0.14。由此可见，当泥岩层厚小于0.1m时，裂隙切穿率已大于裂隙在岩性层中的切穿率，因而，可以认为泥岩厚度小于0.1m 时，对裂隙延伸性的影响可以忽略，而泥岩厚度大于0.1m 时，则对裂隙的延伸性起着决定性作用。

图10-6　裂隙切穿性

2.在同一地段的上部不同岩性结构面发育程度

为了探索在粉砂质粘土岩层（厚度大于1m）上下岩体结构面的变化情况，我们对小浪底工程区108 号竖井的岩体结构面进行了详细测量，并将位于厚层粉砂质粘土层以上21.35m厚的坚硬岩体中的结构面绘制在《等面积投影图》上，同时又将位于厚层粉砂质粘层以下14.05m厚坚硬岩体中的结构面以不同符号也绘制在同一张《等面积投影图》内（图10-8）。从图10-8 中可以清楚地看出：位于厚层粉砂质粘土岩以上及其下的坚硬岩体，结构面的分布范围是完全相同的，70.4%的结构面倾角是相似的，只有29.6%的倾角不完全相符，稍缓了些。

图10-7　泥岩层厚度与裂隙切穿率

图10-8　108号竖井内中、和岩组中的结构面密度分布对比图

由此可以认为，在同一地段，上部岩体的结构面的产状，与不太深的下部相同岩体结构面的产状是相近的。

表10-2　相对均质区划分表

（三）复杂的地质体是由各个相对均质区组成的

在任何一个基岩建筑工地上，不管地质条件多么复杂。都可从中找出在透水、透浆性基本相同的工程地质区或亚区来。

1.按岩体渗透性划分基本相同渗透性区（表10-2）

（1）强烈风化卸荷区。该区的渗性较大，可将其视为渗透性各向同性区，也可称为壳状透水或含水层。区别该层的标志是，风化卸荷裂隙的倾角，比正常岩性的有变化。

（2）断层及其强烈影响区。在垂直断层走向的方向上，该区是不透水的，而沿走向和倾向上是透水的，可将其视为渗透性双向同性带状透水或含水区。识别该区的标志是岩体产状与正常岩体的相比有变化。

（3）一般断层影响区，一般风化卸荷区和深埋远离大断层的正常岩体区。由于组成该区的岩性不同，其岩体结构面的发育程度不同，其渗透性具有各向异性的特征。

2.按岩体强度或岩性的不同划分两类相对均质区

大量试验与野外调查资料表明，不同岩性的强度，如其单轴饱和抗压强度大于60MPa，为硬岩；如其单轴饱和抗压强度小于25MPa，为软岩；如其单轴饱和抗压强度介于25～60MPa之间的岩体为中硬岩。为了便于掌握，将中硬岩与软岩合并为一类，即较软岩。