岩体风化指标分布规律探究

风化分带在定性分带的基础上,利用室内或现场测试的岩石力学性质单项或多项指标并结合一定的数学或统计学的方法,对岩体进行风化程度分带。廖颜萱搜集了国内46项大中型水利水电工程中1万多个关于岩石的物理、力学、水理性质指标。在进行了2万多组次的数理统计后总结出了岩石的风化规律(即风化岩亲水性规律、力学强度性规律、水蚀强度性规律、综合力学强度性规律和水蚀软化强度性规律)。这些规律显示：新鲜岩体开始风化时,都有一个起步点,被称为临界起始跳跃点或临界曲线交点。侯玉宾等在廖颜萱的研究基础上,运用拓扑学方法,导出了适用于岩体风化分带研究的突变势函数,建立了由综合力学强度性系数R和水蚀强度系数a控制的岩体风化突变模型。在实际工程应用中,只要把模型中的R和a控制在或靠近尖点区微风化岩带内,就可以达到充分利用风化岩体和优选建基面的目的。

龚涛等认为,在风化岩体中,风化岩体质量的逐步过渡状态,具体表现在反映风化岩体质量的各项因素(或地质变量)同样也呈现逐步过渡的状态,各地质变量的变化沿地质剖面必然呈现出相应的按一定顺序逐步变化的排列关系,从而可按一定的顺序通过对岩石标本、钻孔和平洞等方法采集、测量出呈逐步过渡的有序地质变量,即一批代表各地质因素有序变化特征的数据,通过对数据的最优分割,完成对风化岩体的分带。张丽萍以前人应用物理性指标划分风化壳垂直分带为基础,用X射线荧光光谱仪对长江三峡坝区各地貌部位的采样样品进行化学成分分析,用显微镜对矿物组成进行鉴定,选取了具有代表性的、能反映化学风化特征的风化系数,进行了化学风化特征值的详细计算,对风化壳垂直分带的元素迁移规律和化学特征值做了系统描述,完善了风化壳垂直分带指标体系。

为了讨论定量指标在岩体风化剖面上的分布规律,本文收集了一些已建工程和岩体风化分带定量指标,工程及岩体包括山口三级水电站石英砂岩；三峡大坝花岗岩；天生桥一级水电站薄层、中厚层泥岩、泥灰岩与灰岩,中厚层、厚层泥岩与砂岩；渔洞水库致密状玄武岩、杏仁状玄武岩、火山角砾岩；洪口水电站坝址区流纹岩等。相关的定量指标包括：混凝土/岩石的摩擦系数、混凝土/岩石的凝聚力、纵波波速、完整性系数、饱和抗压强度、允许承载力、回弹值、弹模、重度、泊松比等。

通过线性和二项式相关分析,结果见表1。假定各风化带的参数平均值能够反映岩体垂直方向上的分布规律(没有考虑风化带的厚度),16个参数样本所揭示的分布规律：

线性分布：除重度(0.860)外(洪口水电站),其余参数的相关系数的平方均在0.890以上；即所有参数的相关系数均在0.928以上,属高度相关。

二项式回归：所有参数的相关系数均在0.977以上,绝大部分接近1.000。二次项系数反映非线性曲线向上(负值)和下(正值)凹的特征,这种向上和向下弯曲的明显程度各占50%左右。

所以,可以将岩体垂直方向上的分布规律视为线性分布；二项式分布在判断上下凹的参数特征后,扩大样本,进一步研究还在进行中,(各风化带的参数平均值,没有考虑风化带的厚度)。以洪口水电站为例,依据各风化带的弹模试验平均值、方差、样本数,按照正态分布的特征,可以确定一定置信度下的统计意义上的置信区间。上述置信区间在某一独立风化带内,从统计基本理论角度,不考虑垂直分布规律,结论是成立的。

表1　一些工程岩体风化带内定量指标的线性及二项式相关分析

但是,考虑整个风化带,特别是各个风化带的界面,即强风化带的下限和弱风化带的上限在位置上重合。在该位置,存在风化分带在垂直剖面上参数的突变。即存在基本理论(风化分带理论和统计理论)问题的不和谐。在垂直剖面上计算参数确定时：(www.xing528.com)

(1)不同的风化带选用各带的上下限作为计算参数,不同深度上再进行线性内插(存在不协调的突变,界面参数不一致)。

(2)选用上一个风化带的下限和下一个风化带的上限的平均值作为界面的参数,再进行线性内插(界面上参数一致,参数在同一风化带内线性递增,再整个剖面风化带内,不同风化带的增量不一致)。

(3)统计理论在具有渐变特征的样本中不适用。那么,从宏观上认识风化带有一定意义,在微观上,各个风化带不能用平均值来表达其特征。

洪口水电站坝基建基面的选择均在弱风化带内,并且：

(1)选用弱风化带统计意义上的上下限参数,进行线性内插,确定其垂直方向上的变化规律。

(2)考虑平面数值计算能够反映真实工况,坝体重量考虑最大坝高,同时考虑水平地震力和正常蓄水的水平推力等,坝基的地质构造也一并模拟。

(3)计算中将设计建基面分别提升和下降5m(以1m为单位),关注一些特别重要的节点上应力和位移的变化规律。

结果表明,除了处于地质构造附近节点的应力和位移受构造影响外,其余各节点的应力和位移在竖直方向上具有递增或递减的规律。