一種改進的巖體質量分級方法RMRKv

2022-02-16 06:50:12宋彥輝巨廣宏

西北水電 2022年6期

宋彥輝,馮滿,巨廣宏

(1.長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前言

RMR(Rock Mass Rating)巖體質量分級是由Bieniawski 于1973年提出的，之后幾十年不斷完善和改進，先后出現了RMR76[1]、RMR89[2]、RMR14[3]多個版本。該系統最初是作為確定隧道支護類型的預先設計工具開發的，目前與Q系統[4]和GSI[5-6]一起成為巖石工程應用中使用最廣泛的分類系統。基于該系統，又發展出針對各種巖石工程的眾多巖體質量分類方法，例如礦山巖體分級系統MRMR[7-8]，巖石邊坡分級方法SMR[9-10]，以及SRMR[11](主要應用于鉆孔弱蝕變巖體)，CSMR[12](適用于水電站邊坡)，M-RMR[13](適用于軟弱、分層、各向異性和含粘土巖體)等。Aksoy[14]對RMR系統的歷史發展、應用和局限性進行了系統的論述。

RMR巖體質量分級包含5項分類指標，即巖石單軸抗壓強度(Rc)、巖石質量指標RQD、節理間距(D)、節理條件(Jcond)以及地下水條件(GW), 它們構成巖體的基本質量，即反映巖體本身的內在特征而不包含工程因素。在這些參數中，RQD和節理間距都是反映巖體完整程度的指標，并且其分值都是20分。然而，RQD與節理間距具有相關性，兩者同時運用到同一個巖體分級系統中并不十分恰當。同時，RQD與節理間距有時并不易獲取，尤其是節理間距，其值不僅與測線方向有關，同時也與測線段的長度有關，如受開挖面或露頭條件影響，或在鉆孔巖心中測量該指標時，往往很難準確獲取所有結構面組的間距值，從而影響該指標估計值的準確性。另外，由于結構面發育的非等距性，結構面間距值的測量和估算也與測線的長度有關，不同測線長度(一般不應小于5 m)計算出的結構面間距值也存在差異。因此，在野外或勘探平硐條件受限的條件下往往難以獲得符合實際的真值，也增大了野外節理調查的繁瑣工作和室內計算工作量。鑒于此，可采用反映巖體節理化程度的單一指標如巖體完整性指數、RQD、節理間距、節理密度、體積節理數等來代替系統中的兩個相關指標，從而使巖體分級系統在不失可靠性的前提下得到簡化和更好的應用。

Celada等人根據過去幾十年的經驗改進了RMR[3]。在新的RMR14系統中，RQD和節理間距由每米不連續面的數量(節理密度)代替，以消除確定RQD和節理間距的困難。在該版本中，反映巖體完整程度的節理密度評分如表1所示。Liu等人[15]認為RMR14系統中的節理密度在某些情況下仍然存在獲取困難的問題，他們提出了用波速比或完整性指數估算等效節理密度的方法，進而利用RMR14對巖體質量進行評價。另外，Chen and Yin[16]用塊度指數代替RQD和節理間距，提出了 RMRmbi巖體質量分級系統，然而mbi的計算相當繁瑣，不但需要野外詳細的測量，還需要室內大量的模擬計算，因此使用起來并不方便。

表1 RMR14系統中節理密度的評分值 /(條·m-1)

巖體縱波速度的傳播受到眾多因素的影響，主要包括巖石介質的致密程度和硬度、結構面的發育程度等，同時尚受到結構面特征、地應力以及地下水的影響。因此，巖體縱波波速是一個綜合量化參數。巖體完整性指數是完整巖塊中的波速與原位巖體波速比值的平方，是一個歸一化的參數，去除了巖石強度這一影響因素，主要反映巖體的節理化程度，因此，這一指標用來反映巖體的完整性是較為適用的。基于上述分析，本文旨在用完整性指數Kv代替RMR系統中兩個具有相關性和重疊性的指標RQD和節理間距，從而使得RMR系統得到簡化，更便于在實際巖石工程中應用。

1 RMR分級系統概述

盡管Celada等人于2014年提出了最新版本的RMR14分級系統，但從出版的文獻資料看，該系統尚沒有在工程中得到廣泛的應用。因此，本文仍以RMR89系統為基礎進行分析和研究。該系統的基本值可用下列公式表示：

RMR=R1+R2+R3+R4+R5

(1)

公式(1)中:R1為完整巖塊單軸抗壓強度Rc的評分值；R2為巖石質量指標RQD的評分值；R3為節理間距D的評分值；R4為節理條件的評分值；R5為地下水條件評分值。其中，R1、R2、R3的評分標準如圖1～3所示[15]，也可用公式(2)～(4)求取；R4、R5的評分標準見表2、3所示。

表2 節理條件評分表

圖1 巖石單軸抗壓強度評分曲線

(2)

R2=0.0008RQD2+0.085RQD+3

(3)

R3=-1.9507D2+11.328D+5

(4)

圖2 巖石質量指標RQD評分曲線

圖3 節理間距D評分曲線

表3 地下水條件評分表

根據RMR評分總和，將巖體質量分為五級，如表4所示。

表4 RMR巖體質量分級

2 基于完整性指數的改進RMR系統(RMRKv)

前已述及利用巖體完整性指數替代巖石質量指標RQD及節理間距D的原由，本節將著重探討如何建立新的改進評價系統。由于擬改進的評價系統僅是用完整性指數替代RQD及節理間距，而其它評價指標保持不變，故新的系統可用下式表示：

RMRKv=R1+RKv+R4+R5

(5)

公式(5)中:RMRKv為改進的RMR系統評分總和；RKv為巖體完整性指數的評分值；其他符號意義同前。根據RMRKv劃分巖體質量等級同表4所示。可見，新的改進系統中關鍵是如何確定巖體完整性指數的評價標準。考慮改進系統應與原系統保持一致，因此，RKv的最高評分應為RQD及節理間距D最高評分的和，即RKv最高評分為40分。在此基礎上，考慮RQD、節理間距及巖體完整性指數之間的關系，從而確定RKv的取值標準。

2.1 RQD與節理間距的相關關系

RQD自被Deere提出以來在巖石工程領域得到了廣泛運用，但它也存在一定的缺陷，例如當巖芯長度小于10 cm或大于10 cm時，不能提供更詳細的有效信息，導致利用該指標評估巖體的完整性時顯得較為粗糙。表5列出了RQD值與巖體完整性的對應關系。

表5 RQD與巖體完整性的關系

節理間距D是同組結構面中相鄰兩條之間的垂直距離。通常用一定測線長度內的平均間距表示。數值上與節理密度互為倒數。利用節理間距表征巖體的完整程度如表6所示。

表6 節理間距與巖體完整性的關系

Priest等[17]通過大量的結構面間距統計分析，認為結構面間距多服從負指數分布，并推導出巖體RQD與結構面線密度λ之間存在如下關系：

RQD=100e-0.1λ(1+0.1λ)

(6)

由公式(6)可估算出RQD與節理間距之間的對應關系如表7及圖4所示。

表7 節理間距與RQD的對應關系

圖4 節理間距與RQD的關系曲線

2.2 RQD與完整性指數Kv的相關關系

工程實踐表明，巖體完整性指數Kv與體積節理數Jv之間存在較好的相關關系。GB/T 50218-2014《工程巖體分級標準》[18]綜合眾多研究成果提出了兩者之間的相關關系如表8所示。

表8 巖體完整性指數與RQD的對應關系

根據Palmstr?m(2005)[18]建立的RQD與體積節理數之間的統計關系(公式6)，可以得到巖體完整性指數與RQD之間的對應關系如表8所示。

RQD=110-2.5JV

(7)

2.3 完整性指數(Kv)的評分標準

根據表7、圖4(或表8)及公式(3)、(4)，當用Kv代替RQD和節理間距進行RMR系統的評分時，結果如表9所示。

表9 替代RQD及節理間距D的Kv評分標準

根據表9結果，并假定當Kv=1時，評分值為40，當Kv接近0時(如Kv=0.01)評分值取8，則得到Kv與評分值之間的關系曲線如圖5所示。

圖5 Kv與評分值關系曲線

3 實例研究

瑪爾擋水電站壩址位于青海省瑪沁縣拉軍鎮上游約5 km的黃河干流上，左岸為果洛州瑪沁縣，右岸為海南州同德縣，西寧～果洛省道(S101)通過壩址右壩肩，距西寧市公路里程約363 km，對外交通便利。瑪爾擋大壩為面板堆石壩，最大壩高220 m，正常蓄水位3 275.00 m。壩址位于峽谷出口處，兩岸均為平臺，頂部高程 3330.00～3 345.00 m。河水位3 086.40～3 082.00 m，水面狹窄(寬40～70 m)，斜坡前緣基巖面出露高程3 310.00 m左右，基巖裸露良好，兩岸不甚對稱。壩址區地層巖性主要為三疊系中～上統(T2-3-Ss)變質砂巖及中生代侵入斑狀二長巖(πγ5)。其中變質砂巖呈灰～灰綠色～灰黑色，中細粒結構，偶夾砂質板巖，中厚～厚層狀，砂巖單層厚度一般>30 cm，板巖較薄(單層厚度一般<10 cm)。整體屬區域變質巖(輕度)，靠近侵入接觸帶部位，變質程度加深。其間穿插有侵入巖脈(二長巖脈、細晶巖脈和石英脈)；二長巖多由斑晶和基質組成，斑晶由鉀長石及少量斜長石組成，基質由斜長石、鉀長石、黑云母和石英等組成，礦物組成較簡單。

壩址區地質構造特征表現為三疊系地層整體呈近E-W向陡傾單斜構造(傾向S)，構成反傾縱向谷坡；中生代侵入巖(二長巖)與三疊系地層呈侵入接觸；基巖中斷裂構造以中小型斷層、裂隙及長大裂隙為主，其中尤以長大裂隙為主。野外節理調查統計表明，變質砂巖及二長巖中均發育4組主要節理。

為評價壩址區巖體質量，在兩岸幾十條勘探平硐中進行了詳細的巖體質量調查統計工作，包括測線法節理裂隙調查統計、RQD測量、結構面條件調查、地下水條件調查、巖體卸荷與風化程度調查等。取得了詳細的第一手資料。結合在各勘探平硐硐壁進行的巖體縱波速度測試資料，為巖體質量的RMR分級提供了資料支持。表10列出了勘探平硐PD4不同硐段的完整性指數、RMR分級系統中各分項的評分值以及BQ分級的評分值。除PD4外，本研究中還采用了其他18條勘探平硐的調查測試成果，如PD1、PD2、PD3等，為簡便起見，不逐一列出。