白鶴灘水電站多重裂隙玄武巖跨尺度結構特征研究

摘" 要：作為中國西南地區(qū)工程建設的重要地質環(huán)境介質，玄武巖普遍賦存細觀隱微裂隙、宏觀隨機節(jié)理等多級結構面，顯著影響其力學特性和工程結構穩(wěn)定性。借助于CT掃描、數字攝影與現場調研等測試手段，結合圖像處理、統(tǒng)計學分析、機器學習等方法，實現多重裂隙玄武巖跨尺度結構特征的精細化識別與表征。結果表明，隱微裂隙傾角為均勻分布，長度符合對數正態(tài)分布，面密度P20為0.000 25條/mm2，面密度P21為0.012 mm/mm2；隨機節(jié)理主要包括2組，節(jié)理傾向、傾角均滿足正態(tài)分布，長度和間距符合對數正態(tài)分布，面密度P20為0.07條/m2，面密度P21為0.30 m/m2。研究成果進一步豐富和完善巖土工程多尺度分析的基礎理論與技術方法。

關鍵詞：白鶴灘水電站；玄武巖；跨尺度；隱微裂隙；隨機節(jié)理

中圖分類號：TV223" " " 文獻標志碼：A" " " " " "文章編號：2095-2945（2024）35-0１１３-0４

Abstract： As an important geological environment medium for engineering construction in southwestern China， basalt generally suffers from multi-level structural surfaces such as meso-hidden and micro-cracks， and macro-random joints， which significantly affects its mechanical properties and engineering structural stability. With the help of testing methods such as CT scanning， digital photography and on-site investigation， combined with image processing， statistical analysis， machine learning and other methods， the refined identification and characterization of cross-scale structural characteristics of multiple fractured basalt are achieved. The results show that the inclination angle of hidden micro fractures is uniformly distributed， the length conforms to the lognormal distribution， the area density P20 is 0.000 25 bars/mm2， and the area density P21 is 0.012 mm/mm2; random joints mainly include 2 groups， the joint inclination and inclination angle both satisfy the normal distribution， and the length and spacing conform to the lognormal distribution， the area density P20 is 0.07 bars/m2， and the area density P21 is 0.30 m/m2. The research results further enrich and improve the basic theories and technical methods for multi-scale analysis of geotechnical engineering.

Keywords： baihetan hydropower station; basalt; cross-scale; hidden micro fracture; random joint

隨著國家“西部大開發(fā)”和“一帶一路”倡議等的相繼啟動與穩(wěn)步實施，一大批水利、交通、礦山或油氣等基礎設施建設和資源能源開發(fā)所代表的巖石工程迅速發(fā)展，同時也面臨著各種挑戰(zhàn)與關鍵難題，其中深埋硬脆性巖石破裂與災害問題非常突出且無法回避，如板裂化、巖爆等[1-2]。作為一種天然的地質材料，巖石內部廣泛發(fā)育各級結構面，從細觀尺度的微裂紋、微孔洞等原生缺陷，到宏觀尺度的裂隙、節(jié)理等隨機硬性結構面，再到工程尺度或地質體尺度的錯動帶、斷層等局部軟弱結構面，對其力學特性與工程穩(wěn)定性具有重要影響。巖石工程的失穩(wěn)破壞往往是在各種荷載作用下這些初始缺陷不斷閉合、起裂、擴展及貫通并最終導致材料破壞的動態(tài)演化過程，經歷了一個從連續(xù)到斷續(xù)再到非連續(xù)的漸進轉變[3-4]。因此，開展多重裂隙巖體跨尺度結構特征研究非常重要。

巖土材料結構問題一直以來是國內外巖土工程領域高度重視的基礎科學問題。相關學者在巖塊、巖體尺寸效應的規(guī)律、根源、影響因素和模型等方面進行了系統(tǒng)探索，并取得了眾多有意義的研究成果[5-8]。然而，多重裂隙巖體細觀-宏觀-工程等跨尺度結構特征相當明顯，如何在三維空間里全面精細化識別、表征和重建這種多尺度結構信息依然是一個難點問題。此外，已有研究往往只是針對巖塊、巖體等單一方面在各自尺度下的缺陷結構進行孤立分析，而不同尺度下巖土材料的結構特征是不同的。為此，本文借助于CT掃描、數字攝影與現場調研等測試手段，結合圖像處理、統(tǒng)計學分析、機器學習等方法，實現多重裂隙玄武巖跨尺度結構特征的精細化識別與表征。

1" 工程概況

作為世界上最近建成規(guī)模最大的水電工程，白鶴灘水電站位于中國西南四川省和云南省之間的金沙江下游，總裝機容量為16 000 MW[9-10]。工程主體包括大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪消能等建筑物，其中左右岸引水發(fā)電系統(tǒng)分別位于拱壩上游兩側山體內，從上游到下游依次為主廠房、主變洞、尾水管檢修閘門室和尾水調壓室四大洞室，平行布置。左右岸地下洞室群開挖尺寸相同，其中主廠房長438 m、寬31～34 m、高88.7 m；主變室長368 m、寬21 m、高39.5 m，與主廠房之間巖壁厚約61 m；圓筒形尾水調壓室直徑43～48 m、高度77～93 m，距離主變室約85 m；整個地下廠房洞室群為世界上規(guī)模最大的地下工程，如圖1所示。

白鶴灘水電站屬于深切峽谷“V”型地貌，巖性主要為P2β2～P2β6層隱晶質玄武巖、杏仁狀玄武巖、斜斑玄武巖等玄武巖，其中，隱晶質玄武巖中發(fā)育柱狀節(jié)理的稱為柱狀節(jié)理玄武巖。由于特殊的成巖或地質構造等作用，塊狀玄武巖（非柱狀節(jié)理玄武巖）跨尺度結構特征非常顯著，巖塊內大量賦存細觀尺度的小尺寸隱微裂隙（厘米～分米級），屬于Ⅴ級硬性結構面；巖體中廣泛發(fā)育宏觀尺度的節(jié)理、裂隙等中尺寸隨機構造結構面（米級～十米級），為Ⅳ級硬性結構面；此外，還有揭露工程尺度的斷層、錯動帶等大尺寸局部構造結構面（十米級以上），為III級及以上軟弱結構面；巖體微風化或新鮮狀態(tài)，致密堅硬，完整性較好，以III類圍巖為主。地下洞室群位于中高地應力區(qū)，左岸廠房最大主應力19～23 MPa，右岸廠房最大主應力22～26 MPa。

玄武巖跨尺度結構特征相當明顯，對其力學行為和破壞機制具有重要影響。玄武巖單軸抗壓強度均值達到200 MPa，高強度應力比（大于7），難以發(fā)生破壞。然而，巨大的工程規(guī)模、復雜的結構特征及中高地應力等導致地下洞室群開挖過程中圍巖破裂問題顯著，廣泛揭露了片幫、剝落、塊體脫落和巖爆等多樣化的破壞模式，給現場圍巖穩(wěn)定性控制帶來極大挑戰(zhàn)。這種現象突出極高巖塊強度與較低巖體強度之間的矛盾關系，與普遍賦存的各級結構面密切相關。因此，有必要開展多重裂隙玄武巖跨尺度結構特征的精細化識別與表征研究。

2" 多重裂隙玄武巖跨尺度結構特征

2.1" 隱微節(jié)理分布特征

由于CT掃描成本高、穿透能力有限且玄武巖致密堅硬等問題，只能針對少量標準尺寸巖心試樣進行掃描，難以獲得更加真實全面的數據。因此，為準確掌握隱微裂隙的分布特征，對從地下洞室群工程現場采取的玄武巖塊體（尺寸一般幾十厘米）表面進行拍照、素描、圖像處理和統(tǒng)計分析等處理，如圖2所示，獲得隱微裂隙幾何參數的分布特征，主要包括裂隙長度、傾角、密度等。

本文主要針對長度10 mm及以上的隱微裂隙進行分析，30個巖塊，共約800條裂隙，獲得的隱微裂隙幾何參數分布特征如圖3所示。可見，玄武巖巖塊中普遍發(fā)育不規(guī)則的隱微裂隙，分布隱蔽、短小閉合、斷續(xù)延伸和貫通性低，尺寸從幾厘米至幾十厘米，方位無明顯規(guī)律；裂隙傾角為均勻分布，長度符合對數正態(tài)分布（μ=3.68 mm，σ=0.58 mm），面密度P20為0.000 25條/mm2，面密度P21為0.012 mm/mm2。隱微裂隙為玄武巖成巖過程中巖漿快速冷凝收縮形成的原生拉伸破裂結構，屬于Ⅴ級硬性結構面，主要影響巖塊的力學特性。

2.2" 隨機節(jié)理分布特征

為準確掌握隨機節(jié)理的分布特征，在參考已有工程地質報告的基礎上，對左岸地下廠房開挖過程中頂拱和邊墻圍巖揭露出的宏觀尺度隨機節(jié)理進行素描、拍照、圖像處理和統(tǒng)計分析等操作，如圖4所示，獲得節(jié)理幾何參數的分布特征，主要包括節(jié)理傾向或走向、傾角、尺寸、間距和密度等。

本文主要針對長度0.5 m及以上的宏觀隨機節(jié)理，共約1 500條，獲得的節(jié)理統(tǒng)計特征見表1。可見，左岸地下廠房主要發(fā)育2組優(yōu)勢隨機節(jié)理，其中陡傾節(jié)理組J1占主導地位，約占全部節(jié)理數量的80%；節(jié)理斷續(xù)延伸、新鮮閉合、平直粗糙、無填充及連通率低；節(jié)理延伸長度2～5 m，少數可達5～10 m，其中J1陡傾節(jié)理組長度相對較小，而J2緩傾節(jié)理組尺寸相對較大；節(jié)理間距一般大于0.5 m，基本處在1～2 m范圍內；2組節(jié)理的傾向、傾角均滿足正態(tài)分布，長度和間距符合對數正態(tài)分布，經計算面密度P20為0.07條/m2，面密度P21為0.30 m/m2。隨機節(jié)理主要為構造結構面，屬于Ⅳ級硬性結構面，控制著巖體力學性質和工程結構整體穩(wěn)定性。

3" 結論

1）玄武巖普遍存在細觀隱微裂隙、宏觀隨機節(jié)理和工程局部軟弱結構面等多級結構面，跨尺度結構特征非常顯著，對其力學行為和破壞機制具有重要影響。

2）借助于CT掃描、數字攝影與現場調研等各種測試手段，結合圖像處理、統(tǒng)計學、機器學習等方法，實現多重裂隙玄武巖跨尺度結構特征的精細化識別與表征。

3）隱微裂隙傾角為均勻分布，長度符合對數正態(tài)分布，面密度P20為0.000 25條/mm2，面密度P21為0.012 mm/mm2。隨機節(jié)理主要包括2組，陡傾節(jié)理占主導；節(jié)理傾向、傾角均滿足正態(tài)分布，長度和間距符合對數正態(tài)分布，面密度P20為0.07條/m2，面密度P21為0.30 m/m2。

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