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1、成都理工大学 博士学位论文 白鹤滩水电站多层位复杂介质坝基岩体结构特征及岩体质量分 级研究 姓名：魏玉峰 申请学位级别：博士 专业：地质工程 指导教师：聂德新 20100401 摘 要 I 白鹤滩水电站多层位复杂介质坝基岩体结构特征 及岩体质量分级研究 作者简介：魏玉峰，男，1979 年 1 月生，师从成都理工大学聂德新教授， 2010 年 06 月毕业于成都理工大学地质工程专业，获得工学博士学位。 摘 要 白鹤滩水电站层位众多、岩性复杂，建基岩体直接利用层位包含亚层 9 层、 岩性小层 50 层，主要岩性有：斜斑玄武岩、含斑玄武岩、隐晶玄武岩、微晶玄 武岩、柱状节理玄武岩、杏仁玄武岩、含杏仁
2、玄武岩、角砾熔岩、凝灰岩等近 11 种，介质类型体系复杂。不同岩性岩体在表观块度、纵波波速、力学性质等 多个方面出现非常明显的差异，最为明显的是柱状节理玄武岩和角砾熔岩，表观 结构与力学属性反差巨大，按现行规范或通用方法划分岩体结构和岩体质量，力 学属性最好的柱状节理玄武岩被判定为坝基最差的岩体， 而力学性质最差的角砾 熔岩却成为坝基最好的岩体， 划分结果不能反映岩体真实的工程地质性质。 同时， 众多的层位、复杂的岩性、不同岩性岩体各方面性质明显的差异，使坝基岩体在 岩体结构划分、岩体质量评价及力学参数取值等方面遇到了较大的难题和挑战， 对这种多层位、多岩性复杂坝基岩体开展工程地质评价，准确表
3、征表观结构与力 学性质反差巨大的岩体真实的工程地质条件， 研究在理论和工程实践上均具有重 要意义。论文以白鹤滩水电站多层位、多岩性的坝基岩体为研究对象，重点开展 复杂坝基岩体岩体结构划分和岩体质量评价的研究，主要取得了以下成果： （1）通过分析坝基多层位、复杂岩性、结构体特性与结构面发育程度差异 明显的岩体基本特征，在现场大量结构面调查、声波测试、现场及室内试验的基 础上，论述分析了当前单一块度指标划分岩体结构的有关问题，以及结构体性质 和结构面效应对岩体结构的影响，确定了岩体结构划分的参评因素和主要指标， 并针对坝址区岩体岩性多样、结构体性质差异明显、本底波速不同的典型特征， 创新性的提出了
4、完整程度划分指标同质完整性系数和不同结构类型的统一比 较指标标准结构系数， 建立了考虑结构体性质和结构面效应的岩体结构划分方 案， 划分结果能够准确体现表观结构与力学性质反差巨大的岩体真实的工程地质 条件。 （2）对坝基岩体风化、卸荷特征进行了研究，采用波速比、单元面积裂隙 成都理工大学工学博士学位论文 II 总条数和现场判断等定性定量指标对坝基岩体水平和铅直两个方向进行了风化 分带，分析了不同岩性岩体的风化特点；利用张开结构面数量和钻孔吕荣值对坝 基岩体开展了卸荷带划分。 （3）现场开展了数量较多的岩体变形试验，重点研究了柱状节理玄武岩变 形特征，并综合不同岩性岩体中开展的原位波速同步、应力
5、同向变形试验，获得 了相关性良好的岩体纵波波速与模量的关系式。 （4）统计分析结构体性质、岩体纵波波速、结构面间距、单元面积裂隙条 数等岩体特征指标，对特征指标一致或接近的岩体视为有效相近岩体，据此对坝 基 11 种岩性进行综合处理，合并为杏仁玄武岩、隐晶玄武岩、柱状节理玄武岩 和角砾熔岩这四个类似岩性层。 （5）根据坝基岩体的典型特征，确定了岩体质量分级的主要参评因素及量 化指标为岩体结构、风化、卸荷、结构体强度、刚度、岩体纵波波速、洞壁地震 波纵波波速、变形及强度参数，建立了岩体质量划分方案。 （6）采用类似岩性层资料共享和联用的方法，根据岩级划分方案对坝基 50 层小层（岩性层）岩体岩级
6、进行了划分，在此基础上对小层岩体进行并层处理， 利用理论公式计算获得了并层后大层 （岩流层亚层） 岩体的综合模量和综合波速， 最终对大层岩体开展了岩级划分。 （7）论文通过建立的相关关系式对各小层不同岩级的岩体力学参数进行了 取值，并根据理论公式对并层后大层岩体不同岩级开展了力学参数取值研究。 （8）从岩体结构、风化、卸荷、岩体质量等多个方面对坝基岩体工程地质 条件进行评价，并按岩体质量分级结果确定了建基面位置。 关键词：玄武岩 多层位复杂介质 结构体性质 结构面效应 岩体结构 岩体质量 岩体力学参数 Abstract III Research on Feature of Structure
7、and Quality Classification of Multi-stratum and Complex-medium Dam Foundation Rock Mass of Baihetan Hydropower Station Introduction of the author:WEI Yu-Feng, male, was born in January, 1979 whose tutor was Professor NEI De-Xin. He graduated from Chengdu University of Technology in geological engine
8、ering major and was granted the Doctor Degree in June, 2010. Abstract Baihetan Hydropower Station is featured by multiple stratums and complex lithology, whose construction of foundation rock directly applies stratums containing 9 sub-layers and 50 small layers of lithology. The main lithology inclu
9、de nearly 11 species, such as porphyritic basalt, aphanitic basalt, micro-crystalline basalt, columnar joints basalt, amygdaloidal basalt, amygdaloid-contained basalt, breccia lava, tuff, etc. made up of complex media type systems. Such lithology of rock has presented very distinct differences in re
10、spect to the apparent lumpiness, longitudinal wave velocity, mechanical property and other aspects. The most obvious presentations have been involved in columnar-jointed basalt and breccia lava, whose apparent structure and mechanical property have presented huge contrast. According to existing norm
11、s or general methods for the classification of rock structure and rock mass, the columnar-jointed basalt with the best mechanical property has been judged to be the worst rock mass for the dam foundation while the breccia lava with the worst mechanical property has become the best rock mass of the d
12、am foundation. Therefore, the classification results havent reflected the true geological nature of the engineering. Meanwhile, distinct differences in relation to various aspects, such as multiple stratums, complex lithology, different lithology of different rock mass have created problems and chal
13、lenges faced by the classification of rock structure of dam foundation, the quality classification of rock mass, the evaluation of mechanical parameters, etc. The present research would provide great significance in both theory and engineering practice for 成都理工大学工学博士学位论文 IV the engineering geologica
14、l evaluation of this kind of complex dam foundation of multi-stratum and multi-lithology and the accurate characterization of the true engineering geological conditions having great contrast between the apparent structure and mechanical property. Taking the Baihetan Hydropower Stations dam foundatio
15、n rock mass featured by multi-stratum and multi-lithology as the objective of study and focusing on the classification of the complex structure and the evaluation of of the dam foundation rock mass, the major results have been achieved as follows: (1) By analyzing the basic characteristics of the ro
16、ck mass featured by multi-stratum, complex lithology, the distinct differences between the textinite characteristics and structural surface developmental extent, based on a large number of onsite structural surface investigations, acoustic measurements as well as field and laboratory tests, related issues on the current classification of rock structure using single lumpiness indicators as well as the textinite nature and structural surface effect impacting the rockmass structure have been
