甘肃北山花岗岩岩体结构面粗糙度系数_JRC_研究

第24卷

2008年　

第5期9月铀 矿 地 质

Uranium Geology

Vol 124Sep 1

No 152008

甘肃北山花岗岩岩体结构面粗糙度系数(JR C )研究

①

徐　健,王　驹,宗自华

(核工业北京地质研究院,北京　100029)

[摘要]岩体结构面表面形态研究对岩石工程结构体强度及变形特征研究评价具有重要的指导意

义。文章评述了现有岩体结构面粗糙度系数(J RC )的各种测定方法及存在的问题,分析了在高放废物处置库预选场址甘肃北山花岗岩地区,用“简易纵剖面仪”进行地表岩体及钻孔岩心裂隙结构面

J RC 的测量结果。

[关键词]结构面粗糙度;简易纵剖面仪;花岗岩岩体;甘肃北山

[文章编号]100020658(2008)0520282207 [中图分类号]TU452 [文献标识码]A

①国际原子能机构(IA EA )支持的“中国高放废物处置库场址特性及性能评价研究”技术合作项目

(项目编号:CPR/4/024)。

[收稿日期]2007208207 [改回日期]2008204221

[作者简介]徐　健(1976),男,工程师,2005年在核工业北京地质研究院获硕士学位。

岩体结构面粗糙度系数是裂隙几何学特征研究中的重要参数。近年来,裂隙表面形态研究广受关注,该研究对地下水污染防治、核废深层地质处置及安全性评价、石油及天然气开采等都具有重要的意义[1,2]。

工程岩体由于实际的裂隙面大多数凹凸不平,这种凹凸不平相对于光滑面构成了粗糙界面,该界面的粗糙程度用粗糙度系数(J RC )来描述,因此J RC 定量化表明了裂隙

面的起伏程度。

由于粗糙裂隙面的工程岩体还存在着由于裂隙发育规模不同引起的尺寸效应、不同岩性引起的各质异性和同一岩性裂隙发育方向不同引起的各向异性等问题,所以裂隙结构面性质不同于金属及织物等的结构面性质。同时,由于裂隙的发育规模不同而使相应不同规模裂隙的尺寸效应对J RC 的影响不同,

这种影响结果以尺寸效应率(f n )来表示。

基于工程岩体裂隙面的各质异性、各向异性、尺寸效应及尺寸效应率等性质[3],使J RC 的具体测量比较困难,笔者采用杜时贵

教授发明的“简易纵剖面仪”进行J RC 测量,取得了良好效果。

1　JRC 研究现状及简易纵剖面仪介绍

111　JRC 研究现状

J RC 测量经历了Barton 标准剖面法、Turk 和Dearman 直接量测法(1989)、Tsc

和D 1M 1Cruden 表面粗糙参数法和王岐(1989)伸长率法等诸多方法[4]。此外,国内

外不少学者对J RC 的测量仪器也进行了研究(表1)。

这些方法及仪器的实际应用推动了J RC 的定量化研究,实践表明:理想的J RC 测量仪器和方法应同时满足两个条件,即:①对

第5期徐　健,等:甘肃北山花岗岩岩体结构面粗糙度系数(J RC)研究・283

　・表1　JRC的测量仪器和测量方法

T able1　JRC measuring instruments and methods

方法设备及方法名称研究者时间

光学摄像方法照相测量分析方法Wickens等1971电版光纤光学系统Y ilbas等1987图像处理方法Galante等1991干涉测量方法Shukla等1991视觉光纤探针和氦氖激光束技术Y ilbas等1998激光扫描方法Lanaro等1998先进自动地形测绘传感技术Grasselli等2000

机械触针方法直线轮廓剖面仪Fecker等1971 RSPⅠ智能岩石表面形态仪夏才初1994 L MR型自动机械剖面仪Grasselli等2000简易纵剖面仪杜时贵1993

岩体结构面表面轮廓曲线起伏幅度(A)的测量应达到一定的精度。根据岩体结构面表面形态的具体特点,对单个结构面表面轮廓曲线起伏幅度(A)的J RC测量精度建议控制在毫米级;②测量速度快,便于进行J RC的统计测量。

112　简易纵剖面仪介绍

杜时贵教授通过对野外岩体结构面表面形态进行的大量测试研究后发现:相对于光滑界面来说,岩体结构面上凹凸不平的起伏界面构成的界面表面轮廓曲线的起伏度为毫米级,若将测量误差控制在毫米级内,即可满足对结构面抗剪强度剪胀特性的评价和计算。据此,设计研制出简易纵剖面仪。

简易纵剖面仪主要由触头、绘图笔、平衡块、基准底座、固定板及绘图纸组成。在任意产状的结构面上,沿待测方向放置简易纵剖面仪,并使基准底座紧贴结构面表面,将平衡块均匀地从一端移至另一端,即可快速绘制结构面表面轮廓曲线。

使用简易纵剖面仪可在现场任意结构面上,沿任意方向快速绘制任意长和连续的表面轮廓曲线,效果良好[5]。

2　岩体表面粗糙度测量

研究对象为我国高放废物地质处置库预选区甘肃北山的花岗岩岩体。北山地区地处我国甘肃河西走廊,区内为戈壁山地,基岩裸露,植被稀少,属中亚半沙漠大陆性气候,冬夏两季温差高达72°,终年干燥少雨多风[6]。区域内节理多为剪节理,有些露头上可见典型的X型剪节理。

地表的主要研究区位于新场地段采石场附近,钻孔岩心测量以北山旧井地段BS03号钻孔为例。

该钻孔的钻进参数和钻进工艺为:设计孔深500m,采用金刚石钻头双管钻进,整孔取心,岩心直径<为63mm,完整地段岩心采取率>90%,用清水钻进,冲洗介质中添加示踪剂,每100m孔深倾角允许误差为±110°,方位角允许误差±510°。钻孔岩心按钻进顺序排放并用木质岩心箱保存[7]。

钻孔钻进及结束后,进行了钻孔电视测量、钻孔雷达测量、抽水试验、压水试验、地应力测试及声波测井等多项实验和测试,同时还采取了原状地下水样和岩石样品等。211　地表岩体表面粗糙度测量

21111　测线布置

首先选定测量岩体(曾经人工开挖)各组节理的代表性节理面,按图1所示在所选择的岩石露头内布置测量方向。在每一测量方向,按图2所示在岩石露头内根据同一节理延展发育布置测段,对J RC进行定向统计测量。

图1　J RC测量方向的布置

Fig11　Pattern of J RC measuring direction

21112　岩体结构面J RC的定向统计测量沿节理倾向(0°)、斜交(45°)、走向