第22卷 第7期
岩石力学与工程学报 22(7)：1132～1136 2003年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July ，2003
2001年9月10日收到初稿，2002年1月10日收到修改稿。
作者 范留明 简介：男，博士，现为西安理工大学土木科研流动站博士后，主要从事岩土工程和地质工程方面的教学和科研工作。
范留明1，
2 黄润秋
3 丁秀美3
(1西安理工大学水利水电学院岩土所 西安 710048) (2长安大学地质工程与测绘工程学院 西安 710054)
(3成都理工大学工程地质研究所 成都 610059)
摘要 根据结构面发育的主要特点以及工程实际需要，合理选择划分岩体结构均质区的岩体参数是必要的。在某些特殊情况下，选择结构面密度作为划分均质区的依据更为合适。为此，提出了一种基于结构面密度的岩体结构均质区划分方法，即密度分区方法，并通过对西南某大型水电站工程侧裂结构面的密度分区，证明了该方法的可行性。该方法简单、直观、易于操作，有很强的推广实用价值。 关键词 工程地质，结构面密度，岩体结构均质区，侧裂结构面，密度分区
分类号 P 642 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)07-1132-05
ANALYSIS ON STRUCTURAL HOMOGENEITY OF ROCK MASS BASED
ON DISCONTINUITY DENSITY
Fan Liuming 1，
2，Huang Runqiu 3，Ding Xiumei 3
(1College of Hydroelectric Engineering ，Xi ′an University of Technology ， Xi ′an 710048 China )
(2College of Geodesy ，Chang ′an University ， Xi ′an 710054 China )
(3Institute of Engineering Geology ，Chengdu University of Technology ， Chengdu 610059 China )
Abstract It is a kind of conventional method to analyse the structural homogeneity of rock mass according to statistical data of discontinuity orientation. However ，if the discontinuity orientation is similar in an area ，this method should not be used to evaluate homogeneity of structural populations. So a new method is put forward to analyse the structural homogeneity of rock mass based on discontinuity density ，and it is successfully applied to analysis on the structural homogeneity of discontinuities for sideslip surface in a large hydropower project in Southwest China.
闫肖锋Key words engineering geology ，discontinuity density ，structural homogeneity of rock mass ，discontinuities for sideslip surface ，division by discontinuity density
1 前 言
岩体结构面不仅导致了岩体力学性能的不连续性、非均匀性和各向异性，而且在很大程度上控制着岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征[1]。岩体结构均质区划分是岩体结构研究中的一项重要内容，旨在出相似结构岩体的边界，通常是在对岩体结构面进行大量现场调查的基础上，利
用统计和概率方法寻出相似结构岩体的边界，根据产状将研究区划分为若干个具有相似地质力学性质的独立区域，在每一个均质区内，岩体具有相似的结构特征和地质力学性质[2
～6]
。岩体结构均质区
划分的主要依据是结构面产状，尽管利用多个结构面指标可以更全面地反映岩体的力学特征，但在具体划分方法上还存在诸多困难，因此，单因素指标分区仍是当前岩体结构面研究中的一个主要方法。
在某些特殊情况下，选择结构面密度(或间距)
第22卷第7期范留明等. 一种基于结构面密度的岩体结构均质区划分方法 • 1133 •
作为划分均质区的依据更为合适。例如，在进行侧裂面边界条件调查时，由于在左、右岸可能构成侧裂面的结构面(简称侧裂结构面)只有一组，其产状变化不大，而且水电工程中又非常重视坝肩侧裂结构面的连通率，因此，在这种情况下就可将密度(或间距)作为划分均质区的标准。目前，如何利用密度来划分岩体结构均质区(简称密度分区)，尚没有一种完善的方法。作者在对西南某水电站工程坝肩侧裂面专题调查研究中，提出了一种基于结构面密度的岩体结构均质区划分方法，并用于该项工程的侧裂面专题研究中，取得了较好的应用效果。
2 岩体结构及其分区方法
岩体这一概念主要是相对岩石而言的，岩体被认为是处在一定应力环境中、被各种结构面所分割的岩体[1]。与岩石不同的是，岩体内部含有各种不同类型的结构面，这些结构面可以是层面、层理、节理、片理、片麻理、不整合面、断层、错动带、软弱夹层、火山喷发间断面和其他各种裂隙，它们往往是力学强度相对薄弱的环节，并导致了岩体力学性能的不连续性、非均质性和各向异性[1]。为了从整体上把握岩体的力学属性和介质性能，按照结构面的类型和性质，并结合工程具体实际情况，划分岩体结构均质区是非常必要的。
2.1岩体结构类型[1]
岩体结构面分类原则和具体方案很多，常见的方法主要有两种：一种是按照成因进行分类，这是一种最基本的分类方法，可分为原生结构面、构造结构面和浅表生结构面；另一种是按照规模进行分类，这种分类方法与工程关系较为密切，按发育规模可分为3个不同级别：贯通性软弱面(A类)、显现结构面(B类)和隐微结构面(C类)。上述分类方案不是唯一标准，文[7，8]根据结构面的发育规模和工程性状将结构面分为3级，并总结出了一套系统完善的描述体系。
利用上述分类方法描述岩体结构面仍然属于定性的，为了定量研究岩体结构面，1978年国际岩石力学学会规定了10项描述指标，其中包括产状、间距(或密度)、延续性、粗糙度、面壁抗压强度、充填情
况、渗流、组数和块体大小等。
2.2岩体结构分区的基本方法[2]
黄酮醇岩体结构均质区划分既是随机结构面三维网络模拟中不可缺少的一个环节，又是从宏观上掌握岩体均质性的一个重要手段。原则上，岩体结构统计分区需要描述结构面的全部要素，它们共同决定着岩体结构的宏观格局，从这个意义上说，单因素岩体结构统计分区方法不是一种完善的方法，只有当其他岩体结构特征相同或近似相同的条件下，单因素统计分区才有意义。另外，产状也不是唯一的分区标准，分区标准的确定不仅与岩体的结构特征紧密相关，而且也与实际的工程要求有着密切的关系。例如，研究岩体的水力学特征时，结构面的张开度就显得更为重要，而当其他因素差异不显著的情况下，选择张开度作为分区依据较为合理。
3 密度分区方法广州市中小客车总量调控管理办法
密度分区是按照密度将研究区岩体划分为若干个独立区域，在每一个区域内，结构面相对均匀分布。密度分区的主要任务就是要在空间(或平面)上出各个分区的边界，其具体计算过程主要包括4个步骤，即密度计算、样本定位、密度等值线图绘制和密度均质区划分。
3.1密度计算
就目前地质调查和测量水平而言，结构面密度尚无法现场直接测出，需要通过室内计算求得，具体算法如下：
以某测点为中心取一高度为h，宽度为w的采样窗口，如图1所示，h为平硐高度，窗口中心0.5w 处结构面密度值λ为
w
n
w
=
λ(1)
式中：
w
n为窗口内结构面条数，w为窗口宽度。
图1结构面密度采样窗口
2012奥运羽毛球男双决赛Fig.1 Sample window of discontinuity density
式(1)的物理意义为：结构面密度就是单位长度采样窗口内所包含结构面的条数，不断移动窗口就可据式(1)计算出一系列结构面密度值，即密度样本，移动长度即是采样步长。理论上，w值越小，越能精确地代表某点结构面密度值；但w太小，密度值变化范围也随之减小，极端情况的密度值只有两个，即零(窗口内无结构面)和某一常数(窗口内只
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包含一条结构面)，这样就失去了统计意义，无法正确反映岩体结构面的空间分布特征。因此，在密度分区中，合理选择w 是很重要的，原则上要求根据式(1)获得的密度样本必须有较强的统计意义。 3.2 样本定位
在进行密度分区之前，首先需将这些密度样本展示在平切图上，即进行密度样本定位。在岩体结构调
查中，对结构面定位通常是以平硐硐口(或硐底)为参考点进行测量的，所测结构面水平坐标实际上是相对平硐硐口(或硐底)的距离l ，而不是大地坐标(x ，y )，为此，应实现坐标之间的相互转换。
如果硐口(或硐底)坐标为P (o x ，o y )，平硐方向与x 轴夹角为α(如图2所示)，则平硐中各点结构面密度样本空间坐标(x ，y )可由下式确定：
⎪⎭
⎪
⎬⎫+=+=ααsin cos o o l y y l x x (2)
对于多处转折平硐，首先，利用硐口(或硐底)坐标P (o x ，o y )计算出各转折处的位置坐标；然后，再利用式(2)进行分段计算。
Fig.2 Coordinate transformation
3.3 绘制密度等值线图
密度样本及其位置确定后，理论上就可对结构面进行均质区划分，但直接利用密度统计结果进行手工分区，既费时、费力、低效，又带有一定的主观性。为了全面、客观、正确地进行密度分区，作者利用Surfer 6.0 for Windows 绘图工具，画出结构面密度等值线图，作为密度分区的辅助手段。
绘制结构面密度等值线图常分为网络剖分和绘图两个主要步骤，其中，选择网络剖分步长是关键。如果步长选择过大，则会丢失较多密度细节，甚至损失一些重要信息；如果步长选择过小，则会使密度等值线图非常复杂，以至于难以区分相似岩体结构区，致使分区变得更加困难。一种可行的办法，是将大步长密度等值线图和小步长密度等值线图结合起来，利用前者从宏观上分析结构面密度主体信息，利用后者从微观上分析某些相关细节。
3.4 密度均质区划分
密度均质区划分也分两个步骤：(1) 根据结构面的发育特征和工程实际情况确定分区标准；(2) 按照分区标准，在密度等值线图上确定出密度均质分区边界的位置。在密度分区中，所参照的主要资料是密度等值线图和结构面展布图[9
，
10]
，以密度等
值线图为主，结构面展布图为辅，通过相互对比和效验，寻出相似的结构岩体边界，从而达到均质区划分的目的。
4 应用实例
4.1 工程概况
拟建西南某大型水电站是一规模巨大的水力发电枢纽工程，大坝为双曲高拱坝。坝区为晚二叠系致密的玄武岩地层，地层中发育着3个级别的结构面：层间错动带、层内错动带和基体裂隙。其中，基体裂隙(属B ，C 类)数量最多，分布最广，是可能构成侧裂面的主体。基体裂隙迹长短小，呈对数正态分布，平均迹长约2 m ；张开度约0.2 mm ，基本上呈闭和状态；粗糙度属平直粗糙型；充填物以坚硬钙质为主。总体上看，基体裂隙具有随机性强和发育不均匀的特点。为了正确评价拱坝的抗滑稳定性，清晰地查明坝肩抗滑稳定侧裂面边界条件是必要的。为此，在坝肩抗力体上游部位，布置了大量
勘探平硐，通过对这些平硐揭示的侧裂结构面现场调查发现，左、右岸侧裂结构面分别由N20°W 和近EW 向陡倾基体裂隙构成，如图3所示。图3中
)Z (Z 11′～Z 5为纵勘探线，I 3～II 1为横勘探线；PD i 为平硐。为了掌握侧裂结构面的宏观发育特征，综合评价其连通率大小，作者对坝肩抗力体部位侧裂结构面进行了密度分区研究(如图4所示)。 4.2 密度分区及其分区结果分析[6]
4.2.1 密度分区
按照上述方法，对坝肩抗力体侧裂结构面进行了分区计算，分区结果详见图4所示。为了检验w 取值的合理性，对密度样本进行了统计。统计结果表明，当w 取10 m 时，其概率分布函数置信度最高，且服从几何分布：
10 )1()(1<<−=−p p p x P x (3) 式中：P (x )表示每10 m 内x 条侧裂结构面的概率；
p 为左、右岸分布函数参数，分别取0.44，0.31。这表明w 的取值是合理的。
样本位置按照式(2)计算确定，并据此作出侧裂
第22卷 第7期 范留明等. 一种基于结构面密度的岩体结构均质区划分方法 • 1135 •
图3 某水电站工程坝肩侧裂结构面可视化图
Fig.3 Visualization of structure surfaces of dam shoulder in a hydropower project
x / m
图4 某水电站工程坝肩侧裂结构面密度分区图
Fig.4 Structure discontinuity zoning of dam shoulder in a hydropower project
Z Z Z Z Z Z Z 5
Z 4
Z 3
Z 1Z 1
Z 1′
II 1
II 2
I 1
X I 2
I 30
100 200
300
400500
700
800
900 1 000
1 100
100
200
300 400 500
600 700 600II II I 1I 2I 3y / m
x / m
y / m
图例：
0～2条/10 m
0～4条/10 m
• 1136 • 岩石力学与工程学报 2003年
表1 坝肩不同密度分区的侧裂面所占百分比
Table 1 Discontinuity surface percentage for different density zones of dam shoulder %
1#侧裂面2#侧裂面3#侧裂面岸别
Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区左岸64.6 35.4 0.0 53.6
42.3 4.1 78.0 22.0 0.0
右岸63.5 27.3 9.2 40.0
观众中来60.0 0.0 39.6 60.4 0.0
结构面密度等值线图。并按照0～2条/10 m、2～4条/10 m和大于4条/10 m分别将坝肩抗力体分为低密度区、中密度区和较高密度区。这样进行密度分区的主要理论依据是：
(1) 小于0～2条/10 m意味着结构面间距大于5 m，发育极为稀疏，从根据“带宽投影法”计算连通率的角度来看，这种尺度的间距已远远大于所采用的投影带宽度。因此，此密度结构面分区可以不考虑连通率问题。
(2) 大于4条/10 m意味着结构面间距小于2.5 m，这种尺度的间距与坝区结构面基本间距接近，甚至比基本间距还小。因此，这一密度区对连通率贡献最大，应重点考虑。
(3) 2～4条/10 m介于上述两者之间，即结构面间距为2.5～5 m，因此，这一密度区对连通率有一定的贡献。
4.2.2 分区结果分析
由图4可见，坝肩抗力体侧裂结构面以低密度区和中密度区为主，较高密度区极少，左岸主要集中在PD80中段、PD82近支硐(PD82-1和PD82-3)处，右岸主要集中在PD69，PD07和PD15等平硐局部地段。
表1列出了侧裂面通过部位各种密度分区所占侧裂面长度百分比。表1中，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区分别表示侧裂结构面低密度区(0～2条/10 m)、中密度区(2～4条/10 m)和较高密度区(4条/10 m以上)；1#，2#，3#侧裂面，表示各拱圈侧裂面在平切图上投影编号。由表1可知，在侧裂面通过部位，侧裂结构面较高密度区数量少，均低于10%，有利于坝肩抗滑稳定。
5 结语
产状不是岩体结构均质区划分的唯一依据，在实际工作中，根据结构面发育的主要特点以及工程的实际需要，合理选择划分均质区的依据是必要的。在进行侧裂面专题调查研究时，选择结构面的密度(或间距)作为分区依据更为合适。为此，作者提出了一种岩体结构的密度分区方法，并通过对西南某大型水电站工程低高程侧裂结构面的密度分区，证明了此方法的可行性。虽然文中所引用的实际资料是侧裂结构面，但这一方法不仅限于侧裂结构面，可推广应用于对任何一组结构面进行密度分区。
另外，尽管文中所采用的密度分区标准有一定的工程意义，但是人为因素较大，尚没有建立密度分区与工程岩体质量之间的定量关系，这是一个值得今后进一步深入探讨的问题。
致谢在此项研究工作中，得到了成都理工学院的大力帮助，在此表示忠心的感谢！
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豫公网安备41160202000603
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