福建云霄晶洞(鉀長)花崗巖物理力學特性分析

朱事業

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

晶洞(鉀長)花崗巖是一種特殊的花崗巖類巖石。國內外許多學者對晶洞花崗巖成因進行了大量的研究工作。如張理剛[1]通過氫、鍶、硫、氧同位素資料研究指出：晶洞花崗巖是巖漿結晶過程中尚處于亞凝固狀態條件下，當發育構造剪切裂帶時，在大氣降水循環淋濾作用下而形成串珠狀晶洞構造的花崗巖體。據吳克隆、楊超群[2]等，晶洞花崗巖演化系列巖石在我國位于福建東部政和—大埔斷裂以東的晚中生代火山盆地中，向NE延伸至浙江東南部進入東海，其形成與深度構造和長樂—南澳斷裂帶有直接聯系(見圖1)。晶洞花崗巖作為一種特殊的花崗巖體，對其物理力學特性的分析研究文獻較少。

1 地質背景

擬建于福建云霄縣境內的某水電站工程位于武夷—戴云隆褶帶的閩東—粵東火山斷拗帶中部內(見圖1)。在新構造運動方面，本工程處于閩東—粵東沿海差異隆起區和閩中—粵中掀斜隆起區。區域性NNE～NE向長樂—詔安斷裂帶的西側和安溪—南靖斷裂帶的東側、NW向上杭—云霄斷裂帶的北側。NNE～NE向和NW向區域性斷裂帶相互交錯，在近場區構成了北東為主、北西次之的斷裂構造格架。

圖1 晶洞花崗巖系列巖石分布及研究巖體位置[2]

工程區出露地層主要有侏羅系上統南園組(J3n)火山碎屑巖、沉積巖類，早白堊世(K1)晶洞花崗巖體等。侏羅系上統南園組(J3n)可細分為第2段(J3n2)及第3段(J3n3)兩套地層，其中第2段地層巖性以淺灰白、灰色的流紋質晶屑熔結凝灰巖為主，夾有透鏡體狀凝灰熔結角礫巖；第3段地層巖性以深灰色英安質晶屑熔結凝灰巖為主，夾有透鏡體狀熔結角礫巖。早白堊世(K1)侵入花崗巖體，與侏羅系上統南園組(J3n)地層呈侵入接觸關系，可細分為大洞單元(K1Dd)及浯田單元(K1Wt)花崗巖巖體。大洞單元(K1Dd)巖性為灰白～淺肉紅色晶洞細粒似斑狀鉀長花崗巖，出露面積較小。浯田單元(K1Wt)巖性為淺灰白～淺肉紅色晶洞細中粒(鉀長)花崗巖，塊狀構造，晶洞發育，是本工程建筑物區主要巖體。

晶洞(鉀長)花崗巖由石英(20%～35%)、鉀長石(40%～50%)、酸性斜長石(10%～20%)、白云母～黑云母(1%～2%)等礦物組成，礦物粒徑以2.0～5.0 mm為主，晶體粒徑由中央相向邊緣相變小。巖體晶洞大小不一，形態呈橢圓形、長條形、扁平狀或不規則狀，洞徑以2～20 mm為主，大者可達5 cm以上，洞內往往有石英、鉀長石礦物分布，在中央相巖體內分布呈串珠狀，邊緣相則分布不規律甚至消失。

巖石的風化、節理裂隙發育[3]對工程巖體的質量和穩定性起著重要的影響，主要體現在使巖石疏軟以至松散，物理力學性質變壞。本文研究晶洞發育對花崗巖體的物理力學特性的影響，為了避開風化、裂隙等因素，所取樣品均為無明顯節理裂隙發育的微風化或新鮮巖石[4]。巖石室內試樣均利用工程項目鉆探巖芯制作，取樣后的試件立即蠟封保存。室內測試依照《水利水電工程巖石試驗規程》[5]執行。

2 物理指標研究分析

表1是對試樣物理指標測試成果統計結果，由表1可知：① 密度指標均極小離散性，表明巖石結構穩定，礦物組成及分布均勻，類似于“均質體”；顆粒密度為2.57～2.64 g/cm3，塊體密度烘干狀態為2.48～2.64g/cm3。密度指標分布于經驗參數的低值區間，晶洞導致了巖石密度減小。② 孔隙率離散性大，范圍為1.04%～4.13%，且多數大于經驗值，晶洞發育導致巖石孔隙性增大，孔隙率離散性大也表明晶洞形態、局部分布的不均勻性。③ 孔隙率離散大，而密度指標基本無差異，分析原因為晶洞多以空洞為主，內部礦物生長或充填物較少。④ 自然吸水率、飽水率離散性大，飽水系數離散性較小，且飽水系數平均值為0.83，晶洞的發育對于巖體自由飽和有利，其抗凍性能較差。

表1 微、新晶洞(鉀長)花崗巖試樣室內測試物理指標統計

3 力學指標研究分析

表2是試樣室內測試強度、變形指標統計成果。另外，在現場選取2處新鮮完整巖體進行了原位變形試驗，試驗測彈性模量Ee范圍值為44.12～63.95 GPa，平均值為53.01 GPa；變形模量E0范圍值為31.98～40.01 GPa，平均值為34.55 GPa。

統計表2并結合現場巖體變形測試成果得出：① 變形指標和抗壓強度指標均分布于經驗值之間，未因晶洞發育表現出較差的抗變形及抗破壞性能；晶洞雖發育但并未形成連通的空洞，對巖石結構強度影響較小。② 室內試驗及原位測試所得彈性模量、變形模量，與孔隙率相似，都表現出較大的離散性，天然孔隙率與彈性模量表現出較好的線性相關性(如圖2所示)；晶洞發育對巖體彈性變形特性不利，晶洞越多則巖石的彈性變形特性越差；另外因晶洞形態的差異、局部非均勻分布、晶洞大小差異、試驗樣品的代表性等綜合因素，導致變形指標測試值離散性大。③ 單軸抗壓強度指標離散性較大，統計中僅有1組小于100 MPa，2組強度大于200 MPa，其余均在100～200 MPa之間，分布于與經驗值參數區間。圖3是飽和單軸抗壓強度指標與孔隙率關系曲線示意，兩者表現出較好的線性相關性，晶洞的發育在一定程度上對巖體抗壓強度不利。④ 室內抗剪斷強度平均值較小，尤其是黏聚力指標均小于經驗值，晶洞導致巖體抗剪性能變差。

表2 晶洞(鉀長)花崗巖室內測試力學指標統計成果

圖2 孔隙率與不同狀態下彈性模量對應關系示意

圖3 孔隙率與飽和單軸抗壓強度關系示意

圖4是橫軸以飽和單軸抗壓強度，縱軸為飽和狀態彈性模量的綜合圖解示意。斜線A模量比為500:1。斜線B模量比為200:1。由圖4可知晶洞(鉀長)花崗巖模量比均分布于A～B曲線范圍內，參照Miller和Deere[7]提出的分類法，屬中等模量比、強度高(BM)巖石。巖塊強度和模量變化均較大，但模量比分布為217.5～361.6范圍，差異較小，宏觀上體現出巖石結構的均勻性。

圖4 單軸抗壓強度與彈性模量綜合示意

4 晶洞連通性研究

晶洞的連通性強弱，可用巖體的透水特性反應。為研究巖體中晶洞的連通性，依照行業規范《水電工程鉆孔壓水試驗規程》[8]進行了鉆孔常規壓水和高壓壓水試驗測試，測試巖體透水率的大小。常規壓水試驗采用鉆孔自上而下進行，單栓塞隔離，3 級壓力[9](0.3 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa)5 個壓力階段進行測試。高壓壓水試驗利用鉆孔自下而上進行，雙栓塞分段隔離，按7級壓力(最大試驗壓力約8 MPa)13個壓力階段進行測試。各壓水試驗成果分析如下。

1) 常規壓水試驗

常規壓水試驗用以測試埋深小于30 m巖體透水特性。本文選取的壓水測試段為鉆探取芯基本無明顯節理裂隙發育，但晶洞構造較發育的微、新巖體。表3是212段測試統計成果，透水率計算值分布范圍為0.06～2.64 Lu，平均值為0.58 Lu，所有測試段均表現出弱透水性～微透水[4]，且以微透水為主，表明巖體中的晶洞為分散小洞穴并未形成透水通道。

表3 常規壓水試驗測試成果統計

2) 高壓壓水試驗

本文選取PDZK6號孔深度范圍為412.3～426.9 m巖體進行3段高壓壓水試驗分析。巖體取芯工藝為繩索取芯[10]，地質描述為新鮮晶洞(鉀長)花崗巖，整體結構[11]，無節理裂隙發育。每段試驗長度均為4.2 m(第1段孔深為412.3～416.5 m、第2段孔深為416.5～420.7 m，第3段孔深為420.7～424.9 m)，最大試驗壓力第1、2段為8.1 MPa，第3段為8.2 MPa，壓力分級、各級流量及各級壓力下透水率計算值見表4。表4中最大壓力階段計算的透水率q均小于1 Lu，為微透水巖體[4]。圖5～7是由測試成果得出的P～Q曲線示意[12-13]，3段試驗測試的升壓曲線凸向Q軸，且隨著壓力P升高Q變化較小，且Q趨近一極值，不再隨著壓力升高而變化；降壓曲線與升壓曲線基本重合，整個試驗過程巖體透水性基本無變化；表明晶洞發育不僅連通性差，而且整個試驗過程中未發生變化。

表4 PDZK6孔高壓壓水試驗成果

圖5 第1段P～Q曲線示意

圖6 第2段P～Q曲線示意

圖7 第3段P～Q曲線示意

由壓水試驗表明：巖體中雖晶洞發育，但以分散性的小洞穴為主，各洞穴間基本無連通，且晶洞具有一定的結構強度。巖體發育的晶洞以分散的、未連通的小洞穴為主，對巖石結構強度影響較小，由此說明晶洞(鉀長)花崗巖的物理指標表現出一定的特異性，而力學、變形指標并未與普通花崗巖有明顯差異的原因。

5 結語

通過該水電站項目，對采集的微、新晶洞(鉀長)花崗巖巖樣室內物理力學試驗測試成果，及原位巖體鉆孔壓水試驗測試成果分析，得出晶洞(鉀長)花崗巖因晶洞發育，其物理力學特性有其自身的特性。

巖體晶洞的發育，使得巖塊密度較普通花崗巖較小，重度變輕。晶洞花崗巖孔隙性較大，吸水率指標偏高。孔隙率和彈性模量有較好的線性相關性，表明晶洞的發育降低了新鮮巖體的彈性體特性。另外，隨著孔隙率的增大，巖石的飽和單軸抗壓強度在一定程度上表現出降低的趨勢。

晶洞的分布導致巖體的抗剪性能變差，抗剪斷參數較普通花崗巖較低。抗壓強度和變形指標并未因晶洞的發育，與普通花崗巖相比未表現出明顯特性，巖體晶洞分布以零散的、未連通的小洞穴為主，并未破壞致密塊狀結構花崗巖的結構強度。巖石的模量比屬中等模量比，其值分布范圍為217.5～361.6，變化較小，宏觀上體現其結構的均勻性。

由原位巖體鉆孔常規壓水試驗成果表明，晶洞發育未使巖體表現出較大的透水特性，其連通性差。在巖體內進行鉆孔高壓壓水試驗，約8 MPa壓力范圍內巖體仍屬微透水巖體，其升壓過程與降壓過程基本重合，晶洞結構和連通性均未改變。晶洞的未連通，也正是晶洞(鉀長)花崗巖物理特性與普通花崗巖體有差異，而力學特性差異小的主要原因。

本文主要分析因晶洞的發育對新鮮或者微風化巖體物理力學特性的影響程度，排除了風化、裂隙等因素的影響。晶洞花崗巖的物理力學特性與普通花崗巖類表現出一定的特異性，主要是孔隙性大、重度低、巖體的彈性變形特性較差、抗剪性能較差的特點，在晶洞花崗巖發育地區進行施工時，需特殊對待。