蝕變輝綠巖類型劃分及隧洞圍巖分級模糊評判

摘要：

蝕變輝綠巖是中國西部工程建設中一種較常見的巖體，其蝕變程度對工程巖體的性狀影響極大。以在建的大渡河硬梁包水電站蝕變輝綠巖為研究對象，根據蝕變輝綠巖的宏觀地質特征、巖石礦物學特征及力學試驗成果對其進行了類型劃分，并引入模糊數學理論對蝕變輝綠巖進行圍巖分級。研究表明：復雜的地質構造作用，造就了工程區內分布廣泛的輝綠巖蝕變帶；蝕變輝綠巖可分為微蝕變輝綠巖、碎裂化輝綠巖、碎裂輝綠巖、輝綠角礫巖、片理化輝綠巖和泥化輝綠巖6類；隨著蝕變程度增強，輝綠巖的碎裂化及高嶺石、綠泥石等黏土化程度逐漸增高，相應其力學強度逐漸降低。根據輝綠巖蝕變特征，選取飽和單軸抗壓強度、黏聚力、完整性系數、結構面特性參數、蝕變指數作為圍巖分級依據，建立了蝕變輝綠巖圍巖分級的模糊綜合評判方法，得到了巖質類型與圍巖等級的對應關系。最后以該電站開挖的兩條引水隧洞內的多條蝕變輝綠巖帶為例，對方法的可行性和合理性進行了驗證，圍巖評判結果與現場情況吻合較好，表明該方法具有較好的適用性。

關" 鍵" 詞：

蝕變輝綠巖； 蝕變特征； 圍巖分級； 蝕變指數； 模糊評判； 硬梁包水電站； 大渡河

中圖法分類號： TV554

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.016

收稿日期：2024-01-12；接受日期：2024-04-01

基金項目：

華能集團科技項目“大渡河硬梁包水電站蝕變巖發育特征與工程適應性研究”（HNKJ21-HF245）；國家自然科學基金項目（41572308）

作者簡介：

李健輝，男，碩士研究生，主要從事地質工程巖體穩定研究。E-mail：1736321827@qq.com

通信作者：

沈軍輝，男，教授，博士生導師，博士，主要從事工程地質和環境地質研究。E-mail：shenjunhui@cdut.edu.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2025） 01-0117-08

引用本文：

李健輝，沈軍輝，燕俊松，等.

蝕變輝綠巖類型劃分及隧洞圍巖分級模糊評判

［J］.人民長江，2025，56（1）：117-124.

0" 引 言

蝕變引起巖石的礦物組分、結構構造發生不同程度的變化，從而影響巖石的物理力學性質。尤其是黏土化蝕變巖往往構成工程巖體中的重大地質缺陷。輝綠巖是中國西南康滇地區一種常見的巖體，作為淺成侵入的基性巖，其往往呈脈狀或巖墻狀產出，礦物成分主要為輝石和基性斜長石，具輝綠結構，導致其具有硬脆性特征［1］，在后期的構造動力作用下易碎裂化，且伴隨不同程度的黏土化蝕變，從而劣化巖體的力學性質，如蝕變輝綠巖的變形模量和抗壓縮性能明顯降低，單軸抗壓強度大大低于原巖，巖石密度、縱波速度降低，巖體質量變差［2-4］。輝綠巖在后期的構造動力下易片理化及碎裂化甚至泥質化，并導致蝕變巖體中微觀孔隙發育，工程性質很差［5-7］。硬梁包水電站引水隧洞施工過程中，頻繁遭遇蝕變輝綠巖帶而產生圍巖大變形及塌方，共計誘發46次規模較大的塌方，是硬梁包水電站引水隧洞主要的工程地質問題之一［8］。

目前關于蝕變巖類型劃分主要有以巖石學特征描述為基礎的結構分類方案［9］和基于成因機制的分類方案［10］，并得到了后續學者的優化和改進［11-12］。董金玉等提出基于巖石蝕變指數和表觀特征為依據的蝕變程度劃分，將蝕變巖分為3個等級［13］。當前針對蝕變巖圍巖質量分級的研究成果相對較少。魏偉通過加權平均思想將非均質的蝕變巖帶概化為均質體，以圍巖單軸抗壓強度、完整性以及工程性狀作為主要指標，提出了蝕變巖工程地質分級方案［14］；苗朝、史永躍等將蝕變巖帶視為獨立工程單元，與圍巖分開評價［15-16］。模糊綜合評判是指對多因素影響的事物進行總體的模糊評判，它以模糊數學理論為基礎，對非定量化的問題進行定量化的評價，對解決一些不具有明確外延的非確定性問題比其他傳統方法更具優勢，在工程地質領域得到了廣泛的應用［17-19］。

目前，盡管國內外學者在蝕變巖的工程問題上開展了大量工作，但對蝕變輝綠巖類型的系統劃分和圍巖分級方法仍然有待進一步研究。鑒于此，本文針對硬梁包水電站引水隧洞輝綠巖蝕變問題，通過現場調查和室內實驗，對蝕變輝綠巖的宏觀地質特征以及巖石礦物學特征進行研究；以蝕變程度為基礎，對蝕變輝綠巖的類型進行系統性的劃分，將蝕變指數進行改進并用于定量描述輝綠巖蝕變程度；運用模糊數學綜合評判理論對圍巖進行詳細分級，建立蝕變輝綠巖圍巖分級的模糊綜合評判方法。運用大量數據論證了新方法對于蝕變輝綠巖圍巖分級的適用性，研究成果對類似的蝕變巖區工程建設具有一定的參考價值。

1" 工程概況與地質背景條件

1.1" 工程概況

在建的硬梁包水電站位于四川省甘孜州瀘定縣境內，是大渡河干流水電開發規劃中的第13個梯級電站，上游和下游分別為瀘定水電站和大崗山水電站。水電站采用低閘壩長引水式開發，總裝機容量111.4萬kW，為Ⅱ等大型工程。水電站輸水隧洞由兩條平行展布的長14.5 km、洞徑13.5 m的圓形隧洞組成，相距60 m，最大垂直埋深超過800 m，屬深埋長隧洞。

1.2" 區域地質背景

硬梁包水電站工程區地處康滇地軸北部的大渡河流域，大地構造位于揚子準地臺西緣與松潘—甘孜造山帶結合部位。區內經歷了自晉寧至喜馬拉雅多期次大規模的地質構造運動，形成了復雜的斷裂系統，其中以大渡河斷裂最為突出，斷裂帶為近SN走向，由多條不連續、平行的次級斷裂組成，控制著工程區域構造線的總體走向。工程區內輝綠巖蝕變帶的形成主要經歷了三期次發展過程：先受晚三疊世印支運動強烈的EW向構造擠壓，花崗巖基巖形成SN向逆斷層、NE向及NW向走滑斷層；在印支運動晚期，構造應力狀態轉變為NW向拉張和NE向擠壓，先期形成的花崗巖斷層處于張性和張扭應力狀態，巖漿貫入，形成輝綠巖脈；最后在喜山期隨著印度洋板塊與亞歐板塊碰撞，在擠壓應力場作用下，輝綠巖脈發生壓扭錯動，使其發生構造蝕變，在巖脈受剪過程中，巖石體積虧損而析出水分并與巖石發生水巖反應，造成了礦物的黏土化蝕變，最終形成了大規模的輝綠巖蝕變帶。

1.3" 工程地質條件

工程區地處青藏高原與四川盆地過渡帶，屬橫斷山系北段高山深切河谷地貌，河谷總體呈NNE向展布，且沿河谷及河床分布有第四系不同成因松散堆積物。工程區基巖為晉寧—澄江期的中酸性侵入巖，主要包括混合質花崗巖和閃長巖，巖體中穿插有大量印支晚期形成的輝綠巖脈，巖脈走向多為N40°～50°E，傾角多大于60°，寬度不一，最寬者超過7 m。據研究資料，現今工程區內以構造應力場為主，最大主應力方向為NWW～近EW向的擠壓應力，量值在16.4～21.1 MPa之間，屬高地應力水平。

2" 蝕變輝綠巖類型劃分與工程地質特性

引水隧洞內出露的輝綠巖蝕變程度差異性較大。據統計，強蝕變巖脈占55%，中等蝕變巖脈占21%，蝕變程度微—弱的巖脈僅占24%。根據蝕變輝綠巖的宏觀地質特征（圖1），結合相應的巖石礦物學特征及力學試驗成果，將蝕變輝綠巖分為6類（表1～2）。

隨著蝕變程度的增強，輝綠巖巖質從堅硬巖逐漸過渡到極軟巖，錘擊反應從清脆振手到聲音發悶、錘擊易碎最后到完全無回彈，泥化輝綠巖基本接近土的性質。巖體完整性逐漸降低，中等強度蝕變巖已基本為散體結構。構造蝕變作用引起輝綠巖中斜長石的高嶺石化和輝石的綠泥石化，隨著蝕變作用的增強，巖石中斜長石和輝石等原始礦物含量逐漸下降，黑云母被蝕變殆盡，石英含量少量增加，高嶺石、綠泥石等蝕變黏土礦物含量也相應增加（表2），泥化輝綠巖中的輝石已基本消失，黏土礦物含量可達70%以上。高嶺石和綠泥石均具有強親水性，遇水極易軟化，必然導致輝綠巖力學性質的劣化。

蝕變指數是指蝕變巖中蝕變次生礦物所占的百分比，是表征巖石蝕變程度的一種量化指標［20］。由于蝕變輝綠巖中的次生黏土礦物主要為高嶺石和綠泥石，因此本文將蝕變輝綠巖的蝕變指數定義為式（1）所示：

ks=xSemxPl+xPyx+xSem×100%

（1）

式中：ks為蝕變指數；xSem，xPl，xPyx分別為蝕變輝綠巖中黏土礦物百分含量、斜長石百分含量和輝石百分含量。

計算結果（表2）表明，隨著蝕變程度增加，蝕變指數相應增大，泥化輝綠巖蝕變指數平均值可達75%。

3" 蝕變輝綠巖模糊綜合評判

3.1" 模糊綜合評判原理

（1） 將對評判結果有影響的各種因素所組成一個集合，稱為因素集：

U={u1，u2，…，um}

（2）

（2） 將可能的評判結果組成一個集合，稱為評判集：

V={v1，v2，…，vn}

（3）

（3） 在因素集中，各因素對于評判結果的影響是不同的，用權數ai（i=1，2，…，m）反映各因素的重要程度，由權重向量表示：

A=［a1，a2，…，am］

（4）

（4） 建立模糊綜合評判矩陣：

R=［rij］m×n

（5）

式中：rij為某一評判對象的因素ui對于評判結果vi的隸屬度。矩陣R中第i行Ri={ri1，ri2，…，rin}為第i個評判因素ui的單因素評判向量，通常使用隸屬函數確定相應的隸屬度。

（5） 由權重向量A和模糊綜合評判矩陣R進行加權平均合成運算（·），得到相應的模糊綜合評判結果：

B=A·R=［b1，b2，…，bn］

（6）

式中：bj=mi=1airij（j=1，2，…，n）。

（6） 最后依據最大隸屬度原則取：

bj0=maxbj（0≤j≤n）

（7）

其所對應的分級vj即為評判結果。

3.2" 蝕變輝綠巖圍巖分級模糊評判模型建立

3.2.1" 因素集與評判集的確定

影響圍巖分級的因素很復雜，如何有效地從眾多影響因素中選取幾個主要因素作為評價指標，是圍巖分級準確性的關鍵。根據已有研究成果［21-22］以及相應的國家規范標準GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》［23］，遵循重要性、易測性和準確性的原則，同時考慮了蝕變輝綠巖獨特的工程特性和實際工程經驗，選取反映巖體力學性質的飽和單軸抗壓強度Rc和黏聚力c作為力學指標，反映巖體完整性和結構面特征的完整性系數Kv和結構面特性參數Jc作為巖體結構指標，及蝕變指數Ks這一反映黏土化蝕變程度的蝕變指標，共同組成蝕變輝綠巖圍巖等級模糊評判的指標體系，用集合表示為

U={u1，u2，u3，u4，u5}

（8）

5級圍巖劃分是目前常用的圍巖分級方法，但硬梁包水電站引水隧洞開挖實踐表明，同為Ⅴ級圍巖的蝕變輝綠巖的性狀差異較大，為體現中等蝕變與強蝕變巖體分級的差異，在原有5級圍巖劃分基礎上，有必要將Ⅴ級圍巖進一步劃分出Ⅴ1和Ⅴ2兩個亞類，評判集用集合表示為

V={v1，v2，v3，v4，v5，v6}

（9）

3.2.2" 隸屬函數的確定

對于選取的5個巖體指標，由于它們都是能夠定量描述的巖土特征指標，且是連續型的影響因素，所以可選用正態分布函數作為其隸屬函數，即：

μj（ui）=exp-（xi-mijσ）2

（10）

式中：xi是第i個評判因素的實際值，mij可取第i個評判因素的j等級區間的中值，σ為其標準差，計算式為

σ=u+ij-u-ij2-ln（0.5）

（11）

式中：u+ij和u-ij分別為j等級區間上限值和下限值。

根據GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》和前人研究成果［21-22，24］并征求專家意見，給出評判指標關于不同評判等級的取值范圍（表3），再根據表3中的指標劃分區間分別計算出各個因素相應于不同評判等級的隸屬函數（表4）。

3.2.3" 基于層次分析法的權重向量確定

權重向量是用于反映各個巖體指標對于蝕變輝綠巖不同圍巖等級劃分影響程度的量。層次分析法是在一定的專家經驗基礎上，結合統計和觀測數據，再運用一定的數學運算并檢驗其一致性的方法。該方法將主觀判斷和客觀描述相結合，相較于其他權重分配方法，具有更高的可信度。

層次分析法的主要步驟包括構造兩兩比較判斷矩陣、判斷矩陣特征值和特征向量的求解、一致性檢驗和權重向量的獲取4個主要步驟（圖2）。判斷矩陣的構造方法為任意選取因素集中的兩個元素ui和uj，比較

它們對于評判對象評判結果的相對重要程度，使用1～9的比例標度來進行評判，用元素aij表示。數值越大，表明ui比uj對于評判結果的影響越大，當uj與ui進行比較時，使用倒數1/aij表示比較結果。用此方法即可構造出一個5×5階的判斷矩陣E。

E=a11…a1nan1…ann=141321/411/511/4151321/311/311/21/241/221

（12）

依據方根法的求解原理，求解矩陣方程EW=λmaxW，即求解出判斷矩陣E的最大特征值λmax和最大特征值所對應的特征向量W=［W1，W2，…，Wn］T。計算步驟如下：

Wi=nMini=1nMi（13）

λmax=ni=1（EW）inWi

（14）

式中：Mi為判斷矩陣每一行元素的乘積，（EW）i表示向量EW的第i個元素。

在求得判斷矩陣E的最大特征值λmax和最大特征值所對應的特征向量W后，還應進行邏輯上前后統一的一致性檢驗。常用一致性比率CR進行判斷。表達式如下：

CR=λmax-n（n-1）RI

（15）

式中：RI為平均隨機一致性指標，對于5階矩陣，RI取1.12。當CRlt;0.10時，檢驗合格。當檢驗不合格時（CR≥0.10），需對判斷矩陣做出調整后繼續檢驗，直至檢驗通過。

由巖體指標的判斷矩陣權重計算結果可知（表5），評判矩陣的最大特征值λmax=5.070，對應的特征向量為W=［0.315，0.070，0.330，0.094，0.192］。

由一致性檢驗結果RI=0.016lt;0.10，可知評判矩陣滿足一致性檢驗條件。由模糊綜合評判原理可知，計算所得的特征向量W即為各個評判因素的權重向量A。

3.3" 實例計算

硬梁包水電站引水隧洞大致呈直角折線段展布，由SN向和NEE向兩個方向組合而成（圖3）。隧洞右側為大渡河，河流總體為大致呈NNE向展布的折線狀，左岸山體相對高差約2 500 m，隧洞平均垂直埋深500～600 m。

隧洞沿線主要出露混合質花崗巖和閃長巖，其間穿插大量蝕變輝綠巖脈。以隧洞樁號2#3+392處為例（圖4），開挖過程中出露寬達3 m左右的輝綠巖蝕變帶，產狀為N25°W/SW∠70°，主要由輝綠角礫巖構成，巖體蝕變程度較高，宏觀上很破碎，構造裂隙極其發育。該洞段施工方法采用全斷面鉆爆開挖，進尺為2 m，超前支護為拱頂120°范圍內小導管注漿，初期支護為C25噴混凝土15 cm，隨后安裝鋼拱架、掛鋼筋網，施作隨機和系統錨桿。但由于對巖體特性了解不足，支護措施采取不到位，巖脈部位掉塊嚴重，多次掉渣后發展為大規模塌方，塌方方量在300 m3以上，嚴重影響施工進度（圖5）。因此，對于較為寬大的輝綠巖蝕變帶，其已完全不能再劃分為花崗圍巖內的軟弱結構面，而是應該作為獨立的地質單元進行評價與處理。

為了驗證前文評判方法的可行性，采用硬梁包水電站兩條引水隧洞開挖出露的蝕變輝綠巖圍巖進行檢驗。先根據開挖洞段49處不同類型蝕變輝綠巖的宏觀地質特征進行圍巖分類，并取巖樣以測定巖體參數，本文僅列出其中的25處圍巖數據（表6），并以其中2#0+860洞段圍巖作為詳細探討對象，進行圍巖分級計算。

根據模糊綜合評判原理，先由隸屬函數計算出巖體的綜合評判矩陣，再將權重向量與評判矩陣采用加權平均型算子計算，得到圍巖關于各個分級的隸屬度：

B=A·R=（0.3150.0700.3300.0940.192）·0.0020.0860.5830.381000.21400.0200.0070.1870.87100.0440.3280.7790.00900.0730.1970.8660.02300000.0190.8940.3130.297=（0.0230.0600.3780.5510.0760.118）

（16）

據此，根據最大隸屬度原則，判斷此圍巖為Ⅳ級圍巖，與現場基于實際穩定情況和開挖支護狀況的定性圍巖分級結果相一致。

同時，將現有水電HC法圍巖分級結果與現場分級結果進行比較，其中HC法吻合率達81.6%，模糊評判法吻合率達91.8%。現有水電HC法以巖石飽和單軸抗壓強度、巖石完整程度和結構面狀態為基本參數指標，以地下水狀態和主要結構面產狀作為修正指標，然后采用求和法計算T值，來對圍巖進行系統分級。

由比較結果可得，模糊綜合評判法具有更高的可信度，因此該方法更適合于硬梁包水電站引水隧洞蝕變輝綠巖圍巖系統分級。計算結果統計可得，微蝕變輝綠巖主要為Ⅱ級圍巖，碎裂化輝綠巖主要為Ⅲ級圍巖，碎裂輝綠巖為Ⅳ級圍巖，輝綠角礫巖均為Ⅴ1級圍巖，片理化和泥化輝綠巖均為Ⅴ2級圍巖。以上計算表明，在測得巖體飽和單軸抗壓強度Rc、黏聚力c、完整性系數Kv、結構面特性參數Jc和蝕變指數Ks基礎上，可運用模糊綜合評判法對硬梁包水電站蝕變輝綠巖圍巖進行動態跟蹤評價，進而針對性地提出處理措施和支護建議。

4" 結 論

（1） 在對地質背景調查后得出，在三期次構造運動下形成了工程區內分布廣泛的輝綠巖蝕變帶，輝綠巖蝕變主要表現為巖石的碎裂化并伴隨輝石、斜長石的黏土化蝕變。

（2） 根據蝕變輝綠巖的宏觀地質特征結合相應的巖石礦物學特征及力學試驗成果，將蝕變輝綠巖分為微蝕變輝綠巖、碎裂化輝綠巖、碎裂輝綠巖、輝綠角礫巖、片理化輝綠巖以及泥化輝綠巖6種類型。

（3） 引入模糊數學理論對隧洞蝕變輝綠巖進行圍巖分級，選取飽和單軸抗壓強度Rc、黏聚力c、完整性系數Kv、結構面特性參數Jc和蝕變指數Ks作為圍巖分級指標，建立了蝕變輝綠巖圍巖分級的模糊綜合評判方法。

（4） 經硬梁包水電站兩條引水隧洞內圍巖檢驗，圍巖評判方法結果與現場圍巖類別吻合率達到91.8%，表明該方法具有較好的適用性。同時，得到了各類蝕變輝綠巖與圍巖等級的對應關系，對引水隧洞的施工和支護有一定的指導意義。

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（編輯：鄭 毅）

Classification of altered diabase types and fuzzy evaluation on tunnel surrounding rock

LI Jianhui1，2，SHEN Junhui1，2，YAN Junsong1，2，SU Yu3，WU Zhanglei3，CHEN Tao4

（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；

2.College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of technology，Chengdu 610059，China；

3.PowerChina Chengdu Engineering Corporation Ltd.，Chengdu 610072，China；

4.Sichuan Huaneng Luding Hydropower Co.，Ltd.，Ganzi 626100，China）

Abstract：

Altered diabase is one of the common rock masses in engineering construction in western China，and its alteration degree has a great influence on the characteristics of engineering rock mass.In this paper，the altered diabase of the Yingliangbao Hydropower Station under construction on Dadu River was taken as the research object，and the types of altered diabase were classified according to the macroscopic geological characteristics，rock mineralogical characteristics and mechanical test results，and the fuzzy mathematical theory was introduced to classify the degree of surrounding rock of altered diabase.The results show that a wide distribution of diabase alteration zones in the project area was formed under the complex geological tectonic action，and the altered diabase could be divided into six categories：mild-altered diabase，cataclastic diabase，cracked diabase，diabase breccia，schistose diabase and argillaceous diabase.With the deterioration of alteration degree，the fragmentation of diabase and the degree of clayification such as kaolinite and chlorite gradually intensified，so the corresponding mechanical strength gradually decreased.According to the alteration characteristics of diabase，the saturated uniaxial compressive strength Rc，cohesion c，integrity coefficient Kv，structural plane characteristic parameter Jc and alteration index ks were selected as the basis for the classification of surrounding rock，and a fuzzy comprehensive evaluation method for the classification of altered diabase surrounding rock was established，and the correspondence between rock type and surrounding rock grade was obtained.The feasibility and rationality of the method were verified by taking the multiple alteration diabase zones in two excavated diversion tunnels as an example.

Key words：

altered diabase； alteration characteristics； surrounding rock classification； alteration index； fuzzy evaluation; Yingliangbao Hydropower Station; Dadu River