算井子地段地表岩体结构面发育程度评价

魏 翔,芦安贵, 程汉列, 游声刚

(1.重庆工商大学废油资源化技术与装备工程研究中心，重庆 400067；

2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；

3.中海艾普油气测试(天津)有限公司，天津 300457)

高放废物地质处置作为特殊的地下工程，采用多重屏障系统，构建玻璃固化-废物储存罐-膨润土的工程屏障和高放废物地质处置围岩的天然屏障。由于高放废物中的放射性核素毒性大、半衰期长，地质处置库的安全评价期限至少要达到1万a[1]，而工程屏障在百年后失效，最终高放废物的隔离将依靠围岩。

花岗岩由于具有低渗透、高强度、抗辐射、阻核素等特点，已成为我国高放废物地质处置首选围岩。但是花岗岩体是由结构面和岩石组成的，这些结构面形成的网络通道构成放射性核素伴随地下水向生物圈扩散的媒介，威胁到处置库安全。因此研究地表岩体结构面几何特征及其发育程度对高放废物地质处置工程具有重要意义[2]。

国内外学者已对结构面几何特征开展了大量研究，并于1978年由国际岩石力学学会提出采用产状、间距(密度)、迹长、隙宽等10个指标来描述岩体结构面几何特征[3]。在结构面产状方面，Schmidt[4]提出了施密特图方法来统计结构面产状优势组及其分布规律；
Shanley等[5]基于聚类论开发了聚类分析程序来划分结构面产状优势组；
田开铭等[6]研究发现结构面产状服从Fisher分布。在结构面迹长方面，Priest等[7]提出采用测线法来统计地表结构面迹长，并通过测线与结构面空间分布关系来确定结构面迹长大小；
汪进超等[8]研究了基于钻孔摄像技术调查的结构面迹长及其统计方法；
Zhang等[9]基于采样偏差校正理论，采用圆形取样窗口来估算节理迹长。在结构面间距(密度)方面，Mauldon[10]提出了圆形窗口法来估算结构面密度；
Kulatilake等[11]通过假定迹长分布服从负指数分布来统计结构面中点位置，并计算获取结构面中点面密度；
杨春和等[12]采用了圆形取样窗口法来统计结构面迹长和中点面密度。

在研究结构面几何特征的基础上，国内外学者也提出了多种岩体结构面发育程度评价指标。1964年Deere[13]提出了岩石质量指标来评价钻孔岩体结构面发育程度；
Bieniawski[14]提出了岩体分类指标评价岩体工程质量指标，并利用岩石质量指标和结构面间距两个参数来表示岩体结构面发育程度；
Barton等[15]提出了岩体工程质量的定量化分类系统，并采用岩石质量指标与节理组数的比值来定量描述岩体结构面发育程度。

目前岩体结构面发育程度评价指标都是以统计尺度结构面(即节理型结构面)为主，但是对于高放废物地质处置工程来说，工程尺度结构面(即断层型结构面)对处置围岩的安全性和稳定性已有一定的影响。基于这一问题，本文以甘肃北山算井子地段BS22、BS23号钻孔周边岩体为研究对象，在调查和统计结构面几何特征的基础上，提出了多尺度结构面综合评价指标(multi-scale structural surface comprehensive evaluation index)来评价地表岩体结构面的发育程度，以期为高放废物处置库选址提供参考。

算井子地段为我国高放废物处置库甘肃北山预选区的有利候选地段[1]，位于甘肃省嘉峪关西北200 km处，属北山山系的马鬃山区，山峰海拔平均高差在100～200 m之间，属中低山地形。该地区属于典型的大陆性气候，干燥多风，年降水量小于60 mm，蒸发量则高达3039 mm，植被不发育；
常年干旱缺水，无常年流水，仅在暴雨之后有暂时性洪水。区内居民稀少，多为不定居的蒙古族牧民。这些都是算井子地段作为高放废物地质处置库场址的有利地质、水文和环境条件。

算井子地段地表岩体地质调查发现，区内发育有节理型和断层型结构面。节理延展性差，无论在走向上还是纵深方向上的发展均是有限的，一般在数米至数十米之间，无明显填充物，如图1所示。断层延伸数千米，连续性好，具有一定的厚度与方向，如图2所示。这些结构面的存在破坏了岩体的完整性，也影响岩体力学和渗流特性，是高放废物地质处置工程的不利因素。

图1 算井子地段节理发育情况Fig.1 Joint development in Suanjingzi area

图2 断层发育情况 Fig.2 Fault development

图3 算井子地段结构面调查范围Fig.3 Investigation scope of structural plane in Suanjingzi area

本文调查范围为BS22、BS23钻孔周边岩体4 km2范围内的节理以及发育的断层(图3)。采用测线法对地表露头进行详细、准确的现场测量，基于测线应尽可能与所有节理相交的原则，调查统计节理产状、迹长和位置等几何特征。采用解译法对遥感图像解译，并利用GPS定位工具，调查统计断层延伸长度、产状、断裂带宽度以及断层泥形态等几何特征。通过调查结构面几何特征来评价地表岩体结构面发育程度。

2.1 节理几何特征统计

节理是岩石在特定的地质环境和构造应力场作用下的产物。在高放废物地质处置工程中，主要开展节理产状、间距、迹长的调查。针对节理产状的统计，利用Dips软件获得节理产状玫瑰花图和极点等密度图。图4给出了BS22钻孔周围岩体节理产状分布，可以看出BS22钻孔周围地表岩体主要有4组节理。根据节理产状玫瑰花图和极点等密度图，得出BS22、BS23钻孔周围岩体节理优势产状如表1所示。

图4 BS22钻孔周围岩体节理产状分布Fig.4 Distribution of joint occurrence around BS22 borehole

表1 BS22和BS23钻孔节理优势组产状

在获得节理优势组基础上，统计节理产状频率分布，并绘制直方图，从而得出不同产状节理数量分布的拟合曲线及概率密度分布函数。图5为BS23钻孔180.0°∠79.1°优势组产状直方图、拟合曲线和拟合公式，可以看出节理产状服从正态分布。通过统计学方法可得到BS22和BS23钻孔周围岩体所有节理优势产状的拟合参数，结果如表2所示。

图5 BS23钻孔180.0°∠79.1°优势产状直方图、拟合曲线和拟合公式Fig.5 Histogram, fitting curve and formula of occurrence for dominant set 180.0°∠79.1°

节理密度和迹长的统计通常采用圆形取样窗口法[8]。本文根据测线法调查的节理位置数据，通过MATLAB编程，采用圆形窗口法统计节理迹长和中点面密度，分析圆形窗口不同直径和不同圆心位置下的节理迹长和中点面密度变化规律[16]。节理迹长和中点面密度计算公式为

表2 BS22和BS23钻孔节理优势产状拟合参数

(1)

(2)

式中：ν为节理迹长，m；
λ为节理中点面密度，m-2；
c为圆形窗口半径，m；
N0、N1、N2、N分别为贯穿型、相交型、包容型节理数量和节理总数量，条。根据式(1)和式(2)计算得出BS22、BS23钻孔周围节理平均迹长分别为20.38 m和17.39 m，平均中点面密度分别为0.037 m-2和0.035 m-2。

2.2 断层几何特征统计

根据算井子地段岩体遥感图(图3)，利用图像解译法可以初步统计出断层延伸长度和断层走向。以断层F1为例，由图4和区域应力场分布情况，可以得出断层F1呈北西—南东向分布，分布方向与最大主应力轴方向垂直，为压剪型逆断层。断层F1北西端开挖施工探槽(图6)，根据图6中探槽壁上断层泥和碎粒岩特征得出断层走向125°，断层面产状26°∠85°，断层泥宽约15 cm。通过GPS工具定位断层起始点，将地理坐标(经纬度)转换为平面坐标(x1，y1)和(x2，y2)计算出断层的延伸长度L：

(3)

由式(3)可计算得出断层F1延伸长度为4.49 km。

图6 断层F1施工探槽Fig.6 Exploratory trench of fault F1

结构面是地壳浅层中广泛发育的断裂构造，会影响工程岩体稳定性和安全性。影响岩体结构面发育程度的因素很多，目前岩石质量指标、结构面间距、结构面密度是描述岩体结构面发育程度的主要指标，建立适合我国高放废物地质处置工程的结构面发育程度评价体系具有重大的工程价值。

3.1 多尺度结构面综合评价指标

我国高放废物地质处置工程遵循处置库选址、场址评价、地下试验室和处置库建设 “三步曲”式的实施方案[17]，从1986年起开始进行处置库选址工作并分全国筛选、地区筛选、地段筛选、确定处置库建造场址4个阶段进行。本文主要是针对地段筛选阶段，通过研究地表岩体结构面(主要是断层和节理)发育程度评价来比选处置库场址。在综合考虑我国处置库建设所处的阶段和结构面几何特征统计数据的基础上，提出多尺度结构面综合评价指标来分析地表岩体结构面发育程度，计算公式如下：

M=FLiFWi+FJSR=FLiFWi+FNjFλjFνj

(4)

式中：M为多尺度结构面综合评价指标值；
FLi为断层i延伸长度对应的评分值；
FWi为断层i的断裂带宽对应的评分值；
FJSR为节理发育程度评价指标值；
FNj为钻孔j周围地表岩体的节理组数对应的评分值；
Fλj为钻孔j周围地表岩体的节理平均中点面密度对应的评分值；
Fνj为钻孔j周围地表岩体节理平均迹长对应的评分值。表3给出了结构面几何特征对应的评分值，由式(4)计算得出不同M值对应的岩体结构面发育程度如表4所示。

表3 结构面几何特征对应的评分值

表4 岩体结构面发育程度评价等级

3.2 评价结果

根据统计的BS22、BS23钻孔周边岩体4 km2范围内的节理及发育的断层几何特征，按照断层与钻孔的相对位置，将断层F0和F1划为BS22钻孔周围地表岩体，断层F3和F4划为BS23钻孔周围地表岩体，由式(4)可计算得出BS22和BS23钻孔地表岩体的M值分别为16.05和23.10，分别属于Ⅰ级和Ⅱ级，可见BS22钻孔周围地表岩体结构面发育程度比BS23钻孔低，更适合作为高放废物处置库建造场址。

a.BS22和BS23钻孔周围分别发育4个和5个节理优势组，节理产状均服从正态分布；
基于圆形窗口法，得出BS22和BS23钻孔周围岩体节理平均中点面密度分别为0.037 m-2和0.035 m-2，平均迹长分别为20.38 m和17.39 m；
通过图像解译法和形貌观察得出断层F1走向为125°，断层面产状为26°∠85°，断层泥宽约为15 cm，延伸长度为4.49 km。

b.提出了多尺度结构面综合评价指标来进行地表岩体结构面评价，通过计算比较BS22和BS23钻孔周围地表岩体多尺度结构面综合评价指标值，得出BS22钻孔周围地表岩体结构面发育程度较低，更适合作为我国高放废物处置库建造场址。