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工程岩体分类方法及其意义的探讨

 

工程岩体分类方法及其意义的探讨(共14页)

摘要

工程岩体分类是岩石力学研究的一个重要内容。

本文对国内外较具影响力的工程岩体分类方法及相应的岩体质量指标进行了归纳介绍,并对其中个别分类方法的优缺点进行了探讨,最后指出了工程岩体分类在对可利用岩体作出判别、工程优化设计过程中的重要作用,指出了工程岩体分类的指导意义。

关键词:

岩体分类;质量指标;工程优化设计

第1章诸论

工程岩体指各类岩石工程周围的岩体,这些岩石工程包括地下工程、边坡工程及与岩石有关的地面工程,即为工程建筑物地基、围岩或材料的岩体。

而工程岩体分类是指通过岩体的一些简单和容易实测的指标,把地质条件和岩体力学性质参数联系起来,并借鉴已建工程设计、施工和处理等成功与失败方面的经验教训,对岩体进行归类的一种工作方法[1]。

一个工程项目在可行性研究阶段和初步设计阶段,如果缺少岩体具体而详细的强度和水文地质资料时,工程岩体分类系统就会成为一个很有用的工具。

选择合适的分类系统能帮助我们更好地了解岩体的质量好坏,预测可能出现的岩体力学问题,从而为工程设计、支护衬砌、建筑选型和施工方法选择等提供参数和依据。

从这个角度而言,考虑岩块强度、结构面强度等诸多因素,以工程实用为目的的岩体分类,不仅是岩石力学研究的一个重要内容,而且对实际工程具有重要意义。

从Ritter(1879)谋求将经验方法公式化用于隧洞设计,尤其是决定支护形式开始,岩体分类系统的发展已有100多年历史。

其间,国外许多学者作了大量的研究工作,如早期的太沙基(Terzaghi,1946)、劳弗尔(Lauffer,1958)和迪尔(Deere,1964)等。

20世纪70年代以后,随着岩体工程建设的不断发展,工程岩体分类方法的研究取得了显著的进展,如威克汉姆(Wikham,1972)等提出了RSR分类法,宾尼奥斯基(Bieniawski,1973)提出了RMR分类法,巴顿(Barton,1974)等提出了Q系统分类法等。

随后,霍顿(1975)、宾尼奥斯基(1976)、巴顿(1976)和拉特利奇(1978)等分别对各种分类方法进行了一系列的比较研究。

我国于20世纪70年代相继在一些行业或部门开展了工程岩体分类方法的研究,并自20世纪70年代起国家及水利水电、铁道和交通等部门,根据各自特点提出了一些围岩分类方法及其应用的工程实例。

如国家为制定《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GBJ86-85),(2001年修订为GBJ50086-2001)而提出的工程岩体分类;铁道部门为制定《铁路隧道设计规范》(TB10003-2001)而提出的铁路隧道围岩分类,总参工程兵(坑道工程)围岩分类等。

1994年颁布了我国国家标准《工程岩体分级标准》(GB5018-94),该标准提出了分两步进行的工程岩体分级方法:

首先根据岩体坚硬程度和完整性这两个指标进行初步定级,然后针对各类工程特点,并考虑其他影响因素对岩体基本质量指标进行修正,再对工程岩体进行进一步分级。

该标准为我国岩体工程建设中岩体分级提供了一个统一的尺度,为我国岩体工程的设计,施工提供了可靠的基础,已经被一些行业规范所采用[2]。

本文对国内外较具影响力的工程岩体分类方法进行了归纳总结,并就这些分类方法的工程指导意义进行了进一步的探讨。

第2章国外工程岩体分类

太沙基岩体分类

应用岩体分类进行隧洞支护设计最早的文献出现在太沙基(1947)的一篇论文中。

论文中对钢架支护承担的岩体荷载,在定性分类的基础上进行了估计,引起人们对控制岩体性质的那些特征的关注,特别是重力构成主驱动力的情况。

太沙基的描述性分类定义清晰,他认为:

完整岩石既无节理也无微裂隙,因此,岩体若破裂,裂缝必然穿过坚硬岩块,由于爆破、剥落造成岩体的损伤,顶板可能在数小时或数天之内崩落,此即为剥落条件。

完整硬岩还可能遇到岩爆,即岩板(块)从顶板或侧壁上突然剧烈地脱落下来。

层状岩石:

由单个岩层组成,沿层与层之间的边界间的岩块局部紧密结合,侧壁无需支护,剥离及岩爆都可能发生。

块体及薄层岩石:

由完整或几乎完整的岩块组成,各自分离,岩块间无化学结合,侧壁需支护。

破碎岩:

破碎但未受化学扰动,具流动特性。

如果大多数甚至全部碎块细如沙粒,则位于地下水位之下的破碎岩石具有含水砂层的性质。

挤压岩石:

缓慢地朝隧洞中产生位移,无明显体积增量,先决条件是膨胀性小的云母矿物或粘土矿物微粒或次微粒含量较高。

膨胀岩石:

膨胀岩石向隧洞内产生位移,主要局限于那些富含膨胀性矿物如含蒙脱石的岩石。

太沙基的这种分类方法尽管受主观的或经验的影响,但它简便易行,不需要进行复杂的地质调查或岩体物理力学测试。

这种分类方法常为长隧道设计所采用,按这种分类方法所确定的支护结构上的荷载是作为岩石松动力荷载考虑的。

如果围岩产生的实际压力远大于这种松动荷载,则这种方法就不适用了。

劳弗尔支撑时间分类法

劳弗尔(1958)认为未支护跨度的自稳时间与洞室所在岩体的质量有关。

在隧洞中,未支护跨度定义为隧洞的跨度,若在掌子面到最近的支护距离大于隧道跨度的情况下,定义为掌子面到最近的支护距离。

劳弗尔提出的分类方法已被许多专家修正,形成了现在所谓新奥法的一部分。

自稳时间要概念的意义在于隧洞跨度增大将使可供安装支护的时间大大减少,如一条小跨度的导洞可以在少量支护情况下成功建造,而同样岩体条件下的大跨度隧洞,如果不立即安装牢固的支护,则可能是不稳定的。

新奥法包括在各种破坏发生前的自稳时间有限的岩石条件下进行隧洞安全施工的多种技术,这些技术包括采用顶拱小型导洞、分步开挖和采用多平硐方法形成支护环,以便进行大规模开挖。

此类技术可用于开挖太沙基所说的有可能产生挤压和膨胀问题的页岩、泥岩之类的软岩,这项技术同样适用于非常破碎岩体的隧洞施工。

但是,在将这些技术使用于开挖坚硬岩石时,应非常小心,因为其破坏机制不同。

在对坚硬岩石中的洞室进行设计时,假设围绕洞室的岩体的稳定性与时间无关时应该小心,因为,当结构面形成的楔形体露于洞室的顶部时,一旦岩石支护被去掉,它将会垮落,这种现象可能发生在爆破掘进中或者在随后的扩挖期间。

如果要求这些楔形体保持原位或要提高其安全性,必须尽快地安装支护,最好在支护安装之前,整个楔形体前能被清除。

另一方面,承受高应力的岩石中的洞室破坏常由于开挖导致应力环境的改变而产生,此时,洞室逐渐破坏,表现形式为自行剥落、片帮或者以岩爆的形式突然发生。

不管大哪种情况下,支护设计均应该多多考虑应力方面的改变而不是仅仅注意开挖的自稳时间。

RQD岩石质量指标分类

岩石质量指标RQD是由迪尔等人于1964年提出的,是根据岩芯记录提供对岩体质量的定量评价,认为钻探获得的岩芯完整程度与岩体的原始裂隙、硬度、均质性等状态有关。

岩石质量指标的定义是大于10cm的完整岩芯占岩芯总长度的百分比,岩芯直径至少为,并用双层岩芯管钻进[3]。

(2-1)

根据RQD值的大小,将岩体质量划分为5类。

表2-1基于RQD的岩体分类

RQD

<25

25~50

50~75

75~90

>90

岩石质量描述

很差

一般

很好

等级

Palmstrom(1982)提出,在没有岩芯资料但在地表露头或探硐中可以看到不连续面时,岩石质量指标的值也可以通过单位体积内节理数(不连续面)来估计,对于不含粘土的岩体的换算关系为

(2-2)

式中

——每立方米中的总节理数,又称为体积节理数。

岩石质量指标是一个与方向有关的参数,其值的变化可能很大,取决于钻孔的方向,使用体积节理数概念在减少该参数的方向性影响方面非常有用。

岩石质量指标试图反映现场的岩体质量,用金钢石钻具钻取岩芯时,必须小心以保证由操作或钻进产生的破裂在确定岩石质量指标时能被鉴定出来。

当将Palmstrom方程用于根据露头测绘估计

时,不应包括爆破产生的破裂面[4]。

RSR岩体结构等级分类法

威克姆(1972)曾提出了一种比较全面的岩体分法的方法,该方法充分考虑了岩体结构特性和状况,并给出具体参数的定量指标RSR,岩石的等级则是由RSR的定量指标来划分:

RSR=A+B+C

式中A——表征岩体种类和地质构造特征的参数

B——表征沿掘进方向的节理类型的参数

C——表征地下水对节理状况影响的参数

对某一地质剖面而言,RSR值是参数A、B和C的总和,它反映了岩体结构的质量。

参数A是一种评价隧道轴线所穿过的岩体的结构状况的参数,它与隧道的开挖尺寸无关,也与其施工措施和支护手段无关,在工程建设前期,需要进行规范化的地质勘察获取有关的地质构造特征的资料,用来确定该参数A的取值。

参数B是与节理类型(走向、倾角和节理间距)和掘进方向有关的参数,一般地质调查或地质图给出岩层的走向和倾角。

据此,可得到岩层的有关节理类型参数的近似值。

相应的隧道掘进方向是由工程规划所确定。

通常可使用地质资料提供的岩层的节理特征并预先选用几种工程布置(隧道走向)取得节理间距估算的平均值,如节理密度或岩体块度分析,岩心分析或RQD(岩石质量指标)等地质资料,并结合考虑岩层产状和掘进方向的影响。

参数C是一项影响支护量级的地下水流动估计参数,它考虑如下因素:

(1)岩体结构性所有质量,即A+B之和表示的数值;

(2)节理面的状况;(3)地下水的渗出量。

在预测地层的水文地质条件时,分析地下水流动情况应结合抽水试验、当地水井情况、地下水位、地表水文、地形和降雨量等因素综合考虑。

评价节理面的状况特征,应考虑地表情况、地质历史、钻孔岩芯取样等方面的情况综合分析。

对于某一地质剖面而言,RSR值是参数A、B、C的总和,此值范围一般在25~100之间,反映了岩体结构的质量,隧道穿过的每一特别地层的结构特性都应予以分别分析与评价,从而得到相应的RSR值。

根据所得的岩体的RSR值,可由下式估算岩体荷载:

(2-3)

式中Wr——岩体荷载

D——开挖直径

RSR——岩体结构等级

一旦得到了Wr的值,便可应用荷载——结构法进行地下结构的设计。

RMR岩体力学等级分类法

岩体力学等级是宾尼奥斯基(1973)提出的一种岩体分类方法,该分类法考虑了岩石抗压强度、岩体质量指标、节理间距及节理状况地下水等五种因素,根据个参数,建立了岩体质量评分标准从而进行岩体分类。

岩体力学等级的确定方法分两步进行:

第一步对某一特定岩体,先按岩石抗压强度、岩体质量指标、节理间距及节理状况地下水等五种因素逐一评定,并按规定的评分标准评出分数,然后再把五个单因素的分数累加起来,得到岩体分类指标RMR的初值;第二步,根据节理裂产状变化对第一步得到的初值加以修正。

修正的目的,在于进一步强调节理裂隙对岩体稳定产生的不利影响,修正评分的取值办法如表2-2所示,经修正后的岩体总评分实质上就是岩体质量综合评价指标。

表2-2按节理方向的修正评分值

节理走向和倾向

非常有利

有利

一般

不利

非常不利

隧洞

0

-2

-5

-10

-12

地基

0

-2

-7

-15

-25

边坡

0

-5

-25

-50

-60

以此为划分岩体工程分类的依据,将岩体进行分类。

表2-3按总评分确定的岩体类别

评分值

100~81

80~61

60~41

40~21

<20

分类级

质量描述

很好的

好的

中等的

差的

很差的

宾尼奥斯基在评价岩体质量时,十分重视岩体中结构面的因素,对节理的状态赋值最高,其次是岩石质量指标和节理间距。

除此之外,他还根据节理走向和倾向对工程位置的岩体稳定性影响大小,又赋予修正,同此可见这种分类方法十分重视岩体节理,裂隙对其工程质量的影响。

岩体掘进质量指标——Q系统

在对大量的地下工程开挖实例进行分析研究的基础上,挪威岩土工程技术研究所的巴顿等人(1974)提出了一种隧道质量指标方法用以确定岩体特征和相应的隧洞支护方案,Q指标的数值以对数形式从到最大值1000,Q指标值可由下式算出:

(2-4)

式中RQD——岩石质量指标

Jn——节理组数

Jr——节理粗糙度数值

Ja——节理蚀变程度

Jw——节理水折减系数

SRF——应力折减系数

该计算公式各部分的意义如下:

第一个商数(RQD/Jn)代表了岩体结构,是岩石块度的大致估计。

若用厘米单位得出商而言,200~的极端值稍显粗糙,但仍不失为一个符合实际的近似值,可能最大的块体是这种规模的数倍,而最小的块体比这种规模的一半还小(粘土颗粒除外)。

第二个商数(Jr/Ja)代表的是节理壁或充填物的粗糙度和磨擦性质。

此商数对粗糙的未蚀变的直接接触的节理的权重有利。

在受剪切作用时,这此节理将膨胀,将有可能接近于其峰值强度,因此,对隧洞围岩的稳定有利。

当节理中夹有粘土和其他充填物时,强度会明显降低。

尽管出现小的剪切位移,但节理壁的接触是使开挖免于最终破坏的一个重要因素。

节理面不闭合对隧洞围岩的稳定性极其不利,内摩擦角小于大多数粘土矿土的残余强度值,并且可能会更低一些。

因为在剪切过程中,这些粘土带或充填物可能会固结,至少在出现正常固结、软化或膨胀时情况会如此。

类似蒙脱石的膨胀压力等因素此处也应考虑。

第三个商数(Jw/SRF)含有两个压力参数。

SRF是如下因素的表示:

(1)剪切区及含粘土矿物岩类中的松弛荷载;

(2)硬岩中的应力;(3)塑性软弱岩类的挤压荷载。

可将其认为是一个总应力参数,参数Jw是水压力值,节理水的存在减小了有效法向应力,它对节理的抗剪强度具有负作用,此外,对有粘土填充的节理,水的作用有可能使粘土软化和产生冲蚀作用[5]。

经验表明,不可能用块体有效应力的形式将这两个参数合二为一。

因为,尽管抗剪强度值较高,但是,一个高的有效法向应力可能会比一个低的有效法向应力更能放大不稳定条件。

毫无疑问,若在分类系统中再附加一些其他参数,可以提高分类系统的准确性。

其中之一就是节理方向。

虽然很多实例已经考虑了包括与开挖轴线相关的岩体结构面方向的必要资料,但是,它还没有像预想的那样成为十分重要的常用参数,产生这种现象的部分原因是不少类型的开挖方向在正常情况是可以通过调整施工方法来避免主要节理不利方向的最大影响,然而,这种做法在隧洞工程中并不可行,有超过一半的实例说明了这一点。

参数Jn、Jr、Ja所起作用要大于方向性。

因为,节理组数块体位移的自由度,摩擦性能和膨胀特性的变化所带来的影响要大于不利方向节理造成的下滑重力所占的比重,若把节理方向也包括在分类系统中则很可能失去其应用的普遍性及其本质上简单实用的特点。

此外,为了将Q值与对于地下洞室开挖的稳定性和支护要求联系起来,巴顿等人(1974)定义了另一个参数,称为开挖的等效尺度De值。

这一参数由洞室的跨度、直径或壁面高度除以开挖支护比ESR得到。

而ESR与洞室的使用目的、维护洞室稳定所要求安装的支护系统的安全程度有关,巴顿等人建议采用表2-4所示的ESR值。

表2-4ESR值的选取

开挖类型

ESR

A.临时采矿巷道

3~5

B.永久采矿巷道、水电输水隧洞(不包括高压管道)、平硐、竖井和大型开挖工程的导洞

C.蓄水室、水处理厂、非等级公路和铁路隧洞、调压室、交通隧洞

D.电站、大的公路和铁路隧洞、防空洞、进出口段

E.地下核电站、火车站、体育与公共设施、工厂

Loset(1992)建议,对于Q值介于之间的岩体,由于岩体原有环境的开挖,爆破破坏会产生新的节理,会使围岩的Q值降低。

因此应当降低爆破破坏区域的RQD值。

巴顿等人(1980)就锚杆长度、最大不支护跨度和顶拱支护压力等支护方面提出了另外一些资料,以补充他在1974年的论文中所推荐的支护建议。

锚杆长度L可通过开挖跨度B和开挖支护比ESR进行估算:

(2-5)

最大不支护跨度从下式估算:

最大不支护跨度=(2-6)

基于寻已有实例的分析,巴顿等人(1993)建议,Q值与顶拱支护压力Proof

的关系可用下式估计:

(2-7)

RMI指标工程岩体分类

1996年,挪威学者Palmstrom在对RMR岩体分类方法与Q系统岩体分类方法评述的基础上,通过对大量现场岩体试验的分析与反分析,提出了一种新的岩体分类指标RMI。

该指标以结构面参数为变量,通过对岩石单轴抗压强度的折减,来反映岩体的强度特性[6]。

其表达式为:

(2-8)

式中:

——岩块单轴抗压强度,由直径为50mm的岩石试件在实验室测得;

JP——结构面参数,反映被结构面切割而成的块体体积、结构面摩擦特性和规模对岩块强度的弱化效应。

其值变化在0~1之间,对完整岩块取1,对破碎岩体取0。

JP可由以下诸式计算:

(2-9)

(2-10)

(2-11)

式中:

——被切割面切割成的块体的体积;

——结构面条件系数;

——结构面尺寸与连续性系数;

——分别为构造面粗糙系数和蚀变影响系数,这与Q系统相同。

根据对现场岩体的结构面条件、密度、间距的研究后,可根据相关规定计算选取各指标的取值,将各参数代入式(2-8)~(2-11)即可得到RMI值,再按表2-5进行分类。

表2-5基于RMI指标的工程岩体分类

RMI指标描述

RMI值

岩体强度描述

极低

<

极软弱

很低

~

很软弱

~

软弱

中等

~1

中等

1~10

坚硬

很高

10~100

很坚硬

极高

>100

极坚硬

该指标虽然是在RMR岩体分类方法与Q系统岩体分类方法的基础上建立的,但与后两者相关,它的不同在于:

第一,引入结构面系数JP,通过对岩块单轴抗压强度的折减,将估算的岩体强度作为分类依据;第二,以块体体积

代替岩芯回采率RQD,以反映结构面密度与间距的影响;第三,块体体积

的引入,反映岩体受结构面切割而成岩块的结构效应,并将其隐含反映在结构面系数JP中或直接表现在岩块强度上。

第3章国内工程岩体分类

我国从20世纪70年代起,一些行业或部门根据各自特点相继提出了一些岩体分类方法及经验设计方法。

比如,我国国家标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GBJ86-85),(2001年修订为GBJ50086-2001)提出了围岩的分类;铁道部门制定的《铁路隧道设计规范》(TB10003-2001)提出了围岩分类和岩石荷载计算公式。

1994年颁布了我国国家标准《工程岩体分级标准》(GB5018-94),该标准适用于各行各业,将围岩分级方法统一起来,以便于各行各业间相关资料的可比性、通用性。

自20世纪70年代以来,我国基本建设步伐加快,各种类型的岩体工程,特别是地下岩体工程建设的发展进上步推动了我国岩体工程分类方法和工程经验设计的进展。

《铁路工程技术规范》中建议的分类法

我国铁道系统根据本行业的工程特点,提出了适用于铁道系统的隧道围岩分类法及其相应的支护设计参数。

根据围岩分类,可计算围岩压力:

(3-1)

式中q——均匀分布的垂直压力

S——围岩类别

——围岩容重

式中w=1+i(Lm-5),为跨度影响系数,其中Lm为毛洞跨度,系以Lm=5m的围岩垂直均布压力为准,w随Lm而变。

当Lm<5m时,取i=,Lm>5m时,i=。

该计算方法适用于矿山法施工的深埋隧道,围岩的水平压力e可按表3-1经验公式取值。

表3-1围岩水平压力e

围岩类别

水平均布压力e

(1/2~1)q

(1/3~1/2)q

(1/6~1/3)q

(0~1/6)q

0

BQ岩体分类法

1995年国家颁发了统一实行的《工程岩体分级标准》(GB5018-94),该分级标准考虑了岩体结构特征、岩体的完整性、岩石强度、初始地应力及地下水等因素,分两步进行岩体分级工作,第一步根据岩体完整性及结构特性等,获得岩体的基本质量BQ指标,由BQ指标可进行岩体基本质量的分级和评价;第二步,考虑岩体初始应力及隧道轴线与岩体结构面的组合关系,对基本指标BQ予以修正,得出岩体质量指标修正值

,据

可得出岩体工程分级。

岩体基本质量指标BQ按下式计算:

(3-2)

式中BQ——岩石基本质量指标

——岩石单轴饱和抗压强度,一般应取实测值

——岩体完整性指数,岩体弹性纵波速度与岩石弹性纵波速度之比的平方,

常采用实测值。

当无条件取得实测值时,也可用岩体体积节理数Jv按表3-2确定对应的

值。

表3-2Jv与

对照表

Jv(条/m3)

<3

3~10

10~20

20~35

>35

>

~

~

~

<

岩体体积节理数Jv是指单位岩体体积内的节理(结构面)数目,即:

(3-3)

式中

——第n组节理每米长测线上的系数

——每立方米岩体非成组节理系数

该岩体分类法还引入了三个因素,即地下水,主要软弱结构面与隧道轴线的组合关系和初始地应力现象作为对BQ指标的修正因素,岩体基本质量指标修正值

可按下式计算:

(3-4)

式中

——岩体基本质量指标修正值

BQ——岩体基本质量指标

——地下水影响修正系数

——主要软弱结构面产生影响修正系数

——初始应力状态影响修正系数

取得岩体基本值是指标BQ或岩体工程值

后,即可根据BQ(或

)指标按表3-3对岩体进行分级。

应该注意的是,本岩体分类标准作为通用的基础标准,难于将所有各种影响因素都考虑进去,更难于全面照顾各行业的特殊需要。

因此,在实行本岩体分类标准时,往往结合有关行业的分类标准,采用几种分级方法进行对比,综合分析,确定适合的岩体级别。

 

表3-3岩体基本质量分级

基本质量级别

岩体基本质量的定性特征

岩体基本质量指标BQ或岩体工程质量指标

岩硬岩,岩体完整

>550

坚硬岩,岩体较完整;软坚硬岩,岩体完整

550~451

坚硬岩,岩体较破碎;较坚硬岩或软硬岩互层,岩体较完整;较软岩,岩体完整

450~351

坚硬岩,岩体破碎;较坚硬岩,岩体较破碎——破碎;较软岩或较软硬岩互层,且以软岩为主,岩体较完整——较破碎;软岩,岩体完整——较完整

350~251

较软岩,岩体破碎;软岩,岩体较破碎——破碎;全部极软岩及全部极破碎

<250

 

第4章工程岩体分类的指导意义

工程岩体分类,根据用途的不同,可分为两大类:

第一类是针对性较少的、原则的、大致的通用分类,这种分类可供各学科领域,各国民经济部门笼统的使用;第二类则是针对某一学科领域,某一具体工程或某一工程的具体部位的特殊要求,甚至专为某工程目的服务的专用分类。

而对于第二类,由于各行业的工程项目在规模、使用环境、使用寿命和稳定性的要求方面有很大差异。

因此,在对工程岩体分类时,需要考虑的因素就会不同。

比如水工建筑基岩通常要考虑岩体的渗透性能,而深埋地下洞室和人工高边坡则必须注意初始应力场的影响,采矿业则更关心岩石的可钻性和可爆性。

这说明影响工程岩体分类的因素是多种多样的,我们很难找出一种尽可能准确又有较大的应用范围的分类方法。

正因如此,随着岩石力学等相关领域的发展,工程岩体的分类方法趋于多样化。

又由于长期的地质作用,岩体本身存在复杂性,主要表现在它的不均匀性和各向异性,所以任何一种工程岩体的分类方法都存在有待完善改进的地方。

但尽管如此,还是有许多的学者致力于工程岩体的研究工作。

尤其是随着国内外一系列大中型水利水电工程的开发建设,施工过程中所存在的大量工程地质

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