结构面，又称不连续面，是岩体内部最薄弱的环节，对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学性质及应力传递等都有显著的影响，是造成岩体非均质、非连续、各向异性和非线弹性的本质原因之一。在水利水电工程地质研究中对结构面进行全面深入细致的研究十分重要。

5.4.2.1　结构面的成因类型

5.4.2.1.1　地质成因类型

根据地质成因的不同，可将结构面划分为原生结构面、构造结构面和次生结构面3类。原生结构面是岩体在成岩过程中形成的结构面，其特征与岩体成因密切相关，因此又可分为沉积结构面、岩浆结构面和变质结构面3类。构造结构面是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，包括断层、节理、劈理等。次生结构面是岩体形成后在外地质作用（包括风化、卸荷、地下水作用等）下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。各类结构面的主要特征如表5-10所示。

表5-10　岩体结构面的类型及其特征

（据张咸恭，1979）

5.4.2.1.2　力学成因类型

从大量的野外观察、试验资料及莫尔强度理论分析可知，在较低围限应力（相对岩体强度而言）下，岩体的破坏方式有剪切破坏和拉张破坏两种基本类型。因此，按破裂面的力学成因相应地将结构面分为剪性结构面和张性结构面两类。

张性结构面是由拉应力形成的，如羽状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等。其特点是张开度大或破碎带较宽，连续性差，形态不规则，面粗糙，起伏度大，其构造岩多为角砾岩，易被充填。因此，张性结构面常含水丰富，导水性强等。

剪性结构面是剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多数正断层等。其特点是连续性好，面较平直，延伸较长，常发育擦痕、镜面。

5.4.2.2　结构面的规模分级

结构面的规模大小不仅影响岩体的力学性质，而且影响工程岩体力学作用及其稳定性。按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，可将结构面分为5级。

（1）Ⅰ级结构面。指大断层或区域性断层，一般延伸约数千米至数十千米以上，破碎带宽约数米至数十米乃至几百米以上。有些区域性大断层往往具有现代活动性，给工程建设带来很大的危害，直接关系着建设地区的地壳稳定性。所以，一般的工程应尽量避开，如不能避开，也应认真进行研究，采取适当的处理措施。

（2）Ⅱ级结构面。指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，如较大的断层、层间错动带、不整合面及原生软弱夹层等。其规模贯穿整个工程岩体，长度一般数百米至数千米，破碎带宽数十厘米至数米。常控制工程区的山体稳定性或岩体稳定性，影响工程布局，具体建筑物应避开或采取必要的处理措施。

（3）Ⅲ级结构面。指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动带等。宽度一般数厘米至1m左右。它主要影响或控制工程岩体，如水工硐室围岩及边坡岩体的稳定性等。

（4）Ⅳ级结构面。指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。长度一般数十厘米至20～30m，小者仅数厘米至十几厘米，宽度为零至数厘米不等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。该级结构面数量多，分布具随机性，主要影响岩体的完整性和力学性质，是岩体分类及岩体结构研究的基础，也是结构面统计分析和模拟的对象。

（5）Ⅴ级结构面。又称微结构面。指隐节理、微层面、微裂隙及不发育的片理、劈理等，其规模小，连续性差，常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质。

上述5级结构面中，Ⅰ、Ⅱ级结构面又称为软弱结构面，Ⅲ级结构面多数也为软弱结构面，Ⅳ、Ⅴ级结构面为硬性结构面。不同级别的结构面，对岩体力学性质的影响及在工程岩体稳定性中所起的作用不同。如Ⅰ级结构面控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体（如滑坡、崩塌等）的边界面，直接威胁工程的安全稳定性；Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，是岩体结构研究的重点，也是难点。因为相对于工程岩体来说Ⅲ级以上结构面分布数量少，甚至没有，且规律性强，容易搞清楚，而Ⅳ级结构面数量多且具随机性，其分布规律不太容易搞清楚，需用统计方法进行研究；Ⅴ级结构面控制岩块的力学性质，等等。但各级结构面是互相制约、互相影响的，并非孤立的。这些特点在实际工作中应予以注意。

《水力发电工程地质勘察规范》（GB50248—2016）采用表5-11的标准进行结构面分级。

表5-11　岩体结构面分级

5.4.2.3　结构面特征及其对岩体性质的影响

5.4.2.3.1　产状

结构面的产状用走向、倾向和倾角表示。结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度。如图5-19所示，当结构面与最大主平面的夹角β为锐角时，岩体将沿结构面滑移破坏[图5-19（a）]；当β=0°时，表现为横切结构面产生剪断岩体破坏[图5-l9（b）]；当β=90°时，则表现为平行结构面的劈裂拉张破坏[图5-l9（c）]。随破坏方式的不同，岩体强度也发生变化。

σ

图5-19　结构面产状对破坏机理的影响示意图

据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体三轴强度σ1m与结构面倾角β间的关系为：

式中：cj，φj——分别为结构面的黏聚力（MPa）和内摩擦角（°）。

由式（5-61）可知，当围压σ3不变时，σ1m随结构面倾角β的变化而变化。

5.4.2.3.2　连续性

结构面的连续性反映结构面的贯通程度，常用线连续性系数、迹长和面连续性系数等表示。线连续性系数（K1）是指沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和（Σa）与测线长度的比值（图5-20），即：式中：Σa、Σb分别为结构面及完整岩石长度之和。

结构面的连续性对岩体的变形、变形破坏机理、强度及渗透性都有很大的影响。K1变化在0～1之间，K1值越大，说明结构面的连续性越好，沿该结构面更易于滑动。尤其是对于坝基或坝肩岩体，结构面连续性的高低往往决定着其抗滑稳定性的大小。

5.4.2.3.3　密度

结构面的密度反映结构面发育的密集程度，常用线密度、间距等指标表示。线密度（Kd）是指结构面法线方向上单位测线长度上交切结构面的条数（条/m）；间距（d）则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离；两者互为倒数关系，即：

图5-20　结构面的线连续性系数计算图

结构面的密度越大，岩体被切割出的块体越小，岩体完整性及强度更低，因此不利于岩体的稳定性。

5.4.2.3.4　张开度

结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。结构面两壁面一般不是紧密接触的，而是呈点接触或局部接触，接触点大部分位于起伏或锯齿状的凸起点。这种情况下，由于结构面实际接触面积减少，必然导致其黏聚力降低，当结构面张开且被外来物质充填时，则其强度将主要由充填物决定。另外，结构面的张开度对岩体的渗透性有很大的影响。如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数（Kf）可表达为：

式中：e——结构面张开度（cm）；

υ——水的运动黏滞系数（cm2/s）；

g——重力加速度（=9.8m/s2）。

图5-21　结构面的起伏形态示意图

5.4.2.3.5　形态

结构面的形态对岩体的力学性质及水力学性质有明显的影响，结构面的形态可以从侧壁的起伏形态及粗糙度两方面进行研究。

据统计，结构面侧壁的起伏形态可分为平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种（图5-21）。侧壁的起伏程度可用起伏角（i）表示如下（图5-22）：

式中：h——平均起伏差（m）；

L——平均基线长度（m）。

结构面的粗糙度可用粗糙度系数JRC（joint roughness coefficient）表示，随着粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。据巴顿（Barton，1977）的研究，可将结构面的粗糙度系数划分为如图5-23所示的10级。在实际工作中，可用结构面纵剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面，然后与图5-23所示的标准剖面进行对比，即可求得结构面的粗糙度系数JRC。

图5-22　结构面的起伏角计算图

5.4.2.3.6　充填胶结特征

总的来说，结构面经胶结后，力学性质有所改善。改善的程度因胶结物成分不同而异。以铁硅质胶结的强度最高，往往与岩石强度差别不大，甚至超过岩石强度，这类结构面一般不予研究。而泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。

未胶结具一定张开度的结构面往往被外来物质所充填，其力学性质取决于充填物成分、厚度、含水性及壁岩的性质等。就充填物成分来说，以砂质、砾质等粗粒充填的结构面性质最好，黏土质（如高岭石、绿泥石、水云母、蒙脱石等）和易溶盐类充填的结构面性质最差。

按充填物厚度和连续性，结构面的充填可分为薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类。薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，多为应力矿物和蚀变矿物等。这种充填厚度虽薄，但因多是性质不良矿物，因而明显地降低了结构面的强度。断续充填的充填物不连续且厚度小于结构面的起伏差，结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。连续充填的充填物分布连续，结构面的力学性质主要取决于充填物性质。厚层充填的充填物厚度远大于结构面的起伏差，大者可达数十厘米以上，结构面的力学性质很差，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。

5.4.2.3.7　结构面的组合关系

结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型，它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。

任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定的几何边界条件。因此，在研究岩体稳定性时，必须研究结构面之间及其与临空面之间的组合关系，确定可能失稳块体的形态、规模和可能滑移方向等。结构面组合关系的分析可用赤平投影、立体投影和三角几何计算法等进行。

图5-23　标准粗糙程度剖面及其JRC值

（据Barton，1977）

5.4.2.4　结构面的变形性质

5.4.2.4.1　法向变形特征(www.daowen.com)

在同一种岩体中分别取一件不含结构面的完整岩块试件和一件含结构面的岩块试件，分别对这两种试件施加连续法向压应力，可得到如图5-24所示的应力-变形关系曲线。设不含结构面岩块的变形为ΔVr，含结构面岩块的变形为ΔVt，则结构面的法向闭合变形ΔVj为：

利用式（5-66），可得到结构面的σn-ΔVj曲线，如图5-24（b）所示，结构面的法向变形有以下特征：

（1）开始时随着法向应力的增加，结构面闭合变形迅速增长，σn-ΔV及σn-ΔVj曲线均呈上凹型。当σn增到一定值时，σn-ΔVt曲线变陡，并与σn-ΔVr曲线大致平行[图5-24（a）]，说明这时结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。而ΔVj则趋于结构面最大闭合量Vm[图5-24（b）]。

图5-24　典型岩块和结构面法向变形曲线

（2）从变形上看，在初始压缩阶段，含结构面岩块的变形ΔVt主要是由结构面的闭合造成的。有试验表明，当σn=1MPa时，ΔVt/ΔVr可达5～30，说明ΔVt占了很大一部分。当然，具体ΔVt/ΔVr的大小还取决于结构面的类型及其风化变质程度等因素。

（4）结构面σn-ΔVj曲线大致为一以ΔVj=Vm为渐近线的非线性曲线（双曲线或指数曲线）。其曲线形状可用初始法向刚度Kni与最大闭合量Vm来确定。结构面的初始法向刚度的定义为σn-ΔVj曲线原点处的切线斜率，即：

（5）结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（e）。因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论多高的压力（两壁岩石不产生破坏的条件下），也不可能达到100%的接触。试验表明，结构面两壁面一般只能达到40%～70%的接触。

法向刚度Kn是反映结构面法向变形性质的重要参数，定义为法向应力作用下结构面产生单位法向变形所需要的应力。因此，数值上等于σn-ΔVj曲线上一点的切线斜率，即：

Kn的单位为MPa/cm，可通过室内压缩试验和现场压缩试验确定。

5.4.2.4.2　剪切变形特征

在岩体中取一含结构面的岩块试件，在剪力仪上进行剪切试验，可得到如图5-25所示的剪应力τ与结构面剪切位移Δu间的关系曲线。试验研究表明，结构面的剪切变形曲线均为非线性曲线。有一定宽度的构造破碎带、挤压带、软弱夹层及含有较厚充填物的裂隙、节理、泥化夹层和夹泥层等软弱结构面的τ-Δu曲线多属于塑性变形型。其特点是无明显的峰值强度和应力降，且峰值强度与残余强度相差很小，曲线的斜率是连续变化的，且具流变性[图5-25b]。而那些无充填且较粗糙的硬性结构面，其τ-Δu曲线则属于脆性变形型。特点是开始时剪切变形随应力增加缓慢，曲线较陡。峰值后剪切变形增加较快，有明显的峰值强度和应力降。当应力降至一定值后趋于稳定，残余强度明显低于峰值强度[图5-25a]。

另外，结构面的峰值位移Δu受其风化程度的影响。风化结构面的峰值位移比新鲜的大。这是由于结构面遭受风化后两壁互锁程度变差，结构面变得相对平滑的缘故。

剪切刚度Ks是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前τ-Δu曲线上任一点的切线斜率（图5-26），即：

图5-25　结构面剪切变形的基本类型

a.脆性变形型；b.塑性变形型

图5-26　剪切刚度Ks的确定示意图

结构面的剪切刚度可通过室内剪切试验和现场剪切试验确定。结构面遭受风化后，剪切刚度比未风化的小1/2～1/4。另外，结构面的剪切刚度具有明显的尺寸效应，在同一法向应力作用下剪切刚度随结构面规模的增大而降低（图5-27）。同时，结构面的剪切刚度随法向应力的增大而增大。

5.4.2.5　结构面的抗剪强度

在水利水电工程中，岩体的破坏常以沿某些软弱结构面的滑动破坏为主，如重力坝坝基及坝肩岩体的滑动破坏、库岸岩体滑坡等。试验研究表明，影响结构面抗剪强度的因素非常复杂而多变，不同类型的结构面其剪切强度特征不同。

对于平直无充填的结构面，包括剪应力作用下形成的剪性破裂面（如剪节理、剪裂隙等）、发育较好的层理面与片理面，其抗剪强度（τ）大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：

式中：σ——法向应力（MPa）；

φj、cj——分别为结构面的内摩擦角（°）与黏聚力（MPa）。

对于粗糙起伏无充填的结构面，由于具有明显的起伏度，严重影响到结构面的抗剪强度。当法向应力较小时，在剪切过程中，上盘岩体主要沿结构面产生滑动破坏，称为剪胀现象（或称爬坡效应），如图5-28所示，会明显增加结构面的摩擦强度。随着法向应力的增大，剪胀越来越困难。当法向应力达到一定值后，其破坏将由沿结构面滑动转化为剪断凸起而破坏，引起所谓啃断效应，从而也会增大结构面的抗剪强度。

图5-27　剪切刚度与正应力和结构面规模间的关系

图5-28　剪胀现象与剪胀角αd示意图

巴顿（Barton，1973）对多种不同粗糙起伏的结构面进行了试验研究，提出了这类结构面的抗剪强度可以按下式计算：

式中：JCS——结构面壁岩强度（MPa），由回弹仪测试；

φu——结构面基本摩擦角（°）；

JRC——结构面粗糙度系数。

还有些结构面没有完全贯通，由裂隙面和岩桥共同组成。在剪切过程中，一般认为剪切面所通过的裂隙面和岩桥都起抗剪作用。假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面的线连续性系数为K1，则整条结构面的抗剪强度为：

式中：cj，φj——分别为裂隙面的黏聚力（MPa）与摩擦角（°）；

c，φ——分别为岩石的黏聚力（MPa）与内摩擦角（°）。

对于软弱结构面，往往有一定的充填，其抗剪强度则与充填物的性质及充填程度有关。一般来说，其强度随黏粒含量的增加而降低，随粗碎屑含量的增多而增大。当充填物厚度及充填度达到某一临界值后，结构面的抗剪强度最低且取决于充填物强度。在这种情况下，可将充填物的抗剪强度视为结构面的抗剪强度，而不必要再考虑结构面粗糙起伏度的影响。