水電水利工程巖體檢測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

許海燕,裴 琳

(1.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072；2.四川中水成勘院工程勘察有限責任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

自改革開放以來，國家把開發(fā)西部地區(qū)水力資源提到了重要位置，尤其是在提出“西電東送”戰(zhàn)略以后，西南地區(qū)豐富的水力資源逐步得到開發(fā)利用。除長江干流上的三峽水電站外，在其支流雅礱江、大渡河、烏江上均已建成或正在建設(shè)巨大型水電站，黃河上游龍羊峽至青銅峽河段、瀾滄江、南盤江、紅水河均已建成或正在建設(shè)一批百萬千瓦以上的骨干水電站。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國水電建設(shè)取得了很大的成就,2004年水電裝機容量突破1億kW，占全國電力總裝機容量的1/ 4 ，提供了全國約1/ 5的電力需求。全國目前在建的大中型高壩、大庫水電站共180多座，總裝機容量為92 500 MW ,包括三峽22 400 MW(含計劃擴建的地下廠房電站4 200 MW) 、溪洛渡1 386 MW、龍灘5 400 MW、小灣4 200 MW、拉西瓦4 200 MW、瀑布溝3 600 MW、錦屏一級3 600MW、水布埡1 840 MW、彭水1 750 MW 等特大型水電站。

中國水能資源和水電工程建設(shè)主要集中在西南地區(qū)，這些大中型水電工程具有以下特點：(1)裝機容量大，最高超過12 000MW，發(fā)電效益顯著；(2)電站的壩型根據(jù)筑壩地點的特有條件而不同，主要有拱壩、堆石壩和重力壩三類，中小型水電工程以閘壩為主；(3)壩高大，壩高超過或接近300m的在建和擬建的巨型水電工程已有數(shù)座，大型工程的平均壩高接近200m；(4)絕大部分工程采用地下廠房，且具有大尺寸和大規(guī)模，地下廠房洞室高度已超過80m，平均在60m左右，跨度(寬)超過30m，平均在20m左右，長度超過400m，平均在280m左右；(5)水工隧洞和調(diào)壓室(井)亦具有越來越大的尺寸和規(guī)模，洞室或隧洞斷面尺寸超過20m，平均在12m左右，調(diào)壓室高度超過100m，平均在70m左右；(6)巖石工程邊坡高陡，工程邊坡(不含自然邊坡)高度最高超過500m，平均在200m左右，且大部分坡度接近直立；(7)土石方開挖工程量巨大，無論是地面工程還是地下工程，開挖方量最大已超過5 000萬m3，平均在2 000萬m3左右。

1.1 工程地質(zhì)條件及重大地質(zhì)問題

大中型水電工程不僅自身具有“高壩、大庫、高邊坡、大洞室、巨量開挖”的特點，而且還具有工程所處的西南地區(qū)河谷陡峻、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地應(yīng)力水平高、降雨充沛、地震烈度大、交通不便、生產(chǎn)生活設(shè)施不發(fā)達等區(qū)域特點，由此帶來了很多亟待解決的巖石力學(xué)課題和巖石工程問題。

我國西南地區(qū)總體上處于青藏高原的周邊地帶，伴隨青藏高原第四紀期間的快速隆升，這一地區(qū)受其影響最為強烈。高原隆升不僅塑造了這一地區(qū)高山峽谷的基本地貌形態(tài)和河谷的發(fā)育歷史，而且也決定了這一地區(qū)地殼的內(nèi)動力條件、新構(gòu)造運動及地震活動規(guī)律、地殼淺表層改造、第四紀沉積和剝蝕以及降雨分布，從而決定了中國西部地區(qū)與人類活動有關(guān)的地質(zhì)環(huán)境的基本狀況。一方面，周邊河谷如瀾滄江、怒江、金沙江、雅礱江、大渡河、岷江等強烈快速下切，形成高原東側(cè)橫斷山系高山峽谷地貌景觀，河谷兩側(cè)高陡邊坡上大規(guī)模的崩塌、滑坡屢屢發(fā)生，且往往有超大型崩滑堵江斷流形成堰塞湖的事件；另一方面，周邊地區(qū)高地應(yīng)力環(huán)境的出現(xiàn)及周邊斷裂體系如龍門山斷裂、鮮水河斷裂、安寧河-則木河-紅河斷裂等頻繁的新活動，使地殼內(nèi)動力條件異?；钴S，地震頻繁，因高地應(yīng)力區(qū)河谷強烈下切卸荷而產(chǎn)生的大型卸荷淺表生時效變形結(jié)構(gòu)也已被大量發(fā)現(xiàn)。這就是中國西部地質(zhì)環(huán)境條件的基本格局，這樣的地質(zhì)環(huán)境條件在全世界都是獨一無二的。

從巖性上看，西南地區(qū)分布的地層除太古界和寒武系之外，各時代均有出露，其中以三疊系分布最廣，巖性主要是淺變質(zhì)砂、板巖及其韻律層組合。這套地層厚度巨大，擠壓緊密，褶皺強烈，巖性分布復(fù)雜。從區(qū)域穩(wěn)定性上看，西南地區(qū)主要斷裂大多形成于中生代，以北西向斷裂為主，第四紀早期構(gòu)造運動較為強烈，北西向斷裂大多后期重新活動。從外動力地質(zhì)現(xiàn)象上看，調(diào)水區(qū)外動力地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育程度不均，具有平面分區(qū)、垂向分帶的特性，海拔4 300m以上為凍土冰緣地貌發(fā)育區(qū)，其下岸坡變形破壞現(xiàn)象如滑坡、崩塌、泥石流等較為發(fā)育。

目前，西南地區(qū)水電建設(shè)面臨的重大地質(zhì)問題可以簡要歸納為以下四類：

(1)活斷層、高地震烈度和區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性問題。西南地區(qū)活斷層多、規(guī)模大、活動強度高，大部分地區(qū)地震基本烈度在Ⅶ度或以上，局部地區(qū)強震周期短，里氏7級強震的周期有的不足百年。這些活躍的外動力因素不僅影響到場地的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性，對水電工程樞紐布置及建筑物本身也有直接或間接的影響。

(2)河谷高地應(yīng)力及其導(dǎo)致的變形破裂。河谷地應(yīng)力場的形成是在區(qū)域應(yīng)力場環(huán)境條件的基礎(chǔ)上疊加河流侵蝕地質(zhì)作用而產(chǎn)生的二次應(yīng)力場。西南地區(qū)普遍存在較高的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力，加之河谷深切，岸坡陡峻，伴隨河谷下切過程應(yīng)力場的釋放與調(diào)整所產(chǎn)生的邊坡巖體結(jié)構(gòu)表生改造現(xiàn)象非常普遍，在錦屏、二灘、小灣、溪洛渡、向家壩、瀑布溝、銅街子等水電站均有典型表現(xiàn)。這個過程導(dǎo)致了壩址地質(zhì)條件的復(fù)雜化和惡化，對高壩建設(shè)帶來一系列重大的工程地質(zhì)問題，如高邊坡穩(wěn)定性問題、繞壩滲漏問題、建基面選擇問題等。

(3)工程高邊坡穩(wěn)定問題。西南地區(qū)河谷深切，臨河自然岸坡高達上千米，對200～300m級的高壩工程，人工開挖邊坡將達到200～500m，壩肩以上還可能存在數(shù)百米的自然高邊坡。這樣高度的復(fù)雜巖質(zhì)高邊坡，其穩(wěn)定性評價尤其是在工程環(huán)境下的穩(wěn)定性評價，對目前的工程地質(zhì)、巖石力學(xué)及計算分析理論方法與實踐都是一個極大的挑戰(zhàn)。

(4)大型地下洞室的圍巖穩(wěn)定問題。由于地形、地質(zhì)條件的限制以及出于工程施工的考慮，西南地區(qū)的絕大多數(shù)大中型水電工程都將發(fā)電廠房布置在地下，且大都具有超大尺度，如溪洛渡的主廠房跨度超過30m，錦屏一級的調(diào)壓室高度超過90m，加上前述的高地應(yīng)力和復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造等因素，由此帶來的圍巖穩(wěn)定性問題十分突出。

1.2 水電工程物探和工程檢測

工程物探和工程檢測是水電水利工程地質(zhì)勘察的重要手段，也是工程質(zhì)量無損檢測的重要技術(shù)，具有快速、簡便、適用、有效、經(jīng)濟等特點，目前已廣泛應(yīng)用于在建和運行期的水電工程中。在施工期，天然地質(zhì)環(huán)境及其水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件隨工程施工進度發(fā)生顯著變化，檢測和監(jiān)測資料可反映各種自然因素和人為因素的綜合影響。通過對檢測和監(jiān)測資料進行綜合分析，能了解建筑物場地水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件的變化和發(fā)展趨勢，驗證工程地質(zhì)結(jié)論和工程處理效果。因此，檢測和監(jiān)測資料是優(yōu)化建筑物設(shè)計和施工的重要依據(jù)。

水工建筑物的穩(wěn)定性分析是一個非常復(fù)雜的問題，它牽涉到諸多方面的因素，但基礎(chǔ)巖體的質(zhì)量是首要的。巖體質(zhì)量是由互相作用、互相影響、互相制約的若干地質(zhì)要素組成，從而決定了巖體力學(xué)的內(nèi)在品質(zhì)。聲波速度與控制巖體質(zhì)量的各種地質(zhì)要素有著密切關(guān)系，與聲波速度密切相關(guān)的一系列量化指標均可作為衡量巖體質(zhì)量的重要依據(jù)。在水電工程施工階段，采用聲波、鉆孔變模、鉆孔全景圖像、地震層析成像、地質(zhì)雷達等物探方法，通過施工過程全程快速跟蹤系統(tǒng)檢測與信息反饋，及時、準確提供檢測資料，為工程竣工驗收提供基礎(chǔ)資料。

在水電工程施工階段邊坡、基礎(chǔ)和洞室開挖過程中，通過現(xiàn)場快速跟蹤檢測及時準確地提供大量真實可靠的檢測資料，在控制壩基開挖質(zhì)量、指導(dǎo)地質(zhì)缺陷處理、鑒定壩基巖體質(zhì)量及正確合理選擇建基面、優(yōu)化設(shè)計方案等方面將發(fā)揮重要作用。

固結(jié)灌漿是全面加強基礎(chǔ)巖體的完整性并提高整體變形模量的有效手段。壩基固結(jié)灌漿是一項重要的隱蔽工程，灌漿效果是否達到設(shè)計要求，必須采用科學(xué)的檢測手段加以檢測，采用聲波、鉆孔變模及鉆孔全景圖像綜合物探方法，通過灌漿施工全程跟蹤、快速檢測，獲取客觀準確的數(shù)據(jù)，評價灌漿效果，促進固結(jié)灌漿施工工藝的提高，為固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查驗收和設(shè)計調(diào)整灌漿參數(shù)提供依據(jù)。

對于高邊坡工程，通過物探檢測獲取巖體質(zhì)量參數(shù)，詳細了解不良地質(zhì)體(斷層破碎帶、富水帶、裂隙密集帶、軟弱夾層等)的分布情況，并結(jié)合開挖后地質(zhì)編錄和其它監(jiān)測資料，確定巖體松動過程與范圍，為設(shè)計制定支護方案提供定量依據(jù)。

地下洞室圍巖的物探檢測目的是復(fù)核地下廠房洞室圍巖分類，確定圍巖松弛范圍，通過長期聲波檢測，研究開挖后圍巖力學(xué)參數(shù)隨時間和施工開挖的變化情況；根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況、監(jiān)測資料，配合分析地下廠房洞室群圍巖變形的破壞型式、深度范圍，為圍巖穩(wěn)定性評價和圍巖加固支護動態(tài)設(shè)計提供依據(jù)。

1.3 水電工程物探檢測發(fā)展

近年來，水電工程巖體檢測技術(shù)隨著大中型水電工程的建設(shè)逐步發(fā)展。自1993年開始，在二灘水電站工程施工期間，結(jié)合現(xiàn)場施工及灌漿工藝流程，采用超聲波法、鉆孔電視、地震層析成像法等檢測技術(shù)，系統(tǒng)開展了壩基巖體開挖和壩基巖體固結(jié)灌漿質(zhì)量檢測技術(shù)研究，首次將聲波檢測技術(shù)大量應(yīng)用于開挖建基面巖體和壩基巖體固結(jié)灌漿質(zhì)量的檢測中，很好地控制和保證了基礎(chǔ)的質(zhì)量要求。在地下廠房大型洞室群開挖過程中，通過聲波測試、各向異性地震層析成像方法，查明洞室圍巖松弛深度。

在三峽工程施工檢測中，采用地震波和聲波進行建基巖體質(zhì)量分級，探測建基巖體松弛層厚度和不良地質(zhì)體的空間分布，確定可利用巖體的高程，評價和復(fù)核已開挖的建基巖體質(zhì)量等；采用地質(zhì)雷達探測壩基風化槽深度，查清風化夾層的范圍和走向。在臨時船閘中隔離墩和永久船閘中隔離墩，采用聲波、地震CT、電磁波CT等方法，查清爆破卸荷損傷帶，為中隔離墩穩(wěn)定性評價提供巖體物理力學(xué)參數(shù)；對壩基巖體固結(jié)灌漿和帷幕灌漿采用單孔聲波和穿透聲波法，檢查灌漿效果。

在小灣水電站施工過程中，采用單孔聲波、穿透聲波、全孔壁數(shù)字成像、載荷試驗、鉆孔變模量測試、地震CT等方法，檢測爆破開挖質(zhì)量，探測不良地質(zhì)體的空間分布，確定可利用建基面高程，評價并復(fù)核已開挖成型的壩基巖體質(zhì)量；通過長期觀測孔波速隨時間推移的變化規(guī)律，判斷壩基巖體卸荷松弛過程及深度；對比分析固結(jié)灌漿和帷幕灌漿前后測試成果，綜合評價灌漿質(zhì)量和效果。

在錦屏一級水電站工程施工期間，對大壩基礎(chǔ)巖體爆破開挖進行爆前、爆后質(zhì)量檢測，對大壩建基面巖體質(zhì)量評價和固結(jié)灌漿檢查開展單孔聲波、對穿聲波、鉆孔變模、承壓板變形試驗、鉆孔全景圖像、長期觀測等系統(tǒng)檢測工作；針對地下廠房洞室群天然地應(yīng)力高的特點，以聲波為主，輔以鉆孔全景圖像、鉆孔變模，并對檢測孔長觀監(jiān)測，查明洞室圍巖松弛深度及其隨時間的變化；為查明洞室開挖圍巖巖體松弛深度、復(fù)核抗力體灌漿區(qū)域灌漿圍巖巖體質(zhì)量，檢查固結(jié)灌漿質(zhì)量，對左岸基礎(chǔ)處理工程進行了相應(yīng)的聲波檢測、CT地震層析成像及鉆孔變模、鉆孔全景圖像方法等檢測工作。

在錦屏二級水電站超長引水隧洞施工過程中，采用了隧道地震地質(zhì)超前預(yù)報、表面雷達地質(zhì)超前預(yù)報、孔內(nèi)雷達地質(zhì)超前預(yù)報等方法。并應(yīng)用于引水隧洞巖體質(zhì)量檢測、松弛深度檢測、固結(jié)灌漿質(zhì)量檢測、隧洞周邊不良地質(zhì)體檢測、混凝土襯砌質(zhì)量檢測、預(yù)應(yīng)力錨索孔電視檢查，以及大流量出水段處理質(zhì)量檢測等，主要采用單孔聲波、聲波CT、洞壁地震波、甚(超)高頻雷達檢測、鉆孔變模檢測和全景鉆孔電視檢查等方法。

溪洛渡水電站在施工過程中，對建基面各開挖梯段及時開展了聲波檢測、承壓板變形試驗、鉆孔變模、鉆孔全景圖像、長期觀測等系統(tǒng)的巖體質(zhì)量檢測工作，根據(jù)建基面開挖已出露的地質(zhì)情況，某些部位存在地質(zhì)缺陷，為準確把握地質(zhì)缺陷的空間分布和影響范圍，提出最佳的地質(zhì)處理方案，在重點部位進行必要的巖體聲波測試；在壩基基礎(chǔ)固結(jié)灌漿及帷幕灌漿施工過程中，及時開展聲波、鉆孔變模及鉆孔全景圖像檢測工作，評價灌漿效果。

官地水電站大壩壩型為混凝土重力壩，在施工開挖過程中，對壩基建基面每一壩塊平臺及斜坡巖體開展了聲波、鉆孔變模、鉆孔全景圖像、長期觀測等系統(tǒng)巖體質(zhì)量檢測工作；結(jié)合洞室施工開挖進程，利用布置在地下廠房三大洞室、尾水洞、泄洪洞等物探檢測斷面，及時開展常規(guī)聲波及長期觀測等工作，同時針對廠區(qū)出露地質(zhì)構(gòu)造，采用鉆孔全景圖像手段，追蹤斷層及其影響帶空間分布及延伸情況；在壩基基礎(chǔ)固結(jié)灌漿、洞室固結(jié)灌漿及帷幕灌漿施工過程中，對灌漿區(qū)及時開展聲波、鉆孔變模及鉆孔全景圖像檢測工作，評價灌漿效果。

在龍灘、拉西瓦、向家壩、瀑布溝、大崗山、福堂、天生橋、紫坪鋪等大中型水電工程施工期，都對壩基巖體、地下洞室圍巖、灌漿處理等進行了全面系統(tǒng)的檢測，為評價巖體質(zhì)量、檢查基礎(chǔ)處理施工效果以及工程安全評價提供檢測成果。

2 大壩基礎(chǔ)巖體質(zhì)量檢測

大壩建基面開挖后，壩基巖體的質(zhì)量是保證大壩穩(wěn)定和安全的基礎(chǔ)。在壩基開挖施工期間，為查明壩基爆破開挖后各部位卸荷松弛深度、巖體波速衰減情況以及松弛巖體隨時間變化過程，正確評價建基面巖體開挖卸荷松弛程度和巖體質(zhì)量，為指導(dǎo)建基面施工開挖和巖體卸荷松弛加固設(shè)計提供直接依據(jù)；需對基礎(chǔ)巖體進行檢測，一般包括爆破松弛檢測、建基面巖體質(zhì)量檢測、查明地質(zhì)缺陷空間分布及性狀、測試巖體松弛時效變形特性、檢測壩基巖體固結(jié)灌漿及帷幕灌漿效果。

爆破檢測一般按開挖單元或梯段布置爆破檢測孔，爆破檢測孔分爆前、爆后孔，檢測主要采用單孔聲波和對穿聲波方法，通過爆破前后聲波測試，確定壩基開挖后的爆破影響深度、應(yīng)力釋放前后巖體質(zhì)量變化，監(jiān)測爆破參數(shù)的合理性。在壩基開挖最后一層爆破時，通過同一孔位距建基面1m部位的巖體爆前、爆后波速的衰減率，判斷基礎(chǔ)表面受爆破影響的程度，若衰減率大于10%，判斷為爆破破壞，為制定爆破技術(shù)方案和設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)。

隨著壩基開挖，大面積巖體被揭示出來，給巖體質(zhì)量準確評價提供了更為豐富的基礎(chǔ)資料。建基面巖體質(zhì)量檢測的目的是探測不良地質(zhì)體的空間分布，確定可利用建基面高程，評價并復(fù)核已開挖成型的壩基巖體質(zhì)量。

在拱壩體型設(shè)計和壩體應(yīng)力、變形計算分析中，對不同高程、不同部位巖體的變形模量有不同的要求。在壩基基礎(chǔ)開挖過程中，按不同高程、不同部位、不同巖性布置物探檢測孔，主要采用聲波、鉆孔變形模量、鉆孔全景圖像等物探方法，獲取巖體聲波速度、鉆孔變形模量、鉆孔全景圖像成果，建立壩基巖體聲波值與變形模量關(guān)系，配合水工設(shè)計、地質(zhì)人員確定開挖后巖體的波速控制標準，提出壩基建基面的綜合質(zhì)量控制標準。

巖體變形模量是水工設(shè)計和各項工程基礎(chǔ)變形穩(wěn)定分析的重要力學(xué)參數(shù)之一，其大小與巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風化卸荷等地質(zhì)因素密切相關(guān)。這一力學(xué)參數(shù)目前主要是通過現(xiàn)場(剛性)承壓板法巖體變形試驗獲得。但該試驗方法對場地要求較高，儀器設(shè)備復(fù)雜且笨重，試驗周期長。

聲波技術(shù)的基本原理是利用固體介質(zhì)受到動載荷的瞬間沖擊作用或反復(fù)振動作用時，在固體介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力，從而引起動態(tài)應(yīng)變，并以波動的形式自震源向外傳播。與巖體變形模量一樣，聲波在巖體中傳播速度的大小受巖性、結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)、數(shù)量，以及它們之間的組合關(guān)系、風化卸荷等因素影響。聲波速度的大小不僅反映了巖體的地質(zhì)情況，同時也在一定程度上表現(xiàn)了巖體的力學(xué)性能。一般情況下，巖體變形模量高，聲波速度也高，這就為巖體變形模量與聲波速度建立相關(guān)關(guān)系提供了前提條件。

在水電工程施工中，常需要對建基面、地下洞室中工程巖體質(zhì)量進行檢測復(fù)核，以驗證是否達到設(shè)計要求。由于施工干擾、施工進度等限制，施工期開展現(xiàn)場承壓板法巖體變形試驗難度很大，然而，進行聲波測試卻是一種簡單可行的方法。利用前期已建立起的巖體變形模量與聲波速度的相關(guān)關(guān)系，和現(xiàn)場測得的聲波速度，即可快速簡便地換算出巖體變形模量值，從而為工程施工提供快速、高效的服務(wù)。

壩基巖體開挖后，隨著時間的推移壩基巖體將持續(xù)產(chǎn)生不同程度的松弛，在壩基高地應(yīng)力部位，建基面巖體卸荷松弛較大，嚴重影響壩基巖體的利用，開展壩基卸荷回彈變形過程和變形深度的研究，為掌握壩基巖體聲波速度隨時間推移的衰減規(guī)律，了解因壩基開挖所引起的應(yīng)力重新分布狀態(tài)下巖體卸荷松弛影響深度、程度，壩基巖體聲波波速及質(zhì)量隨時間推移的變化情況等，在大壩建基面布設(shè)聲波測試長觀孔，進行大壩建基面的時效松弛變化研究。根據(jù)測試結(jié)果所反映的壩基巖體隨時間推移波速衰減規(guī)律，判斷壩基巖體在應(yīng)力重新分布影響下的卸荷松弛深度。

固結(jié)灌漿是全面加強基礎(chǔ)巖體的完整性并提高整體變形模量的有效手段。經(jīng)灌漿處理后，被灌巖體的整體性、剛度和防滲性等方面均得到了不同幅度的提高，而對于處理效果必須采用科學(xué)的檢測手段加以控制，檢測結(jié)果作為指導(dǎo)施工、驗收、安全鑒定和今后運行期安全鑒定等提供必備的定量依據(jù)。

在壩基基礎(chǔ)施工階段，結(jié)合現(xiàn)場施工及灌漿工藝流程，采用聲波、鉆孔變模及鉆孔全景圖像等方法，系統(tǒng)開展壩基巖體固結(jié)灌漿質(zhì)量檢測。灌前檢測一般利用Ⅰ序孔，灌后檢測利用檢查孔，通過灌漿前后巖體波速及變模提高情況，建立鉆孔變模與鉆孔聲波相關(guān)關(guān)系，提出各巖級固結(jié)灌漿效果聲波檢測評價標準，綜合評價壩基巖體固結(jié)灌漿效果，達到了施工現(xiàn)場快速檢測的目的。

3 地下洞室物探檢測

3.1 大跨度、高邊墻地下洞室?guī)r體質(zhì)量檢測

由于水電工程地下洞室往往具有跨度大、邊墻高和地質(zhì)條件復(fù)雜的特點，如何評價大跨度地下洞室的圍巖穩(wěn)定，節(jié)約工程投資，成為目前巖石力學(xué)工程中需要解決的主要問題之一，也給巖石力學(xué)工程帶來了挑戰(zhàn)與研究機遇。準確把握圍巖基本參數(shù)、邊界條件以及初始條件(初始地應(yīng)力)是確定相對較好的施工方案和支護設(shè)計參數(shù)的關(guān)鍵，通過建立施工期快速檢測、監(jiān)測與反饋分析系統(tǒng)，分析研究在一定的工程措施下(爆破開挖、支護措施等)的輸出信息(應(yīng)力、變形等)，間接地評價圍巖穩(wěn)定性和支護作用，了解現(xiàn)場開挖和支護過程中的圍巖穩(wěn)定性和支護措施的工作狀態(tài)信息。通過反分析研究這些信息，為修正開挖及支護參數(shù)提供依據(jù)，并反饋于施工決策和支持系統(tǒng)，修正和確定新的開挖方案和支護參數(shù)。這個過程可以隨開挖支護的施工循環(huán)進行，使施工過程得以不斷調(diào)整和優(yōu)化，經(jīng)濟安全地完成洞室施工。

地下洞室施工期快速檢測、監(jiān)測與反饋分析是“動態(tài)設(shè)計”方法的一個重要環(huán)節(jié)，它在整個支護設(shè)計過程中具有重要作用。通過對地下廠房施工期檢測、監(jiān)測反饋分析，逐層進行圍巖穩(wěn)定性評價和后續(xù)開挖對圍巖影響的預(yù)測，為整個開挖過程中的設(shè)計支護參數(shù)的調(diào)整、施工開挖方案提供了重要的依據(jù)。

巖體結(jié)構(gòu)是決定巖體完整性和圍巖變形破壞形式的主要因素之一，是圍巖類別劃分、支護型式確定的主要依據(jù)之一。因此，研究巖體結(jié)構(gòu)類型與變形破壞形式及其兩者的關(guān)系對分析評價圍巖穩(wěn)定性尤為重要。

影響圍巖穩(wěn)定的主要因素包括巖體結(jié)構(gòu)與圍巖類別、巖體應(yīng)力、地下水、工程因素四個方面，因此，應(yīng)從這些方面著手對各類圍巖的整體或局部穩(wěn)定性進行定量或定性評價，以便采取相應(yīng)的、合理的開挖方案和有效的支護措施加固圍巖，以充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，確保圍巖的穩(wěn)定。

要查明這些地質(zhì)條件，在定性評價巖體類別的基礎(chǔ)上，采用物探等手段定量對洞室?guī)r體質(zhì)量進行工程地質(zhì)評價。

對于大型水電工程中高應(yīng)力條件下大跨度地下洞室群，在開挖施工過程中高邊墻和頂拱經(jīng)常發(fā)生較大的松弛變形，監(jiān)測和檢測圍巖松弛變形深度及其變化極為重要。鉆孔聲波測試和鉆孔全景圖像測試是常用的物探檢測方法。

聲波測試孔一般按斷面布置，每個檢測斷面的鉆孔間距8～10m，在頂拱和拱肩布置檢測孔。對檢測孔進行定期測試，檢測圍巖波速隨開挖進行的變化情況，分析評價巖體松弛卸荷隨時間的變化規(guī)律。在定期完整的測試過程中應(yīng)分析巖體松弛變化與施工過程的關(guān)系，為圍巖松弛分析評價提供準確、及時、完整的檢測資料。

通過對地下廠房松弛深度變化及聲波波速衰減率等因素的綜合統(tǒng)計分析，洞室圍巖時效特征表現(xiàn)為圍巖松弛深度與開挖的關(guān)系密切：隨地下廠房的開挖，測試孔孔口與底板的高差增加，巖體松弛深度明顯加劇；底板高程一定時，隨測試時間跨度的增加，巖體松弛深度稍有增加?？傮w來看，隨著時間推移和開挖的進行，地下廠房圍巖波速總體上呈降低趨勢，在巖墻淺部降低得尤為顯著。隨著開挖進行，圍巖卸荷松動越來越強烈，松弛深度增加明顯。

3.2 中小地下洞室?guī)r體質(zhì)量檢測

地下洞室開挖后，破壞了巖體原有的平衡條件，導(dǎo)致巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，在洞壁周邊的巖體將出現(xiàn)應(yīng)力釋放的松弛帶。物探檢測洞室松弛圈可了解洞室圍巖應(yīng)力下降帶的范圍，查明洞壁巖體的松弛厚度，測定松弛、未松弛巖體的彈性力學(xué)參數(shù)。

水電工程中小洞室主要是引水隧洞、導(dǎo)流洞、泄洪洞、尾水洞等，一般洞線較長。洞室松弛檢測斷面一般按一定間距布置，或根據(jù)地質(zhì)條件分巖級布置典型斷面，根據(jù)斷面大小布置4～6個檢查孔，采用鉆孔聲波和鉆孔全景圖像等方法查明圍巖松弛深度，為支護設(shè)計和固結(jié)灌漿設(shè)計提供定量依據(jù)。

洞室松弛深度檢測采用單孔聲波法，通過獲取的巖體聲波速度，對隧洞洞壁表淺層因爆破和應(yīng)力松弛所造成的巖體破壞情況進行分析，以較好地掌握隧洞開挖后圍巖的松弛變形情況，為設(shè)計確定各洞段固結(jié)灌漿孔的深度提供依據(jù)。

一般認為，巖石的密度越大、孔隙率越低，其聲速越高；聲速還隨著巖石所受壓力(小于巖石強度)的增大而增大。洞室圍巖松動帶的特點是應(yīng)力松弛、結(jié)構(gòu)松動；壓密帶的特點是應(yīng)力升高、結(jié)構(gòu)緊密；穩(wěn)定帶的特點是應(yīng)力與結(jié)構(gòu)狀態(tài)都保持不變。所以在對圍巖松動帶深度進行劃分時，既要根據(jù)聲波速度變化情況，又要依據(jù)圍巖的結(jié)構(gòu)特征，按巖級、構(gòu)造、風化卸荷、巖爆等地質(zhì)單元進行分類統(tǒng)計、分析。

4 高邊坡巖體物探檢測

在水電工程建設(shè)中，邊坡穩(wěn)定問題是經(jīng)常遇到的。特別是修建大型水電工程時，大壩壩址往往選在高山河谷地帶，不可避免地會遇到大量邊坡工程。水電工程邊坡主要有兩類，即人工邊坡和天然邊坡。人工邊坡主要是指工程施工開挖形成的邊坡，主要有大壩壩肩開挖邊坡，地下洞室(地下廠房、引水隧洞、廠房尾水隧洞、泄洪隧洞、導(dǎo)流隧洞、交通洞等)進、出口邊坡，地面廠房邊坡，引水渠道、溢洪道及道路邊坡等。天然邊坡是指工程興建前就存在、未受到人類活動影響，但工程興建后受工程影響，存在穩(wěn)定問題的邊坡，主要有兩類：一類是水庫庫區(qū)內(nèi)的邊坡和陡崖，由于受水庫蓄水的影響，常常發(fā)生水庫滑坡和陡崖崩塌；另一類是水電站泄洪霧化區(qū)天然邊坡，在電站運行期大壩、溢洪道或泄洪洞泄洪時，受泄洪霧化降雨的影響可能失穩(wěn)的邊坡。

與公路邊坡、鐵路邊坡、礦山邊坡、民用建筑物邊坡相比，水電工程邊坡往往規(guī)模巨大、地形地質(zhì)條件復(fù)雜、技術(shù)難度大、工程風險高，邊坡的穩(wěn)定直接決定著工程修建的可行性，影響著工程的建設(shè)投資和安全運行。水電工程邊坡主要有以下特點：邊坡高陡、規(guī)模巨大、邊坡使用期長、治理安全標準高、邊坡的穩(wěn)定性至關(guān)重要、邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜。邊坡工程涉及各種類型巖土體，有覆蓋層邊坡、堆積體邊坡，有巖石邊坡、巖土體混合邊坡。邊坡工程與地下水關(guān)系密切，地下水往往是影響邊坡穩(wěn)定的主要因素。

高邊坡涉及的工程地質(zhì)問題，不僅成為工程可行性決策的重要控制因素，而且在很大程度上影響著工程投資、施工運行安全及工程運行效益。

水電工程的水庫庫岸、壩肩邊坡、電站廠房邊坡、管道邊坡、隧洞進出口邊坡、溢洪道邊坡、引水渠道邊坡等，都是在各個設(shè)計階段中經(jīng)常遇到的巖石高邊坡問題，其穩(wěn)定分析與評價關(guān)乎工程建設(shè)的安全、經(jīng)濟效益和進度，同時也是復(fù)雜的巖石力學(xué)綜合問題。邊坡的失穩(wěn)是各種內(nèi)、外地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果：地形地貌條件反映了邊坡的應(yīng)力狀況和臨空狀況；巖體的地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造特點、風化卸荷特征等是影響邊坡穩(wěn)定的內(nèi)在因素；地表水與地下水的作用往往成為邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，邊坡現(xiàn)今變形現(xiàn)象是邊坡穩(wěn)定性的直觀反映。

在中、高地應(yīng)力巖石高邊坡中，隨著施工開挖的進程，巖體表部荷載卸除，邊坡或地下洞室圍巖臨空面產(chǎn)生向外的回彈變形，巖體應(yīng)力調(diào)整，淺表部的應(yīng)力降低而向深部轉(zhuǎn)移，同時巖體內(nèi)原有的裂隙開度增大，細微裂隙進一步擴展，并伴隨產(chǎn)生新的裂隙，這就是巖體開挖的卸荷松弛現(xiàn)象。巖體開挖卸荷松弛會增加邊坡或地下洞室圍巖的變形，并隨時間有所增長，同時還會降低巖體質(zhì)量，弱化相應(yīng)的變形和強度參數(shù)，對此若認識不足或控制不當將會對邊坡穩(wěn)定、圍巖穩(wěn)定、變形控制及大壩建基面巖體質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響甚至導(dǎo)致工程事故。

巖體力學(xué)參數(shù)是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素之一,準確確定邊坡巖體力學(xué)參數(shù)是進行邊坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)性工作。在邊坡開挖施工過程中，結(jié)合水電工程邊坡特點，利用邊坡錨桿、錨索孔及施工洞室布置物探檢測工作，采用聲波、鉆孔全景圖像、地震層析成像等物探方法，通過獲取巖體聲波速度，確定錨固端巖體類別、開挖松弛深度、風化卸荷帶和軟弱帶空間展布及延伸方向，為制定邊坡支護方案、調(diào)整設(shè)計參數(shù)、動態(tài)設(shè)計提供定量依據(jù)。

西南地區(qū)河谷深切，岸坡外動力地質(zhì)作用強烈，坡體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地震層析成像(地震CT)測試技術(shù)的普及應(yīng)用，為坡體結(jié)構(gòu)定量研究提供了快速有效的研究手段。

在錦屏一級水電站經(jīng)勘探揭示左岸坡體內(nèi)發(fā)育有深部裂縫，為準確掌握深部裂縫在坡體內(nèi)的空間發(fā)育分布特征，沿不同方向的平硐進行了地震層析成像(地震CT)測試(見圖1)。

圖1 錦屏一級水電站地震層析成像成果

根據(jù)平硐CT圖像分析：(1)破裂帶巖體傾向坡外，進一步證實它們是追蹤NE向傾向坡外地構(gòu)造裂隙發(fā)展而成的；(2)裂縫大多未貫通，明顯受層面限制，宏觀上呈臺階狀展布；(3)破裂帶之間保留有不同厚度的相對完整的板梁。

岸坡巖體的上述分帶特征，為變形破裂范圍確定、已有的變形破裂跡象及其機制類型的判定、岸坡演化趨勢及其在不同條件下岸坡穩(wěn)定性狀況評價提供了重要依據(jù)。同時在穩(wěn)定性評價中，充分考慮了變形破裂體發(fā)展階段和組合結(jié)構(gòu)面的貫通情況，分別賦予不同的參數(shù)，更好地反映了實際情況。

5 結(jié)束語

近年來，工程巖體檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于大中型水電工程中。自1993年開始，在二灘水電站壩基開挖過程中，結(jié)合現(xiàn)場施工及灌漿工藝流程，系統(tǒng)地開展了壩基巖體質(zhì)量及固結(jié)灌漿效果、拱壩混凝土澆筑質(zhì)量的檢測及技術(shù)研究工作，對工程質(zhì)量控制起到了十分重要的作用，為安全鑒定提供了必要的基礎(chǔ)資料。近些年，在小灣、錦屏、溪洛渡等大中型水電站主體工程中物探檢測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，為壩基基礎(chǔ)、地下洞室、邊坡等工程部位巖體質(zhì)量評價、基礎(chǔ)處理、制定開挖方案、動態(tài)設(shè)計提供定量依據(jù)。

隨著西部水電建設(shè)大力發(fā)展，為了更好地為水電工程服務(wù)，針對工程特點及難點，還需要深入研究物探檢測技術(shù)，開展新方法、新技術(shù)研究工作，讓工程巖體物探檢測技術(shù)更具生命力。

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