基于聲波的洞室圍巖巖體質(zhì)量分區(qū)優(yōu)化方法

張海龍，王晉明，金 新，陳鴻杰

（1．雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610056；2．河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；3．華能瀾滄江水電有限公司，昆明 650214）

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基于聲波的洞室圍巖巖體質(zhì)量分區(qū)優(yōu)化方法

張海龍1，2，王晉明1，金 新1，陳鴻杰3

（1．雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610056；2．河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；3．華能瀾滄江水電有限公司，昆明 650214）

摘 要：開挖會對圍巖巖體產(chǎn)生擾動，影響圍巖的質(zhì)量，常用鉆孔聲波法來觀測確定開挖對巖體質(zhì)量的擾動影響。常規(guī)方法確定巖體質(zhì)量分區(qū)時(shí)，波速變化率曲線和閥值直線往往有多個交點(diǎn)，很難判定質(zhì)量分區(qū)邊界，利用波速變化率曲線的細(xì)部特征對常規(guī)方法進(jìn)行了優(yōu)化，重新定義巖體質(zhì)量分區(qū)的判定準(zhǔn)則，使巖體質(zhì)量分區(qū)具有唯一性。將優(yōu)化方法應(yīng)用到白鶴灘水電站4＃導(dǎo)流洞工程中，4＃導(dǎo)流洞開挖后的巖體質(zhì)量可以分為3個區(qū)，即擾動一區(qū)、擾動二區(qū)及未擾動區(qū)，隨著距開挖面深度的增加，圍巖受到開挖的擾動影響逐漸減小，圍巖質(zhì)量逐漸變好，后續(xù)開挖步會使巖體的質(zhì)量變差，擾動區(qū)范圍進(jìn)一步增加。

關(guān)鍵詞：聲波；洞室圍巖；巖體質(zhì)量分區(qū)；優(yōu)化方法；白鶴灘水電站

1 研究背景

開挖會對周圍預(yù)留巖體造成一定程度的擾動，使其巖體質(zhì)量發(fā)生改變［1］。確定開挖對巖體質(zhì)量的影響范圍，對確定圍巖的支護(hù)措施具有重要的作用。巖體質(zhì)量與聲波波速存在密切關(guān)系，工程實(shí)踐證明，巖體中存在大量隨機(jī)分布的初始損傷（如節(jié)理、微裂隙等），這些損傷在宏觀上體現(xiàn)出巖體的質(zhì)量的好壞。在開挖載荷作用下，開挖近區(qū)巖體中產(chǎn)生新裂縫，同時(shí)由于應(yīng)力波作用，已經(jīng)存在的節(jié)理、裂隙不斷擴(kuò)展、成核、貫通，形成主裂縫，根據(jù)惠更斯原理，聲波到達(dá)結(jié)構(gòu)界面時(shí)，將產(chǎn)生反射、散射和繞射等作用，延長聲波的傳播路徑，進(jìn)而降低了聲波速度［2］，因而可以通過聲波波速來間接反映巖體質(zhì)量的好壞，對巖體質(zhì)量進(jìn)行分區(qū)。

在對巖體質(zhì)量進(jìn)行分區(qū)的方法中，鉆孔聲波觀察方法由于具有輕便簡潔、快速經(jīng)濟(jì)且測試精度易于控制等優(yōu)點(diǎn)而常被使用［3－7］，簡文彬等［8］利用聲波頻譜特性研究了工程圍巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、完整性等特征；曹孝君等［9］研究了開挖面距離與波速的關(guān)系；吉小明［10］利用波速定義巖體損傷變量，研究了開挖過程中巖體損傷的變化規(guī)律；陳正峰等［11］采用波速范圍以及平均值確定了某壩基開挖爆破松弛帶的厚度。

由于鉆孔聲波曲線是一條復(fù)雜的波動曲線，在確定質(zhì)量分區(qū)時(shí)，某個判定閥值往往對應(yīng)多個孔深值，給工程處理帶來一定的麻煩。鑒于此，本文對由聲波確定巖體質(zhì)量分區(qū)方法進(jìn)行了優(yōu)化，將優(yōu)化方法運(yùn)用到白鶴灘水電站4＃導(dǎo)流洞的巖體質(zhì)量分區(qū)中，并研究了不同開挖步對巖體質(zhì)量分區(qū)的影響，對工程建設(shè)中對巖體質(zhì)量進(jìn)行分區(qū)可提供一定的參考依據(jù)。

2 巖體質(zhì)量分區(qū)優(yōu)化方法

2．1 基于聲波的巖體質(zhì)量分區(qū)常規(guī)方法

根據(jù)DL／T5389—2007《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》，測試部位開挖前、后的縱波波速分別為Vud和Vd，則其波速變化率η為

當(dāng)η＜0．1時(shí)，認(rèn)為開挖對巖體無擾動影響；當(dāng)0．1≤η≤0．15時(shí)，認(rèn)為開挖對巖體質(zhì)量擾動影響輕微；當(dāng)η＞0．15時(shí)，認(rèn)為開挖對巖體質(zhì)量有擾動影響。

若聲波僅在開挖后觀察，可用觀測部位附近原始狀態(tài)的波速作為開挖前波速。設(shè)深部巖體波速監(jiān)測點(diǎn)有n個，各個監(jiān)測點(diǎn)的波速為Vid，則開挖前的巖體波速為

2．2 基于聲波的巖體質(zhì)量分區(qū)優(yōu)化方法

常規(guī)方法中，波速變化率曲線是一條波動曲線，同一閥值往往對應(yīng)不同的孔深值，導(dǎo)致確定的巖體質(zhì)量分區(qū)往往不一致，且常規(guī)方法往往忽略了波速變化率曲線的變化趨勢以及振幅等細(xì)部特征，而這些特征也反應(yīng)了巖體質(zhì)量變化的一部分特性，也具有相當(dāng)重要的參考價(jià)值。針對上訴問題，本文對基于聲波確定巖體質(zhì)量分區(qū)的方法進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化方法如下所述。

（1）整理鉆孔聲波測試資料，繪制波速變化率曲線圖。

（2）找出波速變化率曲線的3種特征點(diǎn)，即突變點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)及振幅急劇變化點(diǎn)。

（3）以3種特征點(diǎn)為界，采用最小二乘法對波速變化率曲線進(jìn)行分段擬合。

（4）巖體質(zhì)量分區(qū)判定準(zhǔn)則：如果某段擬合直線2／3的長度位于波速變化率η＝0．1線的上方或者重合，則認(rèn)為該線段終點(diǎn)邊界以上的部位都屬于擾動區(qū)，否者屬于未擾動區(qū)。由于在實(shí)際觀測中常發(fā)現(xiàn)巖體質(zhì)量分區(qū)的固定閥值波速變化率η＝0．1與η＝0．15所對應(yīng)的孔深相距很小，因而采用η＝0．15閥值對巖體質(zhì)量進(jìn)一步劃分就沒有多大的意義。

（5）如果一個工作面內(nèi)的大多數(shù)觀測孔所揭示的擾動區(qū)內(nèi)仍然具有較為明顯的分界，可利用該分界為閥值對擾動區(qū)做進(jìn)一步劃分。

該優(yōu)化方法由于采用的是擬合直線與閥值直線相交，大大減少了采用曲線與閥值直線相交時(shí)交點(diǎn)的數(shù)目，同時(shí)通過定義新的判定準(zhǔn)則，使得巖體質(zhì)量分區(qū)具有唯一性。該方法有效地考慮了波速變化率曲線的整體變化趨勢以及振幅等細(xì)部特征，相比常規(guī)方法具有一定的優(yōu)越性。

2．3 聲波與巖體質(zhì)量的關(guān)系

N．Barton［12］通過大量的巖石工程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到了巖體縱波速度Vd與巖體質(zhì)量指數(shù)Q之間的關(guān)系，即

Q＝10Vd－3．5 。（3）

由式（1）、式（3）可以推出

Q＝10(1－η ) Vud－3．5， 0≤η≤1 。（4）

由式（4）可知巖體質(zhì)量指數(shù)Q與波速變化率η成反比。

3 應(yīng)用實(shí)例

3．1 工程簡介

白鶴灘水電站位于云南省巧家縣大寨鄉(xiāng)與四川省寧南縣跑馬鄉(xiāng)之間的金沙峽谷中，根據(jù)壩址區(qū)巖體表面特征和平硐、鉆孔所揭示的巖體的裂隙發(fā)育程度，壩區(qū)玄武巖各風(fēng)化帶巖體特征為強(qiáng)風(fēng)化巖體、弱風(fēng)化上段、弱風(fēng)化下段、微風(fēng)化巖體。壩區(qū)巖體的風(fēng)化程度，主要受巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地下水活動的影響，砂巖組的風(fēng)化程度較玄武巖組劇烈，玄武巖組中變玄武質(zhì)玻屑巖屑凝灰?guī)r抗風(fēng)化能力最弱，變玄武質(zhì)角礫熔巖次之。隱晶－微晶玄武巖的風(fēng)化程度與柱狀節(jié)理的密集程度關(guān)系密切，P2β23層中上部巖體，柱狀節(jié)理密集發(fā)育，弱風(fēng)化帶明顯且較深。

白鶴灘水電工程采用5條導(dǎo)流洞的施工導(dǎo)流方案，左岸布置3條，右岸布置2條。其中4＃導(dǎo)流隧洞在樁號K1＋068至K1＋317 m間的P2β23層發(fā)育著柱狀節(jié)理玄武巖，柱體直徑13～25 cm，最大達(dá)30 cm。柱體長一般2～3 m。柱狀節(jié)理巖體中，微裂隙發(fā)育，切割巖體塊度一般在5 cm左右，少量7～8 cm，但相互間咬合，微新狀態(tài)呈閉合狀。該層內(nèi)錯動帶及緩傾角裂隙發(fā)育，柱體平均傾伏角70°。

3．2 洞室圍巖的優(yōu)化分區(qū)

3．2．1 聲波檢測資料

選擇4＃導(dǎo)流洞P2β33層柱狀節(jié)理玄武巖洞段K1＋080 m斷面的聲波檢測資料為研究對象。在K1＋080 m斷面上共設(shè)置了5個鉆孔，鉆孔深度為9 m。各個鉆孔對應(yīng)的位置以及聲波資料見圖1。

圖1　不同鉆孔的聲波波速隨深度的變化曲線Fig．1 Curves of acoustic velocity vs．pore depth of different drillings

3．2．2 優(yōu)化方法對巖體質(zhì)量進(jìn)行分區(qū)

由于4＃導(dǎo)流洞K1＋080 m斷面處巖體柱狀節(jié)理巖發(fā)育，該種巖體具有各向異性［13］的特性，故不同方向計(jì)算得到的開挖前波速并不一致，根據(jù)式（2）計(jì)算各個方向開挖前的縱波波速見表1。

根據(jù)優(yōu)化方法，對各個部位的聲波資料進(jìn)行處理，最終得到各個部位的波速變化率隨孔深變化關(guān)系曲線，如圖2所示。

表1　圍巖各個部位開挖前的縱波波速Table 1 Longitudinal wave velocity at different positions of surrounding rock before excavation

以圖2（a）為例，點(diǎn)A1和A2為突變點(diǎn)（該點(diǎn)后的變化趨勢和前面的變化趨勢出現(xiàn)了明顯的階梯狀變化），點(diǎn)B即為轉(zhuǎn)折點(diǎn)（曲線的變化趨勢從該點(diǎn)由陡變緩），又為振幅劇烈變化點(diǎn)（該點(diǎn)后曲線的振幅和前面的振幅存在劇烈的變化）。采用最小二乘法原理，對特征點(diǎn)之間的線段進(jìn)行分段擬合，得到4條擬合直線。根據(jù)優(yōu)化方法的判定準(zhǔn)則，擬合直線y1＝0．54－0．13x，y2＝0．58－0．07x，y3＝0．35－0．04x位于y＝0．1以上，因而屬于擾動區(qū)；y4＝0．01＋0．1x雖與y＝0．1相交，但位于y＝0．1以上的長度并沒有超過2／3，因而該段屬于未擾動區(qū)，同理其它部位的分區(qū)見圖2中（b）至（e）。

結(jié)合洞室其他監(jiān)測孔的聲波探測資料發(fā)現(xiàn)（見圖2中的（b）至（e），在波速變化率y＝0．4一線仍然存在著較為明顯的分界現(xiàn)象，因而利用波速變化率y＝0．4將巖體的擾動區(qū)進(jìn)一步劃分為擾動一區(qū)、擾動二區(qū)。各個區(qū)域的范圍見表2。

表2　巖體質(zhì)量分區(qū)范圍Table 2 Ranges of rock quality partition

圖2　鉆孔波速變化率隨孔深變化的關(guān)系曲線Fig．2 Curves of acoustic velocity changing rate vs．pore depth

對比圖2中的（a）至（e），可以發(fā)現(xiàn)整體上監(jiān)測點(diǎn)距離開挖面越遠(yuǎn)，其波速變化率越小，當(dāng)距離達(dá)到一定的程度后，波速變化率趨于平緩（局部數(shù)據(jù)點(diǎn)可能有所不同，但不改變整體變化趨勢）。根據(jù)波速變化率和巖體質(zhì)量指數(shù)的反比例關(guān)系（見式（4）），巖體質(zhì)量隨著距開挖面深度的增加而逐漸變好，最后趨于穩(wěn)定。

采用樣條曲線對各個區(qū)域的特征點(diǎn)位置進(jìn)行擬合，繪制出4＃導(dǎo)流洞K1＋080 m斷面的巖體質(zhì)量分區(qū)圖，見圖3。

圖3　4＃導(dǎo)流洞K1＋080 m斷面巖體質(zhì)量分區(qū)Fig．3 Partition of rock quality in K1＋080m section of 4＃diversion tunnel

由表2以及圖3可以看出，擾動一區(qū)的寬度范圍在右邊墻處最大為3．18 m，右拱肩處最小為1．3 m。整個擾動一區(qū)的范圍呈現(xiàn)出在左拱肩—右邊墻方向上較寬，左邊墻—右拱肩方向上較窄的“梭形”形狀。

由于柱狀節(jié)理巖的傾伏角為70°，擾動一區(qū)在垂直于柱狀節(jié)理巖軸線方向范圍較大，平行于柱狀節(jié)理巖軸線方向的范圍較小。說明擾動一區(qū)受柱狀節(jié)理巖各項(xiàng)異性特性的影響較大。這是由于洞室圍巖在平行于柱狀節(jié)理巖方向裂隙較為發(fā)育，更容易產(chǎn)生卸荷。

而擾動二區(qū)終點(diǎn)范圍在右邊墻處達(dá)到最大，左拱肩處最小，范圍比擾動一區(qū)大，基本呈中軸線對稱形狀（右側(cè)偏大一點(diǎn)）。

3．3 不同開挖步對圍巖質(zhì)量分區(qū)的影響

4＃導(dǎo)流洞的開挖方式采用的是臺階法施工，隨著后續(xù)開挖步的進(jìn)行，會對前開挖步形成的巖體質(zhì)量產(chǎn)生進(jìn)一步的擾動，研究不同開挖步對巖體質(zhì)量分區(qū)的變化，對工程具有重要的意義。4＃導(dǎo)流洞K1＋044 m斷面上層右邊墻PEH8鉆孔的波速資料見圖4（a），通過優(yōu)化方法獲得的數(shù)據(jù)見圖4（b），可見4＃導(dǎo)流洞K1＋044 m斷面的巖體質(zhì)量可以分為3個區(qū)域：擾動一區(qū)、擾動二區(qū)、未擾動區(qū)。

由圖4可知，下層開挖后的擾動區(qū)（包括擾動一區(qū)、擾動二區(qū)）的波速變化率要大于中層開挖后的波速變化率，說明中層開挖后形成的巖體質(zhì)量在下層開挖時(shí)發(fā)生了進(jìn)一步的卸荷，巖體質(zhì)量變差。

圖4　不同開挖步下波速及波速變化率隨孔深變化的關(guān)系曲線Fig．4 Curves of acoustic wave and acoustic wave changing rates vs．pore depth at different excavation steps

下層開挖后，擾動一區(qū)的范圍由原來的（中層開挖后）4．11 m增加至5．82 m，擾動二區(qū)的邊界由原來的（中層開挖后）6．12 m增加至6．88 m，說明后續(xù)開挖步擾動使得擾動區(qū)的范圍發(fā)生改變，擾動區(qū)進(jìn)一步增加。

由于后續(xù)開挖步的擾動會使巖體的質(zhì)量進(jìn)一步變差，巖體的擾動區(qū)范圍也進(jìn)一步增加，因而在確定支護(hù)措施時(shí)必須充分考慮不同開挖步對巖體質(zhì)量分區(qū)的影響，防止出現(xiàn)先期支護(hù)在后續(xù)開挖中不能滿足洞室圍巖的穩(wěn)定性要求等情況。

4 結(jié) 論

本文對洞室圍巖巖體質(zhì)量分區(qū)的常規(guī)方法進(jìn)行了優(yōu)化，將其運(yùn)用到白鶴灘水電站4＃導(dǎo)流洞工程中，并研究了不同開挖步對巖體質(zhì)量分區(qū)的影響，具體結(jié)論如下：

（1）考慮波速變化率曲線突變點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)以及振幅急劇變化點(diǎn)3種特征點(diǎn)，利用最小二乘法原理對曲線進(jìn)行分段擬合，重新定義巖體質(zhì)量分區(qū)的判定準(zhǔn)則，對巖體質(zhì)量分區(qū)的常規(guī)方法進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化方法減少了波速變化率曲線與閥值直線的交點(diǎn)，使巖體質(zhì)量分區(qū)具有唯一性。

（2）將優(yōu)化方法應(yīng)用到白鶴灘水電站4＃導(dǎo)流洞工程中，4＃導(dǎo)流洞的巖體質(zhì)量分為3個區(qū)，即擾動一區(qū)、擾動二區(qū)、未擾動區(qū)，各區(qū)巖體質(zhì)量隨著距開挖面深度的增加而逐漸變好。擾動一區(qū)受柱狀節(jié)理巖各項(xiàng)異性的影響較大，呈“梭形”形狀；擾動二區(qū)范圍比擾動一區(qū)要大，基本呈中軸對稱形狀。

（3）根據(jù)優(yōu)化方法，研究了不同開挖步對巖體質(zhì)量分區(qū)的影響，后續(xù)開挖步的擾動會使原有的巖體質(zhì)量分區(qū)發(fā)生改變，擾動區(qū)的巖體質(zhì)量變差、范圍增加，建議確定支護(hù)措施時(shí)要充分考慮不同開挖步對巖體質(zhì)量的影響。

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（編輯：姜小蘭）

Method of Optimizing Surrounding Rock Quality Partition Based on Acoustic Wave Technology

ZHANG Hai?long1，2，WANG Jin?ming1，JIN Xin1，CHEN Hong?jie3
（1．Yalong River Hydropower Development Company，Ltd．，Chengdu 610056，China；2．Research Institute of Geotechnical Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；3．Huaneng Lancang River Hydropower Company，Ltd．，Kunming 650214，China）

Abstract：Drilling and acoustic wave observation is often used to determine the disturbance of excavation on rock quality．However，it is difficult to determine the boundary of rock quality partition by using conventional methods because there are more than one intersection between the curve of acoustic velocity changing rate and the threshold line．In this research，we optimize the conventional method by considering the detail features of acoustic velocity changing rate curve，and redefine the criteria of rock quality partition，which is made unique．Furthermore we apply the optimized method to the 4＃diversion tunnel project of Baihetan hydropower station，and divide the rock quality of 4＃diversion tunnel into 3 zones：the first disturbed zone，the second disturbed zone，and non?disturbed zone．A?long with the increase of the depth from the excavation face，the disturbance of excavation on surrounding rock gets weaker and the rock quality becomes better．Subsequent excavation steps could worsen the rock quality，and the disturbed area will increase．

Key words：acoustic wave；surrounding rock of chamber；rock quality partition；optimization method；Baihetan hy?dropower station

作者簡介：張海龍（1989－），男，湖北襄陽人，碩士研究生，從事巖石力學(xué)與工程方面的研究，（電話）18990457152（電子信箱）sealng＠126．com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50911130366）

收稿日期：2014－11－21；修回日期：2015－01－15

中圖分類號：TU45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001－5485（2016）03－0054－05