綜合物探方法在水電站壩基巖體檢測(cè)中應(yīng)用

田文顯

貴州烏江清水河水電開發(fā)有限公司 貴州貴陽 550081

水電大壩作為擋水建筑物，大壩是否安全至關(guān)重要。大壩基礎(chǔ)的巖體質(zhì)量是整個(gè)大壩工程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，大壩的基礎(chǔ)滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求是前提條件。在壩基巖體質(zhì)量復(fù)核與評(píng)價(jià)體系中，常采用單孔聲波、跨孔聲波、鉆孔變模和鉆孔錄像的物探手段，查明建基面巖體的物理力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)面發(fā)育特性，并對(duì)壩基巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文以某水電站壩基開挖物探檢測(cè)實(shí)施和成果，通過對(duì)單孔聲波、跨孔聲波、鉆孔變模、鉆孔全景數(shù)字成像檢測(cè)和聲波CT等綜合物探成果資料的綜合分析，查明壩基巖體波速衰減率、爆破松弛深度、波速、變形模量等力學(xué)參數(shù)和裂隙寬度、走向等地質(zhì)特征，為綜合評(píng)價(jià)壩基巖體質(zhì)量、建基面優(yōu)化、地質(zhì)缺陷處理、基礎(chǔ)灌漿設(shè)計(jì)、壩基巖體穩(wěn)定復(fù)核評(píng)價(jià)等提供了技術(shù)支持[1]。

1 工程概況及地質(zhì)條件

該水電站樞紐建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程3451．00m，最大壩高 118．0m，壩頂長 371．0m。

工程區(qū)位于青藏高原中南部高山深谷區(qū)，為岡底斯-念青唐古拉地層區(qū)南部，與雅魯藏布江構(gòu)造巖石地層區(qū)毗鄰。區(qū)內(nèi)沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖均有出露，其中以巖漿巖、變質(zhì)巖相對(duì)發(fā)育，未變質(zhì)的沉積巖相對(duì)較少，地層巖性復(fù)雜[2]。壩基主要出露巖性為喜山期黑云母花崗閃長巖，灰白色，中細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)為主，塊狀構(gòu)造。基巖巖石致密且強(qiáng)度高，但節(jié)理裂隙較發(fā)育。左岸巖體差于右岸，整體巖石較完整。

2 檢測(cè)方案

2.1 檢測(cè)方法

使用的檢測(cè)方法有：單孔聲波法、跨孔聲波法、鉆孔變形模量法、鉆孔全景數(shù)字成像法和聲波CT等。各種檢測(cè)方法的原理，許多學(xué)者已做了詳細(xì)的研究和推導(dǎo)，本文不再重復(fù)敘述，只是介紹各種方法在本項(xiàng)工作中綜合檢測(cè)取得的成果和積累的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)。

2.2 檢測(cè)布置

在1#-17#壩段共布置了60個(gè)鉆孔開展爆破松弛深度及巖體質(zhì)量檢測(cè)工作，檢測(cè)孔布置見圖1。其中BP鉆孔在開挖至壩基基巖面之前最后1次梯段爆破之前（一般為2m）進(jìn)行爆前檢測(cè)，開挖至建基面高程后進(jìn)行爆后檢測(cè)；YT鉆孔進(jìn)行巖體質(zhì)量單孔聲波和鉆孔全景圖像檢測(cè)；BP鉆孔和相鄰的YT鉆孔（一般間距為5m）進(jìn)行跨孔聲波檢測(cè)，同時(shí)按照20%的比例抽取YT鉆孔進(jìn)行鉆孔變模檢測(cè)[3]。

3 檢測(cè)成果及分析

3.1 松弛深度

對(duì)BP鉆孔在爆前和爆后均進(jìn)行了單孔聲波測(cè)試，按照壩段（其中7#-10#壩段統(tǒng)一按照河床壩段進(jìn)行歸類）對(duì)平均波速、波速平均衰減率進(jìn)行了分類匯總，分段平均波速匯總表見表1，分段平均衰減率見表2。

檢測(cè)成果揭示，爆后波速范圍為3321-5500m/s，平均波速為4590m/s，右岸壩段的波速要高于左岸壩段，這與測(cè)區(qū)地質(zhì)條件相符；爆后大部分波速與孔深曲線在距孔口0．8-1．4m直接出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)或振幅信號(hào)明顯減弱現(xiàn)象，淺部巖體波速與振幅均明顯比深部巖體低，爆破松弛與應(yīng)力卸荷共同作用形成的松弛帶深度范圍為0．8-1．4m，即爆破對(duì)0．8-1．4m深度范圍內(nèi)巖體影響較大；0-1m深度范圍內(nèi)波速衰減率在4．1-13．8%左右，平均衰減率為8．75%，屬于正常的松弛影響，在后續(xù)固結(jié)灌漿工作中可進(jìn)行加固處理[4]。

表1 該水電站爆破聲波孔各壩段平均波速分段統(tǒng)計(jì)表

表2 該水電站爆破聲波孔各壩段波速平均衰減率分段統(tǒng)計(jì)表

表3 該水電站建基巖體波速與變模對(duì)應(yīng)關(guān)系表

3.2 巖體波速

圖2 該水電站壩基單孔聲波波速三維柱狀圖

將單孔聲波和跨孔聲波測(cè)試的波速匯總進(jìn)行插值分析（網(wǎng)格1×0．5m），得到不同樁號(hào)剖面在不同高程范圍波速分布等值線圖；對(duì)波速進(jìn)行插值計(jì)算（三角插值法，網(wǎng)格1×1×0．5m），可建立該水電站壩基波速分布三維模型；對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行切片可得沿高程方向的波速分布等值線圖[5]。該水電站壩基巖體單孔聲波波速三維柱狀圖如圖2所示，壩基波速分布三維體積模型圖如圖3所示，沿不同高程的波速分布等值線切片圖如圖4所示。

圖3 該水電站壩基聲波波速分布三維體積模型圖

圖4 該水電站沿不同高程的波速分布等值線切片圖

結(jié)合聲波的成果圖表，可得：左岸壩段巖體波速平均值低于右岸壩段，這也與測(cè)區(qū)地質(zhì)情況相符；河床壩基建基面以下低波速區(qū)域（波速小于4050m/s）隨高程降低而減少；平面上，低波速區(qū)域相對(duì)集中在左岸5#-10#壩段；深度方向上，5#-6#壩段低波速區(qū)域主要分布在EL3350m以上，7#-10#壩段低波速區(qū)域主要分布在EL3338m以上，11#壩段低波速區(qū)域主要分布在EL3340m以上。

3.3 巖體變形模量

（1）根據(jù)選取巖體完整性不同的壩段的各個(gè)鉆孔進(jìn)行變形模量測(cè)試，得到壩基巖體變形模量范圍為7．04-16．89GPa，平均值為 11．15GPa；

（2）在有限的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立起本工程壩基測(cè)試段鉆孔變形模量與聲波素的關(guān)系式為：，經(jīng)回歸計(jì)算得出參數(shù)a、b及相關(guān)系數(shù)。本工程壩基巖石鉆孔變形模量與聲波速度的相關(guān)關(guān)系曲線如圖5所示。

經(jīng) 計(jì) 算， 得 出 a=1．61321604×10-8、b=0．000820376（擬合試驗(yàn)實(shí)用范圍：波速在3540m/s-6030m/s），相關(guān)系數(shù)R2=0．906761759。由此得出聲波速度與鉆孔變形模量對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3。

3.4 鉆孔全景數(shù)字成像

鉆孔全景數(shù)字成像可以反映單個(gè)鉆孔孔壁周邊巖體的完整情況和節(jié)理、裂隙發(fā)育情況，結(jié)合位于同一樁號(hào)的各個(gè)鉆孔的孔內(nèi)成像成果，則可該剖面的節(jié)理裂隙分布圖，進(jìn)而推測(cè)節(jié)理裂隙的發(fā)育走向等。圖6為同一樁號(hào)3個(gè)鉆孔孔內(nèi)成像成果圖，可以看到從左岸到右岸，巖體破碎的深度逐步向下延伸，該孔段的單孔聲波波速也有顯著降低。

圖5 DG水電站壩基巖石鉆孔變形模量與聲波速度相關(guān)曲線圖

結(jié)合各種物探方法檢測(cè)成果綜合分析認(rèn)為：

（1）該水電站壩基巖性單一，陡傾角裂隙較發(fā)育，多呈閉合或微張開狀；

（2）壩基淺部巖體（近建基面1．4m范圍內(nèi)）受爆破松弛和應(yīng)力卸荷的影響較大，波速普遍較低，隨著深度的增加，巖體質(zhì)量有顯著好轉(zhuǎn)，波速有明顯提高，大部分巖體波速大于4500m/s；

圖6 典型鉆孔全景數(shù)字成像成果圖

（3）河床壩基除F7斷層外，未發(fā)現(xiàn)有較大規(guī)模呈低速帶連續(xù)分布的裂隙和構(gòu)造。

4 結(jié)語

通過本次對(duì)該水電站壩基巖體檢測(cè)綜合物探方法的應(yīng)用，查明了巖體的爆破卸荷松弛深度，得到了壩基巖體波速、巖體變形模量等參數(shù)，其成果準(zhǔn)確可靠，應(yīng)用效果達(dá)到了預(yù)期的檢測(cè)目的，為后續(xù)壩基固結(jié)灌漿等施工工藝和施工方案設(shè)計(jì)提供了可靠的物理參數(shù)，進(jìn)而對(duì)壩基質(zhì)量驗(yàn)收和安全評(píng)價(jià)提供有力的技術(shù)支持。采用綜合物探方法避免了采用單一物探方法的局限性與多解性，更有利于物探異常的解釋，能夠勝任多種目的的物探檢測(cè)，對(duì)同類工程具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。