保豐水庫壩基巖體完整性跨孔聲波測試分析

何幫靜

(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563000)

1 概 述

由于山區(qū)水庫壩基巖體工程地質(zhì)條件通常較復(fù)雜，壩基覆蓋層深且厚、巖石軟硬相間、溶蝕裂隙發(fā)育、性狀復(fù)雜以及層間風(fēng)化程度不均一等原因，當(dāng)受到壩基開挖、爆破震動等擾動勢必會引起巖體開挖面的力學(xué)特性改變。如無法探明壩基巖體的完整性及沿深度方向巖體特征，而盲目進行方案設(shè)計和施工，將會給工程安全帶來隱患甚至出現(xiàn)惡性事故[1]。聲波測試是彈性波測試方法中的一種，聲波波速與巖體的巖性、結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)性能等因素密切相關(guān)[2-3]。通過測試聲波在巖體中的傳播時間并計算獲得聲波波速指標及變化規(guī)律，可以定量評估巖體完整性與結(jié)構(gòu)特征，為施工開挖驗收、壩基處理、壩體結(jié)構(gòu)體型優(yōu)化設(shè)計及施工等工作順利開展提供詳實的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 保豐水庫概況

2.1 工程概況

保豐水庫位于貴州省習(xí)水縣雙龍鄉(xiāng)東南面的楊寺巖村境內(nèi)，距習(xí)水縣城79km。水庫為農(nóng)田灌溉和農(nóng)村人畜飲水的綜合利用中型水庫，由水源工程、輸水系統(tǒng)等組成。水庫正常蓄水位900m，相應(yīng)庫容1050萬m3，總庫容1277萬m3，年供水量2200萬m3，最大壩高67m。水庫樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、泄洪建筑物、取水兼放空孔等組成。

2.2 地層巖性

保豐水庫庫岸多以基本對稱“V”形河谷為主。壩址為橫向谷，壩基出露地層巖性為Qal河床沖積砂卵石，S1sh1薄至中厚層瘤狀泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，S1sh2、S1sh4中厚層夾薄層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及S1sh3中厚層泥灰?guī)r夾極薄層泥灰?guī)r和鈣質(zhì)粉砂巖等。壩基巖性復(fù)雜多樣，抗壓強度、變形模量等力學(xué)參數(shù)差異大，壩基巖體不均勻，可能產(chǎn)生壓縮變形。

3 壩基巖體跨孔聲波測試

3.1 測試原理

保豐水庫壩基開挖后，采用一發(fā)一收跨孔同步聲波測試探測地質(zhì)情況，即在相鄰兩個鉆孔內(nèi)一個放置發(fā)射器而另一個放置接收器進行聲波穿透測試。通過記錄兩鉆孔間聲波傳播時間，并結(jié)合發(fā)射/接收器間的間距計算巖體的聲波波速，以探明壩基巖體完整性及沿深度方向巖體特征，為下一步工作提供科學(xué)依據(jù)[4-5]。保豐水庫壩基質(zhì)量檢測采用HX-SY02B非金屬聲波儀，雙孔換能器，數(shù)據(jù)連續(xù)采集。測試原理見圖1。

圖1 跨孔聲波測試原理

將一發(fā)一收換能器分別置于巖體相鄰鉆孔同等高程，以清水做耦合劑，同步依次按照Ln測點步距提升或下移換能器探頭，測讀出縱波傳播時間，相應(yīng)計算獲得巖體縱波波速，其表達式為

(1)

式中Lp——兩鉆孔收發(fā)換能器間的間距；

tp——聲波從發(fā)換能器傳輸?shù)绞論Q能器的縱波傳播時間；

vp——孔壁介質(zhì)的縱波波速。

3.2 縱波測試鉆孔布置

由于巖性的不同，聲波傳播速度也不同，就是同一種巖性的巖體也會因其風(fēng)化程度、完整狀態(tài)的不同而導(dǎo)致聲波傳播速度的不同。習(xí)水縣保豐水庫工程大壩基礎(chǔ)跨孔聲波測試，沿壩基f1斷裂帶共測試3組9個鉆孔(S1～S9)，即：壩基中部靠近上游面1組，壩基中部1組，壩基中部靠近下游面1組，每組各3個鉆孔，孔深6m。壩基巖體跨孔聲波現(xiàn)場檢測鉆孔位置見圖2。

圖2 壩基巖體跨孔聲波檢測鉆孔位置布置平面

壩基巖體質(zhì)量檢測鉆孔內(nèi)聲波檢測儀器采用HX-SY02B非金屬聲波儀，雙孔換能器，數(shù)據(jù)連續(xù)采集。按剖面由孔底向孔口自下往上逐級同時平行提升，步距Ln為20cm。

3.3 壩基巖體波速特征

3.3.1 質(zhì)量檢測標準

壩基基巖質(zhì)量與巖體聲波波速間存在特定的相關(guān)關(guān)系，如巖體越完整、強度越大，則實測聲波波速值越高、聲波曲線連續(xù)性越好；相反，巖體越破碎、強度越低，則實測聲波波速值越低、聲波曲線連續(xù)性越差。巖體完整程度主要依據(jù)巖體完整性指數(shù)(裂隙系數(shù))，即采用巖體與巖石聲波波速的比值，來定量評估巖體完整程度，即

(2)

式中vp——巖體縱波速度，實測值，m/s；

vpr——室內(nèi)新鮮巖石(塊)縱波速度，標準值，m/s。

根據(jù)《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL 55—2005)中附表A.0.2-3巖體完整程度分級，確定壩基巖體完整程度定量評價指標(見表1[6])。

表1 壩基巖體完整程度分級評價指標

3.3.2 檢測成果分析

從現(xiàn)場取新鮮鉆孔巖塊，試驗室內(nèi)經(jīng)切磨、制樣后得灰?guī)r巖塊6件后，進行室內(nèi)聲波測試收集獲得壩基巖石波速值，并經(jīng)算術(shù)平均計算獲得巖塊縱波速度標準值為vpr=5630m/s。大壩基礎(chǔ)巖體現(xiàn)場3組鉆孔9個檢測剖面的跨孔聲波測試分析成果見表2。

表2 壩基巖體跨孔聲波測試分析成果

繪制3組9個鉆孔典型跨孔聲波測試曲線(見圖3)。

圖3 壩基9個鉆孔典型跨孔聲波測試曲線

由表2和圖3可知，保豐水庫大壩基礎(chǔ)巖體完整性系數(shù)最低為0.63(S1-S2剖面)、最高為0.71(S7-S8、S7-S9、S8-S9剖面)，均屬0.75≥kv>0.55范疇，壩基巖體整體完整性評定為“較完整”。巖體波速值整體呈淺部波速值低而深部波速值高的逐步增大趨勢，未發(fā)現(xiàn)異常聲波值和連續(xù)波速低值，說明壩基巖體結(jié)構(gòu)較單一、完整性較好。

4 結(jié) 論

跨孔聲波測試是物探技術(shù)的一種，通過相鄰鉆孔間跨孔聲波檢測，可在垂直方向準確反映基巖巖體的結(jié)構(gòu)類型、完整性、結(jié)構(gòu)面發(fā)有程度與性狀等特征，彌補了勘探孔以點帶面的不足，通過面的形式詳細展示壩基地表以下巖體的工程地質(zhì)狀況，便于地勘及設(shè)計人員準確掌握工程地質(zhì)特性。保豐水庫施工階段，采用跨孔聲波檢測及時、準確地探明了壩基基巖地質(zhì)狀況并確定壩基巖體完整性為“較完整”，為工程設(shè)計優(yōu)化和施工等下一步工作有序開展提供了科學(xué)詳實的數(shù)據(jù)支撐。