三河口大壩壩基巖體波速特征及爆破影響分析

趙力　董鵬　宋曉峰等

關鍵詞：壩基;巖體質量;聲波波速;電磁波CT;爆破開挖;三河口大壩

中圖分類號：TV221 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.026

引用格式：趙力，董鵬，宋曉峰，等.三河口大壩壩基巖體波速特征及爆破影響分析[J].人民黃河，2022，44（3）：133-137，164.

拱壩作為一種重要的擋水建筑物，可以利用拱的作用將水壓力傳遞到河谷兩岸的基巖，兼具良好的安全性和經濟性。壩基巖體質量一直是拱壩設計和分析中關注的重點之一，尤其對于高拱壩結構。大壩及基礎長期承受巨大的水荷載、風荷載及水位變化、滲流作用等，也可能遭遇地震、泥石流等不良地質災害，存在基礎滑移、失穩(wěn)破壞等安全風險[1-3]。壩基巖體質量主要受巖性、地質構造、巖體完整性、爆破開挖等因素影響[4]。為提前判別壩基巖體質量，及時處理地質隱患，聲波檢測技術得到應用[5-7]，基于聲波特征開展壩基巖體質量及爆破影響分析具有重要意義[8]。

對壩基巖體聲波檢測的研究，許多學者做了大量工作。夏開宗等[9]引入Hoek-Brown準則，建立了由巖體波速預測巖體力學參數(shù)的新方法。張文舉等[10]對斷層破碎帶、風化及開挖影響區(qū)等不同條件巖體固結灌漿前、后波速進行分析，建立了固結灌漿后巖體波速提高率與灌漿前巖體波速之間的關系。許琦等[11]基于烏東德水電站建立了壩基巖體變形模量與單孔聲波的相關關系。陳康達等[12]基于青海瑪沁地區(qū)瑪爾擋水電站研究了壩基巖體巖石質量指標、波速和透水率的關系。李雷等[13]對云南石門坎水電站壩基巖體變形模量與波速進行擬合分析，得出巖體變形模量與波速關系呈一階遞增指數(shù)函數(shù)為最優(yōu)。張鳳等[14]基于聲波測試技術，對壩基巖體爆破松弛、巖體質量分級等進行了研究。王雙龍等[15]研究了建基面巖體表層低波速帶分布特征及其成因。李維耿等[16]在小灣水電站采用了超聲波、鉆孔變形模量和全孔壁數(shù)字成像等物探檢測技術手段，揭示了壩基巖體波速分布特征、波速衰減特征、裂隙發(fā)育規(guī)律等。易毅等[17]采用聲波測試方法對大崗山水電站壩基巖體開挖完成后的巖體質量進行了評價。唐云娟等[18]通過綜合物探對水電站高拱壩壩基爆破開挖卸荷松弛及巖體質量開展了檢測，得到了壩基巖體波速、松弛深度、應力釋放時間等參數(shù)。張春安等[19]開展了大崗山拱壩建基面開挖爆破聲波檢測，給出了開挖爆破對建基面影響程度的量化指標。

本文針對引漢濟渭工程三河口大壩，綜合采用聲波測試、電磁波CT探測等手段，分析了壩基巖體鉆孔波速特征及電磁波CT特征規(guī)律，通過對比爆破開挖前、后的波速，分析了壩基巖體在爆破開挖作用下的影響深度，基于波速分布特征論證了壩基巖體質量。

1工程概況

引漢濟渭工程是國家“十三五”期間172項重大水利工程之一，其中三河口水利樞紐作為引漢濟渭工程的調蓄中樞，位于佛坪縣與寧陜縣交界的子午河峽谷段，總庫容為7.1億m，主要調蓄子午河來水及通過泵站抽調入庫的漢江干流水量。三河口水利樞紐大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程646m，壩頂寬9m，最大壩高141.5m，壩頂弧長472.153m。壩基巖體風化程度較低，壩基巖性以變質砂巖為主，局部夾有大理巖，飽和抗壓強度在60MPa以上，壩基應力場以水平應力為主[20]。巖體結構以厚層、中厚層狀結構為主，構造類型為斷層、蝕變帶及裂隙，河谷段高程506.0m附近壩基地表出露f44、f45、sf11、sf12斷層。f44、f45斷層大體從河谷壩基的中下區(qū)域橫穿河谷，sf11斷層從河谷壩基左側順河向發(fā)育，sf12斷層沿著壩基上游發(fā)育至壩基中部。

2聲波波速特征分析

大壩開挖至高程515.0m，在河床壩基開展鉆探工作，布置8個鉆孔ZK1～ZK8，孔底高程495.0m，鉆孔的平面位置如圖1所示。

根據(jù)ZK1～ZK8鉆孔的孔內電視攝像成果及鉆孔巖芯對鉆孔巖體結構進行劃分，河谷壩段巖體結構以厚層、中厚層狀結構為主，局部斷裂構造及裂隙發(fā)育區(qū)段為互層結構。對鉆孔巖石質量指標RQD進行統(tǒng)計表明：河床壩基503.5m高程以上，鉆孔巖芯RQD指標普遍偏低，該高程以下RQD在56%～83%之間，相對較高，局部RQD偏低是斷層帶及影響帶巖體完整性差引起的。河谷段壩基高程515.0m以下巖體為弱風化-微風化帶，弱風化下限高程一般在503.6～509.5m之間，巖體變形模量及聲波波速見表1。

巖體聲波波速能夠反映巖體性質，波速高，表明巖體內部較致密;當巖體存在較多節(jié)理、裂隙等內部缺陷時，波速降低。根據(jù)三河口大壩初步設計成果，建基面變形模量控制為15GPa，結合類似工程壩基巖體變形模量與波速的相關關系[11-13]及表1，建基面變形模量為15GPa時相應波速達到4300m/s，考慮到可采用固結灌漿進一步提高巖體質量[10]，通過現(xiàn)場試驗得到固結灌漿可使巖體質量提高約30%，因此為了使壩基巖體能夠滿足三河口大壩建基面的設計要求，其波速應為3400m/s以上。

對ZK1～ZK8鉆孔進行孔內聲波波速測試，ZK1～ZK8鉆孔聲波波速隨高程變化曲線見圖2。對于ZK1鉆孔，高程低于504.5m的巖體波速值普遍較高且穩(wěn)定，隨著高程提高，高程在504.5m以上的巖體波速波動較大，波速小于4300m/s的點數(shù)占比68.1%。對于ZK2鉆孔，高程小于509.7m的巖體波速整體較高，局部波速較低段為裂隙發(fā)育段;高程大于509.7m的巖體波速呈減小趨勢，波速小于4300m/s的點數(shù)占比84.6%，推測是受爆破開挖的影響所致。對于ZK3鉆孔，高程小于505.6m的巖體波速整體較高，孔內電視攝像成果顯示巖體完整，裂隙不發(fā)育;高程大于505.6m的巖體波速變化較大，波速小于4300m/s的點數(shù)占比69.7%，孔內電視攝像成果顯示該段裂隙發(fā)育。對于ZK4鉆孔，高程小于505.8m的巖體波速整體較高，波速在4444～5405m/s之間，孔內電視攝像成果顯示巖體完整，裂隙不發(fā)育;505.8m高程以上的巖體波速變化較大，波速小于4300m/s攝像成果點數(shù)占比40%，孔內電視攝像成果顯示該段有裂隙發(fā)育。對于ZK5鉆孔，高程大于509.0m的巖體波速變化較大，裂隙較發(fā)育;高程小于509.0m的巖體整體波速較高，局部段裂隙發(fā)育，波速偏低，其中高程502.0～503.0m段發(fā)育2條裂隙，波速偏低，高程496.0～497.2m段受裂隙發(fā)育影響，波速低。對于ZK6鉆孔，巖體波速整體偏低，波速變幅大，其中高程503.6m以上、501.0m以下裂隙較發(fā)育、波速偏低。對于ZK7鉆孔，高程小于511.5m的巖體波速較高且基本穩(wěn)定，局部測點因存在裂隙而波速偏低;高程511.5m以上波速整體偏低，主要是受爆破開挖及裂隙影響所致。對于ZK8鉆孔，高程小于498.0m時受構造影響，巖體破碎、波速低;高程大于511.7m時受開挖爆破影響，巖體波速偏低;高程498.0～511.7m段巖體波速較高且穩(wěn)定。

綜上所述，各鉆孔上部位置巖體波速均較低，達到一定高程（504.5～511.5m）后，巖體波速顯著下降，原因是受爆破開挖和裂隙的影響;下部位置尤其是高程504.5m以下巖體的波速高且穩(wěn)定，巖體完整性較好，與勘察得到的鉆孔巖芯RQD指標和變形模量較高的結論相符;局部巖體波速低于4000m/s，原因是附近斷層、裂隙等構造導致巖體結構完整性較差，與勘察得到的受構造影響巖體風化深度較大的結論相吻合。

3電磁波CT特征分析

為進一步查明壩基巖體完整性的空間分布，大壩開挖至高程506.0m時，對壩基進行了電磁波CT測試，根據(jù)電磁波CT實測結果，對電磁波檢測異常部位增補了跨孔波速測試。

電磁波CT衰減系數(shù)值越大，巖體越破碎，反之衰減系數(shù)值越小，巖體越完整[21-22]。檢測剖面水平向1/4～3/4段數(shù)據(jù)相對可靠，兩側數(shù)據(jù)誤差較大;垂向中部2.5m以上（呈倒三角形區(qū)域）及中部8.5m以下（呈三角形區(qū)域）數(shù)據(jù)誤差較大。忽略數(shù)據(jù)誤差大的區(qū)域，根據(jù)電磁波CT測試結果可知，ZK1～ZK2、ZK3～ZK4、ZK1～ZK5、ZK3～ZK7、ZK4～ZK8間巖體的衰減系數(shù)整體偏小，表明巖體較完整;ZK5～ZK6、ZK7～ZK8間巖體的衰減系數(shù)值整體偏大，表明巖體完整性較差，但不存在斷層及局部結構面密集發(fā)育區(qū)域。

ZK2～ZK3電磁波跨孔CT結果如圖3所示?？梢钥闯?，ZK2～ZK3間巖體的衰減系數(shù)值整體偏大，巖體完整性較差，尤其是圖3中坐標（21～24，5.5～6.5）（12～14，5.5～6.5）（兩處區(qū)域相應高程均為499.0～500.0m）及（33～35，2.8～3.2）（相應高程為502.2～502.6m）區(qū)域CT衰減系數(shù)大，巖體破碎。對ZK2～ZK3電磁波CT異常區(qū)域進行跨孔波速測試可知：電磁波CT在坐標（21～24，5.5～6.5）處波速為2973～3154m/s，電磁波CT在坐標（12～14，5.5～6.5）處波速為3352～3965m/s，結合地質測繪結果可知該區(qū)域受斷層sf12影響。綜上，上述區(qū)域巖體裂隙較為發(fā)育，巖體破碎，電磁波CT測試與跨孔波速測試結果吻合，即電磁波CT紅色區(qū)域對應波速≤3300m/s，橙色區(qū)域對應波速在3300～4000m/s之間。

分析ZK6～ZK7電磁波跨孔CT測試結果可知，ZK6～ZK7間巖體的衰減系數(shù)整體偏大，巖體完整性差，高程498.5～501.0m區(qū)域巖體衰減系數(shù)極大。對ZK6～ZK7電磁波CT異常區(qū)域進行跨孔波速測試可知：高程498.5～501.0m區(qū)域波速在3289～3899m/s之間，電磁波CT紅色區(qū)域對應波速≤3300m/s，橙色區(qū)域對應波速在3300～3900m/s之間。電磁波CT測試與跨孔波速測試成果吻合，結合地質剖面分析認為該區(qū)域受斷層f45影響，巖體極破碎。

分析ZK2～ZK6電磁波跨孔CT測試結果可知，ZK2～ZK6間巖體衰減系數(shù)相對較大，巖體整體完整性較差，高程499.0～500.0m區(qū)域巖體衰減系數(shù)極大，結合測繪結果可知，該區(qū)域受斷層sf13影響，巖體較為破碎。對ZK2～ZK6電磁波CT異常區(qū)域進行跨孔波速測試可知：高程499.0～500.0m區(qū)域波速在3175～3992m/s之間，電磁波CT橙色區(qū)域對應波速在3300～3900m/s之間，結合地質剖面分析認為該區(qū)域受斷層sf13影響，巖體極破碎。

綜上可見，壩基巖體大部分測試位置衰減系數(shù)較小，僅局部區(qū)域衰減系數(shù)較大，表明壩基巖體整體完整性較好。衰減系數(shù)大的破碎巖體區(qū)域主要分布于高程498.5～501.0m;鉆孔ZK1～ZK2、ZK3～ZK4位置的衰減系數(shù)整體較ZK5～ZK6、ZK7～ZK8的小，由此可知河谷壩段上游邊界的壩基巖體完整性優(yōu)于下游邊界的，其原因主要在于下游邊界地表距斷層f44、f45較近，在構造作用下巖體完整性較差;平行河流方向上，靠近左右岸的壩基巖體完整性要好于中間巖體，表現(xiàn)為左岸邊界ZK1～ZK5、右岸邊界ZK4～ZK8位置的衰減系數(shù)明顯小于河床部分ZK2～ZK6的;根據(jù)部分電磁波CT與跨孔波速對比，電磁波CT紅色區(qū)域對應波速≤3300m/s，橙色區(qū)域對應波速在3300～3900m/s之間。

4爆破開挖對壩基巖體的影響

大壩開挖至高程515.0m左右，對壩基鉆孔進行了第1次波速測試，此時高程506.0m以下壩基巖體波速能夠代表巖體的初始狀態(tài);當大壩開挖至506.0m時，對壩基鉆孔ZK1～ZK8進行第2次波速測試，此時爆破開挖會對壩基巖體產生影響。采用波速比來反映爆破后巖體波速的變化，通過分析波速比的變化規(guī)律，探究爆破開挖對壩基巖體的影響。波速比計算公式為

式中：n為波速比;v為大壩開挖至高程515.0m時所測得的巖體波速;v為大壩開挖至506.0m時所測得的巖體波速。

爆破開挖前，巖體未受外界擾動，聲波速度取決于巖體自身的組分、結構、裂隙分布等;爆破開挖后，沖擊荷載會導致表部巖體出現(xiàn)損傷劣化，原有裂隙加劇，甚至形成新的裂隙，巖體物理力學性質變差，聲波在巖體中的傳播速度降低。

分析鉆孔ZK1、ZK2、ZK3、ZK4兩次測得的巖體波速的比值可知：對于ZK1鉆孔，在503.53m高程位置波速比為0.84，在503.53m高程以下波速比接近1，而在503.53m高程以上波速比明顯減小，由此可知，其爆破影響下限高程為503.53m，此高程以上受爆破開挖影響巖體結構較破碎;對于ZK2鉆孔，在503.14m高程位置波速比為0.89，此高程以上波速比減小，在高程504.54m處波速比為0.76，其爆破影響下限高程為503.14m。對于ZK3、ZK4鉆孔，在高程504.80、504.15m以上巖體的第2次波速值較第1次波速值明顯偏小，該高程以下巖體兩次波速值相當，因此認為ZK3、ZK4鉆孔爆破影響下限高程分別為504.80、504.15m。

分析鉆孔ZK5、ZK6、ZK7、ZK8兩次測得的巖體波速的比值可知：對于ZK5鉆孔，在504.24m高程位置波速比為0.68，此高程以下巖體波速比增大至1.0左右，此高程以上巖體波速比明顯減小，其爆破影響下限高程為504.24m。對于ZK6鉆孔，在504.25m高程位置波速比為0.82，此高程以上波速比減小，在高程504.85時波速比降為0.5，其爆破影響下限高程為504.25m。對于ZK7、ZK8鉆孔，分別在高程503.71、505.32m以上巖體第2次所測波速較第1次所測波速明顯偏小，因此認為ZK3、ZK4鉆孔爆破影響下限高程分別為503.71、505.32m。

鉆孔爆破影響深度匯總見表2。

在河床壩基進行了15組跨孔波速補充測試，繪制了波速—孔深曲線，發(fā)現(xiàn)波速—孔深曲線均存在突變現(xiàn)象，壩基巖體淺部位置波速較小，隨著孔深增大到一定位置，波速突然顯著增大。淺部位置波速較小的原因是巖體在爆破開挖作用下出現(xiàn)不同程度損傷，而爆破影響下限高程以下巖體未出現(xiàn)爆破損傷，結構致密，波速突然變大，因此爆破影響下限高程可根據(jù)波速突變位置分析得出。

根據(jù)鉆孔ZK1～ZK8爆破前后聲波檢測數(shù)據(jù)及跨孔波速測試結果，繪制不同位置的爆破影響深度直方圖，可知爆破開挖在不同位置壩基巖體形成了不均勻的影響深度，爆破開挖對壩基巖體的影響深度平均值為1.12m，一般在2.0m以內，超過2.0m的約占6.25%。

同樣，根據(jù)壩基巖體的聲波測試結果，繪制不同位置的爆破影響下限高程直方圖，可知不同位置壩基巖體存在不同的爆破影響下限高程。爆破開挖對壩基巖體的影響下限高程平均值為504.43m，爆破影響下限高程在504.5m以下的約占50%，在504.0m以下的約占18.75%。受爆破影響的壩基巖體應清除松動的巖塊，避免混凝土澆筑與巖體存在薄弱結合面。

根據(jù)波速測試結果可得壩基巖體在高程504.5、504.0m的波速分區(qū)圖，如圖4、圖5所示（v為波速），進一步計算得出高程504.5、504.0m處巖體波速面積（剔除斷層區(qū)域）百分比，見表3。

可知，高程504.5m處，波速高于3400m/s的壩基巖體區(qū)域面積占比達到81.5%，其中波速高于4300m/s的占72.1%;高程504.0m處，波速高于3400m/s的巖體區(qū)域面積占比達到90.6%，其中波速高于4300m/s的占79.5%。波速高于4300m/s的區(qū)域巖體結構較完整，波速高于3400m/s的巖體區(qū)域面積占比均在80%以上，通過固結灌漿處理可基本滿足壩基設計要求。

5結論

（1）壩基巖體受爆破開挖和裂隙的影響，下部位置尤其是高程504.5m以下波速高且穩(wěn)定，巖體完整性較好，局部巖體波速低于4000m/s，巖體完整性較差，主要是附近斷層、裂隙等構造導致的。

（2）壩基巖體整體電磁波CT衰減系數(shù)較小，僅局部巖體衰減系數(shù)較大，分布高程主要在498.5～501.0m之間;河谷壩段上游邊界的壩基巖體完整性優(yōu)于下游邊界的，靠近左右岸的壩基巖體完整性優(yōu)于壩段中部的，電磁波CT紅色區(qū)域對應波速≤3300m/s，橙色區(qū)域對應波速在3300～3900m/s之間。

（3）壩基巖體爆破影響深度主要在2.0m內，影響深度下限高程主要在504.0m以上。壩基高程504.5m處，波速高于3400m/s的巖體區(qū)域面積占比達81.5%，其中高于4300m/s的占72.1%;高程504.0m處，波速高于3400m/s的巖體區(qū)域面積占比達90.6%，其中波速高于4300m/s的占79.5%。波速高于4300m/s的區(qū)域巖體結構較完整，波速高于3400m/s的巖體區(qū)域面積占比均在80%以上，通過固結灌漿處理可基本滿足壩基設計要求。

【責任編輯 張華巖】