高拱壩壩基巖體松弛時(shí)間及空間效應(yīng)研究

易 毅 何 剛 湯子堅(jiān) 張春安 鄧 迪

高拱壩壩基巖體松弛時(shí)間及空間效應(yīng)研究

易 毅 何 剛 湯子堅(jiān) 張春安 鄧 迪

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 四川成都 610072）

工程物探以其快速、便捷、對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)損等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于壩基巖體質(zhì)量檢測(cè)方面。大崗山、錦屏一級(jí)水電站等高拱壩壩基巖體質(zhì)量采用聲波及鉆孔全景圖像等物探測(cè)試技術(shù)與方法，在開(kāi)挖完成后一定時(shí)間內(nèi)對(duì)壩基巖體巖體的松弛發(fā)展情況進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。通過(guò)對(duì)壩基巖體在長(zhǎng)期觀測(cè)期間波速的衰減率、鉆孔全景圖像裂隙的開(kāi)度比及數(shù)量比分析，總結(jié)壩基巖體松弛的空間及時(shí)間效應(yīng)，為設(shè)計(jì)過(guò)程中的固結(jié)灌漿深度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵參數(shù)提供依據(jù)。

壩基巖體松弛 聲波及鉆孔全景圖像 空間效應(yīng) 時(shí)間效應(yīng)

前言

高拱壩的建設(shè)過(guò)程中，壩基巖體受到開(kāi)挖爆破及卸荷等因素的影響，會(huì)出現(xiàn)不同程度的松弛，巖體松弛過(guò)程中表現(xiàn)出聲波速度降低、裂隙張開(kāi)度及裂隙數(shù)量增加等效應(yīng)。目前，壩基巖體松弛效應(yīng)主要采用長(zhǎng)觀孔的單孔聲波及鉆孔全景圖像進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)長(zhǎng)觀期間巖體波速衰減率、鉆孔全景圖像裂隙的開(kāi)度比及數(shù)量比分析，分析壩基巖體松弛的空間及時(shí)間效應(yīng)，為設(shè)計(jì)過(guò)程中的固結(jié)灌漿深度及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵參數(shù)提供依據(jù)。

本文利用大崗山、錦屏一級(jí)水電站等高拱壩壩基巖體在開(kāi)挖階段長(zhǎng)觀孔資料來(lái)研究壩基巖體松弛空間及時(shí)間效應(yīng)。大崗山壩基巖性主要為澄江期灰白色、微紅色中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖，輝綠巖脈穿插發(fā)育其中；錦屏一級(jí)壩址區(qū)河床及兩岸基巖主要為中上三疊統(tǒng)雜谷腦組變質(zhì)巖，按巖石建造特征可分為綠片巖、大理巖及砂板巖三段。大崗山及錦屏一級(jí)水電站壩基巖體長(zhǎng)觀孔的一般等間距布置于壩軸線上，測(cè)試方法為單孔聲波及鉆孔全景圖像，測(cè)試頻率為1～3個(gè)月1次。

1 高拱壩壩基巖體松弛帶的劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.1高拱壩壩基巖體波速衰減率的分類

高拱壩壩基巖體從天然狀態(tài)到開(kāi)挖至混凝土澆筑的過(guò)程中，由于爆破及卸荷松弛原因，壩基巖體的聲波速度隨孔深及時(shí)間出現(xiàn)不同程度的衰減。根據(jù)壩基巖體波速衰減的原因及衰減時(shí)段，壩基巖體的波速衰減率分為巖體卸荷波速衰減率和巖體爆破及卸荷波速總衰減率兩類，其中巖體爆破及卸荷波速總衰減率又分為長(zhǎng)觀初期和長(zhǎng)觀末期兩個(gè)時(shí)間段，高拱壩壩基巖體波速衰減率劃分見(jiàn)表1。

1.2高拱壩壩基巖體松弛帶的劃分標(biāo)準(zhǔn)

高拱壩壩基巖體松弛帶的劃分，主要根據(jù)壩基巖體的平均波速及巖體爆破及卸荷波速衰減率進(jìn)行，同時(shí)結(jié)合鉆孔全景圖像的裂隙開(kāi)度情況及波速曲線特征。根據(jù)壩基巖體平均波速和巖體爆破及卸荷波速衰減率，將高拱壩壩基巖體松弛帶分為強(qiáng)松弛帶、弱松弛帶及基本正常帶。高拱壩壩基巖體松弛帶的劃分標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表2。

2 高拱壩壩基巖體松弛的空間效應(yīng)

高拱壩壩基巖體松弛的空間效應(yīng)指巖體從天然狀態(tài)到開(kāi)挖直至混凝土澆筑期間，巖體松弛沿孔深方向表現(xiàn)出的聲波速度減小、波速總衰減率增加、巖體裂隙數(shù)量及裂隙張開(kāi)度增加等一系列效應(yīng)。下面主要就波速總衰減率及裂隙開(kāi)度及數(shù)量隨孔深變化進(jìn)行分析。

表1 高拱壩壩基巖體波速衰減率劃分表

表2 高拱壩壩基巖體松弛帶的劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.1壩基巖體松弛空間效應(yīng)的波速總衰減率分析

根據(jù)巖體天然狀態(tài)波速值（用巖體較大平均值代替）及長(zhǎng)觀初期和末期的波速平均值，可得到對(duì)應(yīng)時(shí)間的巖體爆破及卸荷波速總衰減率，見(jiàn)表3。由該表分析，巖體爆破及卸荷波速總衰減率隨著孔深的增加逐漸較小，在0～2m、2～5m、5～10m、10～15m深度各類巖體長(zhǎng)觀末期波速總衰減率平均值為40.72%、23.16%、15.09%、7.50%，較長(zhǎng)觀初期波速總衰減率平均值增加11.54%、9.76%、7.8%、4.88%，壩基巖體松弛的空間效應(yīng)明顯。

根據(jù)巖體爆破及卸荷波速總衰減率在長(zhǎng)觀初期及末期的變化，得到巖體在長(zhǎng)觀初期及末期的強(qiáng)松弛帶、弱松弛帶的深度變化，見(jiàn)表4。根據(jù)該表分析，大崗山、錦屏一級(jí)水電站等高拱壩壩基巖體的長(zhǎng)觀末期較長(zhǎng)觀初期的強(qiáng)松弛帶、弱松弛帶的深度一般都有所加深，因此上述高拱壩壩基巖體松弛均具有明顯的空間效應(yīng)，大崗山壩基因嵌深較大，其松弛的空間效應(yīng)強(qiáng)于錦屏一級(jí)，且輝綠巖松弛的空間效應(yīng)強(qiáng)于花崗巖。

2.2壩基巖體松弛空間效應(yīng)的鉆孔全景圖像分析

鉆孔全景圖像能夠直觀地反映孔內(nèi)裂隙數(shù)量及張開(kāi)度情況，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，孔內(nèi)裂隙數(shù)量及張開(kāi)度隨之增加。圖1為大崗山花崗巖在觀測(cè)12個(gè)月后不同孔深裂隙數(shù)量及張開(kāi)度變化情況對(duì)比。

根據(jù)該圖分析，Ⅱ類花崗巖裂隙的張開(kāi)度隨著孔深增加，裂隙張開(kāi)度都有一定增加，增加的幅度逐漸減小。因此，Ⅱ類花崗巖具有較強(qiáng)的空間效應(yīng)。

為更好地表征鉆孔全景圖像裂隙張開(kāi)度及裂隙數(shù)量的變化，在分析中引入裂隙開(kāi)度比及裂隙數(shù)量比的概念。裂隙開(kāi)度比是指巖體在一定長(zhǎng)觀周期內(nèi)，相同位置長(zhǎng)觀末期與長(zhǎng)觀初期的裂隙張開(kāi)度之比。裂隙開(kāi)度比一般隨孔深的增加而減?。涣严稊?shù)量比是指巖體在一定長(zhǎng)觀周期內(nèi)，相同孔段長(zhǎng)觀末期與長(zhǎng)觀初期的裂隙數(shù)量之比，裂隙數(shù)量比一般隨孔深的增加而減小。

表4 壩基巖體松弛帶深度隨時(shí)間的變化情況表

圖1 Ⅱ類花崗巖不同孔深的鉆孔全景圖像特征對(duì)比

圖2 各類巖體鉆孔全景圖像空間效應(yīng)裂隙開(kāi)度比曲線圖

圖3 各類巖體鉆孔全景圖像空間效應(yīng)裂隙數(shù)量比曲線圖

根據(jù)長(zhǎng)觀孔的全景圖像成果，對(duì)大崗山水電站Ⅱ、Ⅲ2、Ⅴ1類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖在不同孔深的裂隙開(kāi)度比及裂隙數(shù)量比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪制圖形，得到圖2、圖3。根據(jù)該圖分析，Ⅱ類花崗巖裂隙開(kāi)度及Ⅲ1類輝綠巖裂隙數(shù)量隨著孔深的增加而明顯減小，因此Ⅱ類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖具有較強(qiáng)的空間效應(yīng)，Ⅲ2類花崗巖具有一定的空間效應(yīng)，Ⅴ1類花崗巖的空間效應(yīng)相對(duì)較弱。

3 高拱壩壩基巖體松弛的時(shí)間效應(yīng)

高拱壩壩基巖體松弛的時(shí)間效應(yīng)指巖體從天然狀態(tài)到開(kāi)挖直至混凝土澆筑期間，巖體松弛隨觀測(cè)時(shí)間增加而表現(xiàn)出的聲波速度減小、波速衰減率增加、巖體裂隙數(shù)量及裂隙張開(kāi)度增加等一系列效應(yīng)。下面主要就波速衰減率及裂隙開(kāi)度及數(shù)量隨時(shí)間變化進(jìn)行分析。

3.1壩基巖體松弛時(shí)間效應(yīng)的巖體波速衰減率分析

壩基巖體波速衰減率主要是長(zhǎng)觀期間波速衰減的累積效應(yīng)，隨著觀測(cè)周期延長(zhǎng)，波速衰減率一般呈逐漸增加的趨勢(shì)，它是表征波速衰減的程度。表5為不同孔深段不同巖性在1～12個(gè)月觀測(cè)時(shí)間內(nèi)巖體波速衰減率。

表5 壩基巖體波速衰減率隨時(shí)間的變化情況表

根據(jù)表5分析，高拱壩壩基巖體松弛時(shí)間效應(yīng)特征如下：

（1）隨著長(zhǎng)觀時(shí)間增加，各種巖性的巖體波速衰減率都呈增大的趨勢(shì)，但波速衰減率增加的趨勢(shì)逐漸減弱。表明高拱壩壩基巖體松弛都存在較為一定的時(shí)間效應(yīng)。

（2）長(zhǎng)觀12個(gè)月時(shí)，孔口0～2m段大崗山的花崗巖、輝綠巖及錦屏一級(jí)的大理巖的巖體波速衰減率基本相當(dāng)，約為17.0%，2～15m段大崗山的花崗巖、輝綠巖較錦屏一級(jí)的大理巖的巖體波速衰減率大約1倍，表明大崗山的花崗巖及輝綠巖松弛的時(shí)間效應(yīng)較強(qiáng)，錦屏一級(jí)的大理巖的時(shí)間效應(yīng)相對(duì)較弱。

3.2壩基巖體松弛時(shí)間效應(yīng)的全景圖像分析

鉆孔全景圖像能夠直觀地反映孔內(nèi)裂隙數(shù)量及張開(kāi)度情況，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，孔內(nèi)裂隙數(shù)量及張開(kāi)度隨之增加，圖4至圖6為Ⅱ類大崗山、Ⅲ1輝綠巖Ⅴ1類花崗巖在不同觀測(cè)時(shí)間裂隙數(shù)量及張開(kāi)度變化情況對(duì)比。

圖4 Ⅱ類花崗巖長(zhǎng)觀孔鉆孔全景圖像（1、6、12個(gè)月）

圖5 Ⅲ1輝綠巖長(zhǎng)觀孔鉆孔全景圖像（1、4、7個(gè)月）

根據(jù)圖示分析，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，Ⅱ類花崗巖裂隙的張開(kāi)度逐漸增加，Ⅲ1輝綠巖裂隙數(shù)量大量增加，Ⅴ1類花崗巖裂隙的張開(kāi)度及數(shù)量增加不明顯。因此，Ⅱ類花崗巖及Ⅲ1輝綠巖具有較強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)，Ⅴ1類花崗巖時(shí)間效應(yīng)不明顯。

圖6 Ⅴ1類花崗巖長(zhǎng)觀孔鉆孔全景圖像（1、6、15個(gè)月）

壩基巖體在開(kāi)挖完成后，隨著巖體卸荷時(shí)間的增加，巖體的鉆孔全景圖像特征隨觀測(cè)時(shí)間發(fā)生一定變化，根據(jù)大崗山Ⅱ、Ⅲ2、Ⅴ1類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖在局部孔段的裂隙開(kāi)度比及裂隙數(shù)量比隨時(shí)間的變化，繪制全景圖像時(shí)間效應(yīng)的裂隙開(kāi)度比及數(shù)量比曲線圖，見(jiàn)圖7、圖8。

根據(jù)圖7、圖8分析，Ⅱ類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖全景圖像具有較強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)，Ⅲ2類花崗巖全景圖像具有一定的時(shí)間效應(yīng)，Ⅴ1類花崗巖全景圖像的時(shí)間效應(yīng)較弱，可能跟開(kāi)挖完成后巖體所處的應(yīng)力環(huán)境關(guān)系較大。

圖7 巖體鉆孔全景圖像時(shí)間效應(yīng)裂隙開(kāi)度比曲線圖

圖8 巖體鉆孔全景圖像時(shí)間效應(yīng)裂隙數(shù)量比曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

4.1高拱壩壩基巖體松弛的空間效應(yīng)

（1）長(zhǎng)觀期間壩基巖體爆破及卸荷波速總衰減率的增加以及強(qiáng)松弛帶、弱松弛帶的深度的增加表明大崗山及錦屏一級(jí)水電站壩基巖體松弛具有明顯的空間效應(yīng)，大崗山壩基因嵌深較大，其松弛的空間效應(yīng)強(qiáng)于錦屏一級(jí)，且輝綠巖松弛的空間效應(yīng)強(qiáng)于花崗巖。

（2）大崗山鉆孔全景圖像裂隙開(kāi)度及數(shù)量表明Ⅱ類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖具有較強(qiáng)的空間效應(yīng)，Ⅲ2類花崗巖具有一定的空間效應(yīng)，Ⅴ1類花崗巖的空間效應(yīng)較弱。

4.2高拱壩壩基巖體松弛的時(shí)間效應(yīng)

（1）隨著長(zhǎng)觀時(shí)間增加，各種巖性的巖體波速衰減率都呈增大的趨勢(shì)，但波速衰減率增加的趨勢(shì)逐漸減弱，表明高拱壩壩基巖體松弛都存在較為一定的時(shí)間效應(yīng)。

（2）長(zhǎng)觀12個(gè)月，孔口0～2m段大崗山的花崗巖、輝綠巖及錦屏一級(jí)的大理巖的巖體波速衰減率基本相當(dāng)，約為17.0%；2～15m段大崗山的花崗巖、輝綠巖較錦屏一級(jí)的大理巖的巖體波速衰減率大約1倍。表明大崗山的花崗巖及輝綠巖松弛的時(shí)間效應(yīng)較強(qiáng)，錦屏一級(jí)的大理巖的時(shí)間效應(yīng)相對(duì)較弱。

（3）大崗山鉆孔全景圖像裂隙開(kāi)度和數(shù)量表明Ⅱ類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖具有較強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)，Ⅲ2類花崗巖具有一定的時(shí)間效應(yīng)，Ⅴ1類花崗巖的時(shí)間效應(yīng)較弱，這可能跟開(kāi)挖完成后巖體所處的應(yīng)力環(huán)境關(guān)系較大。

1 廖偉, 何剛, 許海燕, 鄧希貴. 高地應(yīng)力條件下巖體松弛時(shí)間效應(yīng)檢測(cè)[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào)，2011.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.025

TV221.2

B

1672-2469（2014）02-0089-05

易毅（1973年- ），男，高級(jí)工程師。