花壩水庫(kù)壩基開(kāi)挖巖體質(zhì)量超聲波檢測(cè)分析

(1.德州市水文中心，山東 德州 253016;2.德州市水利局，山東 德州 253000；3.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

1 概 述

巖體是在長(zhǎng)期的內(nèi)力和外力作用下形成的復(fù)雜構(gòu)造、形態(tài)和組成的地質(zhì)體。壩基巖體在開(kāi)挖、爆破和施工擾動(dòng)等作用下，原有賦存的平衡條件會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，地應(yīng)力釋放及重新分配，會(huì)引起巖體性狀和物理力學(xué)特征改變甚至?xí)斐蓭r體破壞[1]。壩基巖體風(fēng)化及施工擾動(dòng)產(chǎn)生的破壞和分布具有相當(dāng)不確定性，為降低其對(duì)大壩基礎(chǔ)工程施工的風(fēng)險(xiǎn)，確保壩基施工質(zhì)量，急需一種全面、準(zhǔn)確的定性探測(cè)評(píng)估方法。聲波檢測(cè)是彈性波測(cè)試中的一種，其通過(guò)觀測(cè)聲波在基礎(chǔ)巖體中傳播的波速、頻幅等聲學(xué)指標(biāo)，掌握巖體宏觀缺陷、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)估巖體的風(fēng)化程度和完整性[2-3]。本文采用單孔聲波檢測(cè)技術(shù)來(lái)定性評(píng)估壩基巖體質(zhì)量，以便為方案優(yōu)化、壩基處理和施工實(shí)踐提供翔實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，確保工程高效優(yōu)質(zhì)地施工建設(shè)。

2 壩基質(zhì)量單孔聲波檢測(cè)原理

近年來(lái)，巖體質(zhì)量聲波測(cè)試技術(shù)廣泛應(yīng)用在水利、水電、隧洞等工程領(lǐng)域，其通過(guò)測(cè)試聲波在不同巖體中傳播的波速、頻幅來(lái)真實(shí)反映巖體內(nèi)部的層次結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體質(zhì)量和完整性的定性評(píng)價(jià)[4]?！端姽こ涛锾揭?guī)程》(SL 326—2005)、《水電水利工程物探規(guī)程》(DL/T 5010—2005)、《巖土工程勘測(cè)規(guī)范》(GB 50021—2001)等均對(duì)巖體聲波測(cè)試給出了明確的技術(shù)規(guī)定和操作指導(dǎo)，即：測(cè)試鉆孔中發(fā)射聲波能量較小且作用時(shí)間較短，巖體基本不會(huì)發(fā)生塑性變形，近似為彈性介質(zhì)。根據(jù)彈性波原理，縱波波速與巖體的巖性、層次結(jié)構(gòu)、風(fēng)化裂隙和力學(xué)特性等指標(biāo)均有關(guān)，其函數(shù)表達(dá)為[5]

(1)

式中Vp——巖體聲波測(cè)試的縱波波速；

G——切變模量；

Ed——楊氏縱向彈性模量；

μ——泊松比；

λ——拉梅彈性模量；

ρ——波速傳輸中巖體密度。

縱波波速是評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)，通過(guò)測(cè)試鉆孔縱波波速即可定性評(píng)估巖體質(zhì)量和完整性[6]。單孔聲波檢測(cè)利用巖體測(cè)試鉆孔“一發(fā)雙收”換能器完成，即鉆孔外主機(jī)控制發(fā)射換能器T發(fā)射超聲波信號(hào)，經(jīng)耦合劑(通常為水)沿孔壁縱向傳輸，分別經(jīng)過(guò)t1和t2時(shí)間由距離L1和L2兩處的接收換能器R1和R2接收，利用距離和時(shí)間差就能計(jì)算出巖體縱波波速[2]，其工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 單孔聲波測(cè)試工作原理

將現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)試獲得的縱波波形及數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，經(jīng)控制器內(nèi)部模塊運(yùn)算，即可獲得鉆孔不同測(cè)段的縱波波速平均值，然后結(jié)合規(guī)范定性指標(biāo)即可判定巖體質(zhì)量和完整性。巖體鉆孔測(cè)段縱波波速ΔVp計(jì)算公式為

(2)

3 巖體單孔聲波測(cè)試實(shí)例分析

3.1 工程概況

花壩水庫(kù)是一座以防洪、灌溉為主的Ⅳ等小(1)型水庫(kù)，總庫(kù)容738萬(wàn)m3。大壩為瀝青混凝土心墻壩，最大壩高53.6m。水庫(kù)壩址區(qū)兩岸以陡峻坡地形為主，岸坡地形順河流發(fā)育，地形綜合坡度50°。壩址河床及岸坡基巖多裸露，為單斜巖層，巖層產(chǎn)狀為緩傾上游偏左岸，為對(duì)稱(chēng)性較好“V”形橫向河谷結(jié)構(gòu)。壩基基巖主要坐落于中厚層巖屑石英砂巖，兩壩肩中厚層石英砂巖、粉砂巖、泥巖各層相間分布。為探明壩基巖體質(zhì)量，采用單孔聲波檢測(cè)技術(shù)來(lái)定性評(píng)估壩基巖體質(zhì)量及完整性，以期為后期壩基處理及施工組織提供翔實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

3.2 鉆孔布置及測(cè)試參數(shù)

根據(jù)《水利水電工程物探規(guī)程》(SL 326—2005)測(cè)試要求，結(jié)合水庫(kù)瀝青混凝土心墻壩平面布置及壩基物探數(shù)據(jù)，在大壩迎水面C20混凝土趾墻與壩基交接部位，共布置6個(gè)部位18個(gè)巖體質(zhì)量檢測(cè)鉆孔，孔深5m。瀝青混凝土心墻壩單孔聲波檢測(cè)鉆孔布置見(jiàn)圖2。

圖2 單孔聲波檢測(cè)鉆孔布置

為獲得準(zhǔn)確的巖體聲波測(cè)試數(shù)據(jù)，采用ZBL-U520A非金屬超聲檢測(cè)儀進(jìn)行巖體縱波波速測(cè)試，以評(píng)估壩基巖體的完整性和風(fēng)化程度。ZBL-U520A測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單、雙通道自動(dòng)連續(xù)快速采集，通道數(shù)為“1發(fā)射+2接收+1外觸發(fā)”，最小采集間隔為0.05μs,最大采集長(zhǎng)度為1024點(diǎn)。檢測(cè)工作開(kāi)始前，首先用清水清洗鉆孔，再在鉆孔內(nèi)加入耦合劑水，最后將“一發(fā)兩收”三個(gè)超聲換能器分別連接到主機(jī)通道上，R1和R2接收換能器距離發(fā)射換能器T間的初始距離設(shè)置為0.4m和0.6m，并完成測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)零操作。從孔底向孔口逐段測(cè)試，點(diǎn)距為20cm。電纜深度標(biāo)識(shí)清晰，嚴(yán)格按每10點(diǎn)校調(diào)一次，確保測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

3.3 檢測(cè)結(jié)果及分析

基于實(shí)測(cè)縱波波速求得的完整性系數(shù)kv又稱(chēng)裂隙系數(shù)，是評(píng)價(jià)壩基巖體完整程度的重要指標(biāo)[8]，其具體函數(shù)表達(dá)為

(3)

式中Vp——待測(cè)巖體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的縱波波速，km/s；

Vpr——新鮮完整巖塊室內(nèi)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)縱波波速，km/s。

《水利水電工程物探規(guī)程》(SL 326—2005)規(guī)范中，將巖體完整性系數(shù)劃分為完整、較完整、完整性差、較破碎、破碎五大類(lèi)，具體系數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1[9-10]。

表1 巖體完整性系數(shù)指標(biāo)

水庫(kù)壩基開(kāi)挖后，選取巖塊樣本進(jìn)行室內(nèi)聲波測(cè)試，各測(cè)試巖塊均為新鮮無(wú)卸荷完整巖體，累計(jì)完成23組(主頻為25kHz)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試巖塊聲波波速范圍為4.896～5.132km/s，綜合分析確定巖體聲波標(biāo)準(zhǔn)值Vpr=4.95km/s。

采用ZBL-U520A非金屬超聲檢測(cè)儀，對(duì)6個(gè)部位18個(gè)鉆孔逐一進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室?guī)r體聲波標(biāo)準(zhǔn)值Vpr，按式(3)和表1進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，獲得壩基巖體質(zhì)量檢測(cè)及評(píng)價(jià)成果(見(jiàn)表2)。

表2 壩基巖體質(zhì)量及完整性聲波檢測(cè)分析成果

由表2可知，每個(gè)部位3個(gè)鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均相近，限于文章篇幅，每個(gè)部位選取1個(gè)典型鉆孔共6個(gè)鉆孔來(lái)分析巖體聲波波速傳播規(guī)律。鉆孔聲波波速Vp隨測(cè)試深度H間的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 聲波波速與孔深關(guān)系曲線

由表2和圖3可知，大壩迎水面C20混凝土趾墻與壩基交接部位巖體整體完整性為“較破碎”“完整性差”和“較完整”三大類(lèi)，巖體巖性為“較破碎”至“較完整”，波速最大值為4.36km/s，最小值為1.85km/s，整體呈現(xiàn)隨鉆孔深度增加波速增大。左岸靠近壩肩位置(6-1～6-3號(hào)鉆孔)巖體完整性評(píng)價(jià)為“較破碎”，需采取固結(jié)灌漿、帷幕灌漿等措施進(jìn)行處理，以增強(qiáng)地基承載力和改善基巖抗?jié)B能力。

4 結(jié) 論

花壩水庫(kù)壩基C20混凝土趾墻帶附近巖體產(chǎn)狀變化較大，采用單孔聲波檢測(cè)技術(shù)測(cè)量巖體的縱波波速。測(cè)試成果表明：壩基巖體完整性系數(shù)最低為0.27，最高為0.65，為“較破碎”至“較完整”，除局部裂隙發(fā)育外，基巖質(zhì)量整體較好。

壩基開(kāi)挖后，對(duì)左岸壩肩“較破碎”裂隙發(fā)育破碎巖體應(yīng)及時(shí)清除，并采取固結(jié)灌漿、帷幕灌漿等措施進(jìn)行加固和防滲處理，確保壩基乃至整個(gè)大壩具有較高建設(shè)質(zhì)量；單孔聲波檢測(cè)能準(zhǔn)確反映鉆孔縱向巖體波速分布規(guī)律，其檢測(cè)成果可為大壩壩基巖體質(zhì)量及完整性評(píng)價(jià)提供翔實(shí)數(shù)據(jù)支撐，確保工程高效優(yōu)質(zhì)的施工建設(shè)。