新鮮完整巖塊波速的取值及應(yīng)用

李廣場

新鮮完整巖塊波速的取值及應(yīng)用

李廣場

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司 浙江杭州 310014）

本文分析了某水電站壩區(qū)巖體的彈性波特性，結(jié)合地質(zhì)條件探討了新鮮完整巖塊波速的取值方法，并根據(jù)壩區(qū)各風(fēng)化帶巖體波速和風(fēng)化波速比建議值對風(fēng)化波速比及完整性系數(shù)的有關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了討論。

波速 新鮮完整巖塊波速 完整性系數(shù) 風(fēng)化波速比

前言

新鮮完整巖塊波速（Vpr）是計(jì)算巖體完整性系數(shù)和風(fēng)化波速比的重要參數(shù)。風(fēng)化波速比是評價(jià)巖體風(fēng)化程度的依據(jù)之一，完整性系數(shù)是評價(jià)巖體完整程度及使用RMR法進(jìn)行巖體分類的基本參數(shù)之一。在工程勘測及檢測中，新鮮完整巖塊波速（Vpr）的準(zhǔn)確選取一直是困擾無損檢測專業(yè)的一個技術(shù)問題。由于一般工程外業(yè)工作量較少，研究程度相對不深，Vpr未作深入分析，有時憑經(jīng)驗(yàn)取值，缺乏足夠的依據(jù)。在此根據(jù)某水電工程巖體的彈性波資料，結(jié)合規(guī)程相關(guān)規(guī)定探討Vpr的取值及應(yīng)用，以對今后的工作提供參考。

1 工程地質(zhì)概述

擬建水電站地質(zhì)條件較為復(fù)雜，壩區(qū)主要出露二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖，上覆三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組砂頁巖。地層呈假整合接觸。第四系松散堆積物主要分布于河床及緩坡臺地上。

壩址區(qū)峨眉山組玄武巖，具有多個噴發(fā)旋回，表現(xiàn)為中心式噴發(fā)及裂隙性、間歇性噴發(fā)等兩種形式。中心式噴發(fā)表現(xiàn)為P2β1含大型灰?guī)r捕虜體的玄武巖，其它為裂隙性、間歇性噴發(fā)，噴發(fā)序列為斑狀玄武巖、隱晶玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、凝灰?guī)r，根據(jù)噴發(fā)間斷共劃分為11個巖流層。每一個巖流層自下而上一般為熔巖、角礫熔巖，頂部為凝灰?guī)r，熔巖主要為斜斑玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、少量微晶玄武巖、杏仁狀玄武巖，隱晶玄武巖中發(fā)育柱狀節(jié)理的稱之為柱狀節(jié)理玄武巖。玄武巖巖性主要分為含角礫(集塊)玄武巖、斜斑玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、柱狀節(jié)理玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、凝灰?guī)r等七種，峨眉山組玄武巖具有多個噴發(fā)旋回，根據(jù)玄武巖噴溢(爆發(fā))的規(guī)律及巖性特點(diǎn)，對玄武巖各巖流層進(jìn)行巖性亞層、小層劃分，共劃分為34個亞層。

2 巖體彈性波特征

2.1巖塊波速室內(nèi)測試

室內(nèi)巖塊聲波測試?yán)塾?jì)25組（主頻為25kHz），各巖塊取自微新無卸荷巖體。測試結(jié)果表明，角礫熔巖波速最低，平均值為4272m/s，其他四種巖性巖塊聲速均值均在5000m/s以上，范圍為5132～5744m/s之間。

取鉆孔鉆取的柱狀節(jié)理玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、斜斑玄武巖、角礫熔巖和杏仁狀玄武巖巖芯120組，應(yīng)用平面聲波換能器（主頻為10kHz）測試其波速，選取的巖芯對應(yīng)孔壁巖體為新鮮完整，巖芯長度一般大于20cm。實(shí)測巖芯波速均值范圍為3501～3940m/s。根據(jù)鉆孔聲波測井成果，各巖芯對應(yīng)孔壁巖體聲速范圍為48797～5504m/s。相應(yīng)比原位孔壁巖體，巖芯波速平均低25%～35%。

2.2高程和波速相關(guān)性

統(tǒng)計(jì)工區(qū)不同高程、微新無卸荷平洞巖體和鉆孔巖體的波速，結(jié)果見圖1。各巖性巖體隨著高程的減小波速總體上增大，但是變化幅度不大。

圖1 鉆孔巖體高程和波速關(guān)系圖

2.3水平埋深和波速相關(guān)性

統(tǒng)計(jì)620、720、820m高程不同水平埋深、微新無卸荷巖體波速。

以柱狀節(jié)理玄武巖為例，高程620m水平埋深150～200m、200～250m、250～300m地震波速度均值分別為4668、4730、5089m/s，聲波速度分別為5176、5267、5372m/s。統(tǒng)計(jì)表明，隨著水平埋深的增加壩區(qū)巖體地震波和聲波速度呈增大的趨勢。相對地震波，聲波速度變化幅度相對較小。

2.4壓力和波速相關(guān)性

對壩區(qū)PD121等平洞巖體進(jìn)行壓力和波速相關(guān)性試驗(yàn)研究，結(jié)果見圖2。試驗(yàn)表明，對于較破碎-破碎巖體，隨著壓力的增加，波速增加，壓力對波速的影響主要范圍為2～6MPa，相對未施加壓力的初始狀態(tài)，6MPa壓力荷載下的波速平均增加在20%以上，在壓力達(dá)到8MPa后波速變化較小。對于較完整-完整巖體，施加不同壓力荷載，波速不變。

圖2 巖體壓力～波速關(guān)系曲線圖

2.5頻散和尺度效應(yīng)特性

彈性波在巖體中的傳播速度和頻率相關(guān)的性質(zhì)即為彈性波頻散特性。彈性波在非均勻介質(zhì)中的傳播速度和其波長相對于巖體非均質(zhì)性尺度大小有關(guān)的性質(zhì)即為彈性波尺度效應(yīng)。壩區(qū)鉆孔巖體和平洞巖體聲波速度一致，平洞巖體地震波速度與聲波速度相關(guān)性特征主要為：各巖體平洞聲波和地震波速度比值弱風(fēng)化上段范圍為1.47～2.19，弱風(fēng)化下段范圍為1.37～1.56，微新段范圍分別為1.12～1.18。彈性波頻散和尺度效應(yīng)是巖體的固有特性，壩區(qū)巖體地震波速度和聲波速度的差異分析認(rèn)為主要由頻散和尺度效應(yīng)導(dǎo)致。

3 Vpr取值

現(xiàn)行水電規(guī)程未對Vpr的取值方法作明確的規(guī)定或者推薦，僅作如下說明：

（1）DL/T5010—2005《水電水利工程物探規(guī)程》規(guī)定，利用波速計(jì)算巖體完整性系數(shù)時，一個工區(qū)內(nèi)，對于同類巖性，應(yīng)使用新鮮完整巖塊的同一波速。

（2）GB50287—2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》把Vpr定義為巖石的縱波速度。

工區(qū)新鮮完整巖塊室內(nèi)測試的波速小于原位巖體波速。理論上，新鮮完整巖塊的波速只有在地應(yīng)力水平極低、巖樣不受損傷的情況下才和原位時一致。工區(qū)各巖性巖體Vpr若按室內(nèi)巖塊波速取值，勢必會造成大量巖體的完整性系數(shù)大于1的結(jié)果。工區(qū)地應(yīng)力屬中等，Vpr按室內(nèi)巖塊波速取值偏低，因此Vpr依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果確定。由于工區(qū)各巖性巖體波速差異明顯，各巖性Vpr應(yīng)分別取值。

以隱晶質(zhì)玄武巖為例說明Vpr的取值。統(tǒng)計(jì)整個壩區(qū)平洞和不包含廠房洞微新無卸荷隱晶質(zhì)玄武巖地震波速度和平洞單孔聲波速度及高程大于510m和小于510m鉆孔微新巖體測點(diǎn)聲波速度，結(jié)果見表1。統(tǒng)計(jì)段長大于0.8m、波速均值大于6000m/s的孔段及相應(yīng)的高程，部分孔段匯總見表2。

統(tǒng)計(jì)表明，微新隱晶質(zhì)玄武巖具有以下彈性特征：

（1）全壩區(qū)微新無卸荷巖體波速總體大于不含廠房區(qū)巖體波速；

（2）全壩區(qū)和不含廠房區(qū)的微新無卸荷巖體波速均呈近正態(tài)分布特征，峰值區(qū)間相近，地震波速度均為4600～5000m/s，聲波速度均為5000～5400m/s；

表1 平洞巖體波速統(tǒng)計(jì)表

表2 鉆孔巖體高波速段匯總表

（3）高程大于510m和高程小于510m的鉆孔巖體波速均呈近正態(tài)分布特征，波速峰值區(qū)間分別為4800～5400m/s和5000～5800m/s，高程在510m以上的鉆孔巖體波速總體小于高程在以下510m的孔段巖體波速。

對于巖土物理力學(xué)參數(shù)取值，GB50287—2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》建議，應(yīng)分析巖土體的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、構(gòu)造破壞程度、風(fēng)化情況、圍壓狀態(tài)、水文物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)及其延伸范圍等具體地質(zhì)條件，從巖土體的總體性狀判斷試驗(yàn)成果的地質(zhì)代表性。因此Vpr的取值應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)因素：

（1）巖塊的尺度。巖體由巖塊和結(jié)構(gòu)面組成，巖性均一、未發(fā)育結(jié)構(gòu)面的完整巖體可視為巖塊，相對室內(nèi)試驗(yàn)的巖塊，現(xiàn)場Vpr取值的巖塊尺度可以不受嚴(yán)格限制。

（2）巖體埋深越大、圍壓越高、所處的地應(yīng)力水平越高、巖體越致密，波速相對越大。Vpr的取值環(huán)境應(yīng)力水平應(yīng)和工程一致。

（3）由于頻散特性，聲波速度高于地震波速度，兩者應(yīng)分別取值。

電站河床建基面高程約在540m，對于高程小于510m的巖體不予考慮；地下廠房探洞距邊坡水平埋深一般在300m以上，最深達(dá)780m，圍巖所處環(huán)境與其他工程區(qū)域存在較大差異，地下廠房和壩基可以認(rèn)為不屬一個工區(qū)，考慮分別取值；聲波探頭兩接收換能器間距一般為20cm，測點(diǎn)波速波動較大，測點(diǎn)波速最高值即使有一定數(shù)量，但不連續(xù)、分散在不同孔段上，Vpr取測點(diǎn)波速最高值從工程角度考慮仍可能不具代表性；同樣對于平洞巖體地震波，Vpr取值巖體的段長應(yīng)達(dá)到一定長度。

基于上述考慮，工區(qū)Vpr的取值原則為：

①各巖性分別取值；

②地震波和聲波分別取值；

③壩基和廠房區(qū)巖體Vpr分別取值；

④在新鮮完整巖體洞段取地震波速度的最高值作為Vpr，該最高波速的取值要求在一個地震排列中連續(xù)段長不少于5m，取其平均值；

⑤取平洞單孔聲速或者聲波測井曲線上最高波速（一般層厚度在1m以上）作為聲波Vpr。

根據(jù)上述原則，壩區(qū)各巖性的地震波和聲波Vpr取值匯總見表3。

4 完整性和風(fēng)化評價(jià)

根據(jù)壩基平洞巖體和鉆孔巖體波速測試成果，統(tǒng)計(jì)各風(fēng)化帶巖體波速，綜合考慮各類巖體的地質(zhì)特征，提出不同巖性各風(fēng)化帶波速建議值，見表4和表5。

表3 Vpr取值匯總表

表4 壩基巖體風(fēng)化帶地震波速度和風(fēng)化波速比建議值一覽表

表5 壩基巖體風(fēng)化帶聲波速度和風(fēng)化波速比建議值一覽表

各巖性各風(fēng)化帶的地震波風(fēng)化波速比小于規(guī)程推薦的風(fēng)化波速比，聲波風(fēng)化波速比和規(guī)程推薦值也有所差別。巖體風(fēng)化波速比和完整性系數(shù)均為導(dǎo)出參數(shù)，從物理意義上并不十分明確。單從計(jì)算公式分析，風(fēng)化波速比的平方即為完整性系數(shù)，按此巖體的完整程度可以用風(fēng)化波速比進(jìn)行評價(jià)。但是從地質(zhì)角度，巖體的風(fēng)化程度與完整程度是有聯(lián)系又有區(qū)別的。巖體波速是風(fēng)化、卸荷和構(gòu)造發(fā)育等的綜合反應(yīng)，因此巖體風(fēng)化波速比僅是地質(zhì)劃分巖體風(fēng)化程度的依據(jù)之一。此外風(fēng)化波速比、完整性系數(shù)的計(jì)算公式和規(guī)程推薦的劃分標(biāo)準(zhǔn)是在大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并非絕對標(biāo)準(zhǔn)，因此鑒于實(shí)際工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，巖體風(fēng)化帶波速或者風(fēng)化波速比、完整性系數(shù)建議值需要根據(jù)實(shí)測波速結(jié)合地質(zhì)條件綜合分析確定。地震波風(fēng)化波速和聲波風(fēng)化波速比的差異主要由彈性波的頻散特性和尺度效應(yīng)所致。

5 結(jié)語

巖體Vpr的取值應(yīng)依據(jù)地質(zhì)條件和彈性波特性綜合分析確定，此外還應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

（1）地震波和聲波分別取值；

（2）應(yīng)考慮工區(qū)的應(yīng)力等環(huán)境和地質(zhì)條件，若同一工程不同區(qū)域圍壓等環(huán)境條件差異較大，同一巖性不同區(qū)域可以取不同Vpr值；

（3）地震波一般在新鮮完整巖體洞段取地震波速度的最高值作為Vpr，要求在一個地震排列中連續(xù)段長達(dá)到一定長度，取其平均值；

（4）取平洞單孔聲速或者聲波測井曲線上最高波速（一般厚度在1m以上）作為聲波Vpr。

應(yīng)用Vpr計(jì)算的風(fēng)化波速比和完整性系數(shù)僅是地質(zhì)劃分風(fēng)化帶或者完整性評價(jià)的依據(jù)之一，規(guī)程推薦的劃分標(biāo)準(zhǔn)并非為絕對標(biāo)準(zhǔn)，各風(fēng)化帶巖體波速和風(fēng)化波速比的推薦建議值需要結(jié)合地質(zhì)條件綜合分析確定。

1 GB50287—2006 水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

2 DL/T5010—2005 水電水利工程物探規(guī)程[S].

表2 回歸分析曲線（公式）誤差分析統(tǒng)計(jì)表

因此根據(jù)上述的條件要求，確定功果橋工程的強(qiáng)度與Vp的數(shù)學(xué)關(guān)系式采用以Vp為底數(shù)的指數(shù)函數(shù)，表達(dá)式如下：

式中：fcu,e為混凝土抗壓強(qiáng)度推算值，MPa，精確至0.1MPa；Vp為混凝土縱波聲速值，km/s，精確至0.01km/s。

3 現(xiàn)場測試運(yùn)用

通過強(qiáng)度與聲速Vp的對比試驗(yàn)和回歸分析，確定功果橋工程的混凝土強(qiáng)度與聲速Vp的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式為式（8）。

利用式（8）計(jì)算出的混凝土強(qiáng)度與實(shí)測強(qiáng)度的對比統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

從表4可以看出，聲波測強(qiáng)法計(jì)算出的強(qiáng)度與試驗(yàn)強(qiáng)度對比，平均相對誤差為1.0%，相對標(biāo)準(zhǔn)差為13.2%，誤差滿足規(guī)范要求。

表4 混凝土聲波測強(qiáng)法與實(shí)測強(qiáng)度誤差分析統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語

由于實(shí)體混凝土的養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境條件和聲波速度測試條件與試件條件存在差異，因此應(yīng)通過波速修正統(tǒng)一實(shí)體混凝土與試件的各項(xiàng)條件，提高強(qiáng)度測試結(jié)果的精度。

測試波速修正內(nèi)容的鋼筋影響修正、含水率和含護(hù)方法影響修正、測距影響修正。波速修正方法按DL/T5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

本次建立的混凝土強(qiáng)度與聲速專用測強(qiáng)曲線，在滿足下列條件的情況下適用：

（1）砂石料為功果橋本地生產(chǎn)；

（2）強(qiáng)度范圍10～45MPa。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.024

TV221.2

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1672-2469（2014）02-0084-05

李廣場（1969年- ），男，高級工程師。