高拱壩壩基巖體松弛時間及空間效應研究

易 毅 何 剛 湯子堅 張春安 鄧 迪

高拱壩壩基巖體松弛時間及空間效應研究

易 毅 何 剛 湯子堅 張春安 鄧 迪

（中國水電顧問集團成都勘測設計研究院 四川成都 610072）

工程物探以其快速、便捷、對結構無損等特點，廣泛應用于壩基巖體質量檢測方面。大崗山、錦屏一級水電站等高拱壩壩基巖體質量采用聲波及鉆孔全景圖像等物探測試技術與方法，在開挖完成后一定時間內對壩基巖體巖體的松弛發展情況進行長期觀測。通過對壩基巖體在長期觀測期間波速的衰減率、鉆孔全景圖像裂隙的開度比及數量比分析，總結壩基巖體松弛的空間及時間效應，為設計過程中的固結灌漿深度驗收標準等關鍵參數提供依據。

壩基巖體松弛 聲波及鉆孔全景圖像 空間效應 時間效應

前言

高拱壩的建設過程中，壩基巖體受到開挖爆破及卸荷等因素的影響，會出現不同程度的松弛，巖體松弛過程中表現出聲波速度降低、裂隙張開度及裂隙數量增加等效應。目前，壩基巖體松弛效應主要采用長觀孔的單孔聲波及鉆孔全景圖像進行測試，通過長觀期間巖體波速衰減率、鉆孔全景圖像裂隙的開度比及數量比分析，分析壩基巖體松弛的空間及時間效應，為設計過程中的固結灌漿深度及驗收標準等關鍵參數提供依據。

本文利用大崗山、錦屏一級水電站等高拱壩壩基巖體在開挖階段長觀孔資料來研究壩基巖體松弛空間及時間效應。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花崗巖，輝綠巖脈穿插發育其中；錦屏一級壩址區河床及兩岸基巖主要為中上三疊統雜谷腦組變質巖，按巖石建造特征可分為綠片巖、大理巖及砂板巖三段。大崗山及錦屏一級水電站壩基巖體長觀孔的一般等間距布置于壩軸線上，測試方法為單孔聲波及鉆孔全景圖像，測試頻率為1～3個月1次。

1 高拱壩壩基巖體松弛帶的劃分標準

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到開挖至混凝土澆筑的過程中，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間出現不同程度的衰減。根據壩基巖體波速衰減的原因及衰減時段，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觀初期和長觀末期兩個時間段，高拱壩壩基巖體波速衰減率劃分見表1。

1.2高拱壩壩基巖體松弛帶的劃分標準

高拱壩壩基巖體松弛帶的劃分，主要根據壩基巖體的平均波速及巖體爆破及卸荷波速衰減率進行，同時結合鉆孔全景圖像的裂隙開度情況及波速曲線特征。根據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準詳見表2。

2 高拱壩壩基巖體松弛的空間效應

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

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準

2.1壩基巖體松弛空間效應的波速總衰減率分析

根據巖體天然狀態波速值（用巖體較大平均值代替）及長觀初期和末期的波速平均值，可得到對應時間的巖體爆破及卸荷波速總衰減率，見表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深度各類巖體長觀末期波速總衰減率平均值為40.72%、23.16%、15.09%、7.50%，較長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明顯。

根據巖體爆破及卸荷波速總衰減率在長觀初期及末期的變化，得到巖體在長觀初期及末期的強松弛帶、弱松弛帶的深度變化，見表4。根據該表分析，大崗山、錦屏一級水電站等高拱壩壩基巖體的長觀末期較長觀初期的強松弛帶、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，大崗山壩基因嵌深較大，其松弛的空間效應強于錦屏一級，且輝綠巖松弛的空間效應強于花崗巖。

2.2壩基巖體松弛空間效應的鉆孔全景圖像分析

鉆孔全景圖像能夠直觀地反映孔內裂隙數量及張開度情況，隨著觀測時間的增加，孔內裂隙數量及張開度隨之增加。圖1為大崗山花崗巖在觀測12個月后不同孔深裂隙數量及張開度變化情況對比。

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

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

圖2 各類巖體鉆孔全景圖像空間效應裂隙開度比曲線圖

圖3 各類巖體鉆孔全景圖像空間效應裂隙數量比曲線圖

根據長觀孔的全景圖像成果，對大崗山水電站Ⅱ、Ⅲ2、Ⅴ1類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖在不同孔深的裂隙開度比及裂隙數量比進行統計并繪制圖形，得到圖2、圖3。根據該圖分析，Ⅱ類花崗巖裂隙開度及Ⅲ1類輝綠巖裂隙數量隨著孔深的增加而明顯減小，因此Ⅱ類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖具有較強的空間效應，Ⅲ2類花崗巖具有一定的空間效應，Ⅴ1類花崗巖的空間效應相對較弱。

3 高拱壩壩基巖體松弛的時間效應

高拱壩壩基巖體松弛的時間效應指巖體從天然狀態到開挖直至混凝土澆筑期間，巖體松弛隨觀測時間增加而表現出的聲波速度減小、波速衰減率增加、巖體裂隙數量及裂隙張開度增加等一系列效應。下面主要就波速衰減率及裂隙開度及數量隨時間變化進行分析。

3.1壩基巖體松弛時間效應的巖體波速衰減率分析

壩基巖體波速衰減率主要是長觀期間波速衰減的累積效應，隨著觀測周期延長，波速衰減率一般呈逐漸增加的趨勢，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個月觀測時間內巖體波速衰減率。

表5 壩基巖體波速衰減率隨時間的變化情況表

根據表5分析，高拱壩壩基巖體松弛時間效應特征如下：

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

（2）長觀12個月時，孔口0～2m段大崗山的花崗巖、輝綠巖及錦屏一級的大理巖的巖體波速衰減率基本相當，約為17.0%，2～15m段大崗山的花崗巖、輝綠巖較錦屏一級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間效應較強，錦屏一級的大理巖的時間效應相對較弱。

3.2壩基巖體松弛時間效應的全景圖像分析

鉆孔全景圖像能夠直觀地反映孔內裂隙數量及張開度情況，隨著觀測時間的增加，孔內裂隙數量及張開度隨之增加，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時間裂隙數量及張開度變化情況對比。

圖4 Ⅱ類花崗巖長觀孔鉆孔全景圖像（1、6、12個月）

圖5 Ⅲ1輝綠巖長觀孔鉆孔全景圖像（1、4、7個月）

根據圖示分析，隨著觀測時間的增加，Ⅱ類花崗巖裂隙的張開度逐漸增加，Ⅲ1輝綠巖裂隙數量大量增加，Ⅴ1類花崗巖裂隙的張開度及數量增加不明顯。因此，Ⅱ類花崗巖及Ⅲ1輝綠巖具有較強的時間效應，Ⅴ1類花崗巖時間效應不明顯。

圖6 Ⅴ1類花崗巖長觀孔鉆孔全景圖像（1、6、15個月）

壩基巖體在開挖完成后，隨著巖體卸荷時間的增加，巖體的鉆孔全景圖像特征隨觀測時間發生一定變化，根據大崗山Ⅱ、Ⅲ2、Ⅴ1類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖在局部孔段的裂隙開度比及裂隙數量比隨時間的變化，繪制全景圖像時間效應的裂隙開度比及數量比曲線圖，見圖7、圖8。

根據圖7、圖8分析，Ⅱ類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖全景圖像具有較強的時間效應，Ⅲ2類花崗巖全景圖像具有一定的時間效應，Ⅴ1類花崗巖全景圖像的時間效應較弱，可能跟開挖完成后巖體所處的應力環境關系較大。

圖7 巖體鉆孔全景圖像時間效應裂隙開度比曲線圖

圖8 巖體鉆孔全景圖像時間效應裂隙數量比曲線圖

4 結語

4.1高拱壩壩基巖體松弛的空間效應

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

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

4.2高拱壩壩基巖體松弛的時間效應

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

（2）長觀12個月，孔口0～2m段大崗山的花崗巖、輝綠巖及錦屏一級的大理巖的巖體波速衰減率基本相當，約為17.0%；2～15m段大崗山的花崗巖、輝綠巖較錦屏一級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間效應較強，錦屏一級的大理巖的時間效應相對較弱。

（3）大崗山鉆孔全景圖像裂隙開度和數量表明Ⅱ類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖具有較強的時間效應，Ⅲ2類花崗巖具有一定的時間效應，Ⅴ1類花崗巖的時間效應較弱，這可能跟開挖完成后巖體所處的應力環境關系較大。

1 廖偉, 何剛, 許海燕, 鄧希貴. 高地應力條件下巖體松弛時間效應檢測[J]. 工程地球物理學報，2011.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.025

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B

1672-2469（2014）02-0089-05

易毅（1973年- ），男，高級工程師。