綜合物探方法在水電站壩基巖體檢測中應用

田文顯

貴州烏江清水河水電開發有限公司 貴州貴陽 550081

水電大壩作為擋水建筑物，大壩是否安全至關重要。大壩基礎的巖體質量是整個大壩工程的基礎和關鍵，大壩的基礎滿足設計和規范要求是前提條件。在壩基巖體質量復核與評價體系中，常采用單孔聲波、跨孔聲波、鉆孔變模和鉆孔錄像的物探手段，查明建基面巖體的物理力學參數和結構面發育特性，并對壩基巖體質量進行評價。

本文以某水電站壩基開挖物探檢測實施和成果，通過對單孔聲波、跨孔聲波、鉆孔變模、鉆孔全景數字成像檢測和聲波CT等綜合物探成果資料的綜合分析，查明壩基巖體波速衰減率、爆破松弛深度、波速、變形模量等力學參數和裂隙寬度、走向等地質特征，為綜合評價壩基巖體質量、建基面優化、地質缺陷處理、基礎灌漿設計、壩基巖體穩定復核評價等提供了技術支持[1]。

1 工程概況及地質條件

該水電站樞紐建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發電系統及升壓站等組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程3451．00m，最大壩高 118．0m，壩頂長 371．0m。

工程區位于青藏高原中南部高山深谷區，為岡底斯-念青唐古拉地層區南部，與雅魯藏布江構造巖石地層區毗鄰。區內沉積巖、巖漿巖、變質巖均有出露，其中以巖漿巖、變質巖相對發育，未變質的沉積巖相對較少，地層巖性復雜[2]。壩基主要出露巖性為喜山期黑云母花崗閃長巖，灰白色，中細粒花崗結構為主，塊狀構造。基巖巖石致密且強度高，但節理裂隙較發育。左岸巖體差于右岸，整體巖石較完整。

2 檢測方案

2.1 檢測方法

使用的檢測方法有：單孔聲波法、跨孔聲波法、鉆孔變形模量法、鉆孔全景數字成像法和聲波CT等。各種檢測方法的原理，許多學者已做了詳細的研究和推導，本文不再重復敘述，只是介紹各種方法在本項工作中綜合檢測取得的成果和積累的經驗技術。

2.2 檢測布置

在1#-17#壩段共布置了60個鉆孔開展爆破松弛深度及巖體質量檢測工作，檢測孔布置見圖1。其中BP鉆孔在開挖至壩基基巖面之前最后1次梯段爆破之前（一般為2m）進行爆前檢測，開挖至建基面高程后進行爆后檢測；YT鉆孔進行巖體質量單孔聲波和鉆孔全景圖像檢測；BP鉆孔和相鄰的YT鉆孔（一般間距為5m）進行跨孔聲波檢測，同時按照20%的比例抽取YT鉆孔進行鉆孔變模檢測[3]。

3 檢測成果及分析

3.1 松弛深度

對BP鉆孔在爆前和爆后均進行了單孔聲波測試，按照壩段（其中7#-10#壩段統一按照河床壩段進行歸類）對平均波速、波速平均衰減率進行了分類匯總，分段平均波速匯總表見表1，分段平均衰減率見表2。

檢測成果揭示，爆后波速范圍為3321-5500m/s，平均波速為4590m/s，右岸壩段的波速要高于左岸壩段，這與測區地質條件相符；爆后大部分波速與孔深曲線在距孔口0．8-1．4m直接出現明顯拐點或振幅信號明顯減弱現象，淺部巖體波速與振幅均明顯比深部巖體低，爆破松弛與應力卸荷共同作用形成的松弛帶深度范圍為0．8-1．4m，即爆破對0．8-1．4m深度范圍內巖體影響較大；0-1m深度范圍內波速衰減率在4．1-13．8%左右，平均衰減率為8．75%，屬于正常的松弛影響，在后續固結灌漿工作中可進行加固處理[4]。

表1 該水電站爆破聲波孔各壩段平均波速分段統計表

表2 該水電站爆破聲波孔各壩段波速平均衰減率分段統計表

表3 該水電站建基巖體波速與變模對應關系表

3.2 巖體波速

圖2 該水電站壩基單孔聲波波速三維柱狀圖

將單孔聲波和跨孔聲波測試的波速匯總進行插值分析（網格1×0．5m），得到不同樁號剖面在不同高程范圍波速分布等值線圖；對波速進行插值計算（三角插值法，網格1×1×0．5m），可建立該水電站壩基波速分布三維模型；對體數據進行切片可得沿高程方向的波速分布等值線圖[5]。該水電站壩基巖體單孔聲波波速三維柱狀圖如圖2所示，壩基波速分布三維體積模型圖如圖3所示，沿不同高程的波速分布等值線切片圖如圖4所示。

圖3 該水電站壩基聲波波速分布三維體積模型圖

圖4 該水電站沿不同高程的波速分布等值線切片圖

結合聲波的成果圖表，可得：左岸壩段巖體波速平均值低于右岸壩段，這也與測區地質情況相符；河床壩基建基面以下低波速區域（波速小于4050m/s）隨高程降低而減少；平面上，低波速區域相對集中在左岸5#-10#壩段；深度方向上，5#-6#壩段低波速區域主要分布在EL3350m以上，7#-10#壩段低波速區域主要分布在EL3338m以上，11#壩段低波速區域主要分布在EL3340m以上。

3.3 巖體變形模量

（1）根據選取巖體完整性不同的壩段的各個鉆孔進行變形模量測試，得到壩基巖體變形模量范圍為7．04-16．89GPa，平均值為 11．15GPa；

（2）在有限的數據基礎上建立起本工程壩基測試段鉆孔變形模量與聲波素的關系式為：，經回歸計算得出參數a、b及相關系數。本工程壩基巖石鉆孔變形模量與聲波速度的相關關系曲線如圖5所示。

經 計 算， 得 出 a=1．61321604×10-8、b=0．000820376（擬合試驗實用范圍：波速在3540m/s-6030m/s），相關系數R2=0．906761759。由此得出聲波速度與鉆孔變形模量對應關系如表3。

3.4 鉆孔全景數字成像

鉆孔全景數字成像可以反映單個鉆孔孔壁周邊巖體的完整情況和節理、裂隙發育情況，結合位于同一樁號的各個鉆孔的孔內成像成果，則可該剖面的節理裂隙分布圖，進而推測節理裂隙的發育走向等。圖6為同一樁號3個鉆孔孔內成像成果圖，可以看到從左岸到右岸，巖體破碎的深度逐步向下延伸，該孔段的單孔聲波波速也有顯著降低。

圖5 DG水電站壩基巖石鉆孔變形模量與聲波速度相關曲線圖

結合各種物探方法檢測成果綜合分析認為：

（1）該水電站壩基巖性單一，陡傾角裂隙較發育，多呈閉合或微張開狀；

（2）壩基淺部巖體（近建基面1．4m范圍內）受爆破松弛和應力卸荷的影響較大，波速普遍較低，隨著深度的增加，巖體質量有顯著好轉，波速有明顯提高，大部分巖體波速大于4500m/s；

圖6 典型鉆孔全景數字成像成果圖

（3）河床壩基除F7斷層外，未發現有較大規模呈低速帶連續分布的裂隙和構造。

4 結語

通過本次對該水電站壩基巖體檢測綜合物探方法的應用，查明了巖體的爆破卸荷松弛深度，得到了壩基巖體波速、巖體變形模量等參數，其成果準確可靠，應用效果達到了預期的檢測目的，為后續壩基固結灌漿等施工工藝和施工方案設計提供了可靠的物理參數，進而對壩基質量驗收和安全評價提供有力的技術支持。采用綜合物探方法避免了采用單一物探方法的局限性與多解性，更有利于物探異常的解釋，能夠勝任多種目的的物探檢測，對同類工程具有一定的參考價值和借鑒意義。