三峡工程建基面弹性波检测技术

李张明

摘要 对三峡工程重要建筑物的建基岩体进行弹性波检测，既可获得建基岩体的主要物理力学参数，为建基面的最终处理和验收提供科学依据，又可为整个枢纽建基面质量提供永久可查的弹性波检测资料。弹性波检测技术在三峡工程建基面检测中的应用，是保证基础质量，确保工程安全的一个重要环节。运用弹性波检测技术及方法，结合一期工程建基面检测成果，研究弹性波检测岩体波速的标准值，建立建基面检测模式为大规模开展三峡工程建基面检测创造条件。

关键词 三峡工程 建基面 弹性波检测 岩体波速

1、 概述

三峡工程是举世瞩目的特大型工程。无论是大坝坝基，还是地下厂房及船闸高边坡等主体建筑物的基础，其工程岩体的质量特别是建基面岩体的质量是关系基础工程质量和工程安全的重要因素。以往验收建基面质量的习惯做法是建基面开挖到位后，地质师及监理师根据经验判断其是否达到设计要求。显然，在没有获得一定的建基面岩体力学参数的情况下，有时会遗漏一些隐蔽的地质缺陷，并可能对工程的安全造成危害。对三峡工程重要建筑物的建基岩进行弹性波检测的目的就是获得建基岩体质量的基本物理力学数据，为建基面的最终处理和验收提供依据，并为整个枢纽建基面岩体弹性波检测提供存档资料。此项工作是保证基础质量，确保工程安全的一个重要环节。本文介绍了弹性波检测技术及其在三峡工程建基面检测的应用情况。结合一期工程建基面检测成果，研究了弹性波检测中岩体波速的统计规律；岩体波速与岩体质量分级和关系及岩体波速的标准等问题，为今后三峡工程大规模开展建基面检测建立了模式。

2、 建基面地质及地球物理特性

2.1 建基面基础地质条件

三峡工程主体建筑物建基面岩石为粗粒闪云斜长花岗岩。不同建筑物利用的岩面略有差异，大多以微风化、弱风化带下部岩石为主，局部为弱风化带上部岩石。岩脉有花岗岩、伟晶岩脉和辉绿岩脉；岩脉与围岩大多是混融接触或紧密裂隙接触，少量呈断层接触，坝区内断层裂隙较发育。

建基面岩体以次块状、块状结构岩体为主，少量为镶嵌结构或碎裂结构岩体。地质上将建基面岩质量分为三类。即A类、B类、C类岩体。

(1)优质岩体(A类)：为微风化、新鲜的块状结构岩体，强度和变形模量高，透水性极微，是优质坝基岩体。

(2)良质岩体(B类)：包括微风化、新鲜的次块状结构岩体和弱风化带下部的块状结构岩体，强度和变形模量较高，透水性弱，是良质坝基岩体，只需作常规处理。

(3)中等岩(C类)：包括断层中胶结良好的构造岩、断层影响带、裂隙密集带等镶嵌结构岩，以及部分较完整的弱风化带上部岩体，具中等强度和变形模量，完整性较差，透水性较强，是中等质量岩体。

2.2 建基面地球物理特性

根据以往及实测资料，建基面完整岩体地震波速(Vp)在5000m/s左右，声波速在5500m/s左右。由于受结构面发育程度，爆破层含水程度的影响，整个建基面岩体地震纵波速度变化区间较大，一般为3000～4500m/s，极少数跨断层及张开裂隙、松动(爆破影响)的区段波速低于2500m/s。一般完整岩弹性波速值高，爆破破坏或岩体结构面的增多或岩体风化加剧，均会使岩体弹性波速度降低。

弹性波在岩体中传播时，3其参数的变化直接反映岩体的地质构造和物理力学性质，某些参数如纵波速度、横波速度、振幅衰减、频率等可作为岩体分类、分段、分区及分带的准定量依据，并可校验地质分类或分带的正确性。

建基面岩体弹性波检测主要是为了评价岩体的质量及开挖爆破影响的范围，建基面岩体的质量主要依据岩体弹性波速度进行评价；升挖爆破影响范围主要依据风钻孔声波速度特征进行评价。一期工程建基岩体的检测成果证明上述方法是可行的、有效的。根据弹性波检测获得的波速资料，结合现场地质编录成果，可准定量评价建基面岩体的质量，从而为建基面的验收提供科学依据。虽然波幅、频率、衰减等动力学参数亦可作为评价依据，但由于现场施工环境噪声大，这些参数不如波速测试的结果可靠，因此，我们主要借助运动学参数地震声波速度作为主要评价依据。

3、 测试方法及技术

由于建基面质量检测既要求所检测的数据能真正反映出岩体的质量，又要求所采用的方法快速、经济，弹性波检测技术是满足上述条件的首选方法。经过反复比较研究，建基面岩体弹性波检测方法主要选择地震波法和钻孔声波法。

3.1 地震波法

地震波法测线的布置一般为网格式，即线距3～7m(一般为5m，局部可根据建基面形态进行调整)，检波距2～4m(一般为3m)，测线方向根据块状岩体各异性特征，分别平行和垂直优势结构面布置，不平行或不垂直的重要构造带需要另行布置跨构造和现场条件布设地震测线及检波点，在已粘接基岩面，则与检波器相连的动测仪(或地震仪)便可接收到检波器记录的振动信号，从得到的初至时差检波距即得到此段岩体的弹性波速(Vp)。一般在二检波器的两侧敲击，以对比所获得的初时差的可靠性。

地震法采用的仪器主要有国产RSM—24FD工程动测仪、美国进口ES—1210F、R12和R24浮点地震仪等，检波器为28～38Hz中频数字检波器”

3.2 钻孔声波法

钻孔声波法是利用风钻孔(孔径45mm左右)进行声波测井及跨孔测井，以获得建基面岩体垂直方向及水平方向的纵波波速，在可能的情况下，与地震波法进行对比测试，以求建立地震波速与声波波速的相关关系，作为特殊部位的对比验证检查手段。尽可能考虑一孔多用，分别进行单孔测井和孔间岩体对穿测试，提供建基面岩体垂直向和水平向声波速度Vp特征，结合地震波速测定评价岩体质量及爆破影响范围。测试孔深2～3m，点距0.2m，探头源距一般为0.5m，间距为0.m。声波跨孔距一般小于3m，主要采用国产SYC—Ⅱ型声波仪，换能器主频20KHZ

4、 建基面岩体波速特征分析

4.1 岩体完整性系数(Kv)

现场检测获得的资料主要为岩体波速值，为了利用多参数评价建基面的质量，我们引入岩体完整性系数(Kv)来评价建基面岩体的完整性。

Kv＝(V_p/V_pr)²

表1 岩体完整性系数的分类
岩体完整性程度	完整	较完整	完整性较好	破碎
Kv	1～0.75	0.75～0.45	0.45～0.2	<0.2

式中Vp为实测波速值，Vpr为代表性岩块或完整性岩体波速值，该式反映岩体相对于岩块(或完整岩体)的破碎程度。一般，按下表对岩体完整性系数与岩体完整性程度分类。

4.2 弹性波速度特征

表2列出了三峡工程某主体建筑物建基岩体弹性波速度Vp最大值、最小值及平均值，根据表中数据及初设阶段实测资料，我们认为其最大值(取加权平均值)可代表本区完整岩体的波速Vpr，因此在计算完整性系数尺Kv时，地震波速Vpr取5500m/s，声波速度Vpr取6100m/s。

表2 三峡工程某主体莪建基岩体地震波和声波速度Vp值
部位	地震波速度Vp/m·s-1			声波速度Vp/m·s-1
	最大值	最小值	平均值	最大值	最小值	平均值
a	6000	1120	4160	6670	3130	5010
b	4860	2380	4030	6090	3080	4890
c	5800	2400	4040	6670	3170	5150
注：地震波速极低部位测试结束后已作相应处理

表3 地震波声速度Vp与相应完整性系数Kv布特征
地震波法			声波法
Vp范围值/m.s-1	Kv范围值	所占比例/%	Vp范围值/m.s-1	Kv范围值	所占比例/%
<2700	<0.24	0.96	<3600	<0.35	1.45
2700～3200	0.24～0.34	2.90	3600～4100	0.35～0.45	3.39
3200～3700	0.34～0.45	11.11	4100～4600	0.45～0.57	14.07
3700～4200	0.45～0.58	42.09	4600～5100	0.57～0.70	34.64
4200～4700	0.58～0.73	35.61	5100～5600	0.70～0.84	30.01
4700～5200	0.73～0.89	5.68	>5600	>0.84	15.91
>5200	>0.89	1.65

表3列出了地震波和声波V_p及由此换算出的Kv范围值所占百分比。

从表3可以看出。地震波和声波速度换算出的Kv值与对应的波速范围约相差一个级(即500m/s)，这是由于地震波速和声波速度之间存在着差异，造成这种差异的主要原因是由于观测方式、观测部位、观测尺度及其波速的频率效应等综合因素引起的。一般声波速度要高于地震波速度，差值大小取决于岩体性状。

结合表1和表3，我们可以初步确定弹性波速评价建基面岩体质量及完整性的标准：即地震波Vp值3700m/s左右和声波Vp4100m/s左右为岩体质量差与好的临界值，波速小于该值，相应的Kv<0.45，表明岩体质量及其完整性相对较差；波速大于该值，相应的Kv>0.45，表明岩体质量及其完整性较好(相当于B类以上岩体)，但遇岩体结构面变化或断层、破碎带以及爆破影响严重部位需区别对待。

4.3 岩体质量分类与岩体波速的关系

表4给出了上述建基面岩体质量分类与地震波速特征的统计表。岩体质量分类依据现场地质编录的划分。一般地震波速特征总体上应是A类岩体高于B类岩体，B类岩体高于C类岩体，但由于受结构面、风化程度、爆破等综合影响，其波速特征不可避免地出现跨区现象，甚至出现A类少部分岩体波速值比B类岩体小。但从表4的统计结果可以看出，A类岩体平均波速高于B类岩体，B类岩体平均高于C类岩体，A类岩体波速集中范围为4000～4750m/s，B类3500～4400m/s，C类3000～4100m/s。

4.4 建基面爆破影响深度

根据单孔及跨孔声波测井资料可以确定建基面岩体爆破深度。一般建基面表层波速偏低，爆破影响严重的部位声波能量急剧衰减，甚至测不出波速。测试结果表明测区建基面爆破影响深度。集中范围值为0.2～0.8m。

表4 建基面岩体质量分类与实测地震波速特征统计表
岩体质量分类	最大值m.s-1	最小值m.s-1	集中范围m.s-1	平均值m.s-1
A	5260	3860	4000～4750	4370
B	6000	1120	3500～4400	4130
C	4650	2380	3000～4100	3840

5、 结论

采用弹性波检测技术对三峡工程建基面岩体进行检测，满足了地质、监理对建基面验收所需岩体波速参数，对检测中出现的低速异常区有针对性的进行处理，保证了基面岩体的质量，使评价建基面开挖质量及岩体质量有了准定量参数。

结合一期工程建基面弹性波检测成果，可得出如下主要结论：

①三峡工程建基面检测的标准波速

以弱风化顶板为可利用建基面，用弹性波速度评价岩体质量和岩体完整性判定的标准为：地震波速Vp＝3700m/s，声波速度Vp＝4100m/s也就是说Vp小于该标准值(kV＜0.45)时岩体质量属中等岩体或岩体完整性较差；Vp大于该标准值(Kv＞045)时，岩体质量属良质以上或岩体完整性较好(同时应综合考虑岩体结构面、岩体风化及爆破松动的影响)。

②地震波速度与声波速度的关系

由于所获得的波速资料不是原位一一对应测资料，且岩体性状差异较大，故它们之间的关系不能用常规的线性对比建立，但从总体上来看，该区建基面岩体地震波速一般低于声波波速10%～20%。

③建基面岩体质量分类波速特征

A类优质岩体地震纵波速度集中范围为4000～4700m/s，平均值为4370m/s；B类良质岩体地震纵波速度集中范围值为3500～4400m/s，平均值为4130m/s；C类中等岩体地震纵波速度集中范围值为3000～4100m/s；平均值与岩体的分类是基本一致的。

④爆破影响深度

虽然未进行专门的爆前、爆后声波对比观测，但根据单孔及跨孔声波测试数据，建基面爆破影响深度集中范围值为0.2～0.8m。

三峡工程建基面岩体弹性波检测工作量将随着工程进展而快速增加，为了获得更多有用信息，以指导建基面开挖，除了做好常规的检测工作外，还应进行原位的地震波与声波联测对比试验，进一步研究二者关系；进行原位的爆前、爆后弹性观测试验，研究不同爆破形式对建基面岩体及其弹性波速度的影响。