声波测试技术在李家河水库坝基开挖爆破中的应用

闫建文，徐传召，郭仪，王海仓

（1.西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048；2.西安市辋川河引水李家河水库工程建设管理处，陕西西安710048；3．眉县地下水勘测管理处，陕西眉县 722306）

根据《水电水利工程爆破安全监测规程》（DL/T5333—2005）的要求，评价爆破效果好坏主要通过两方面来进行：仪器数据和现场判别，其中通过仪器测量为主要评判方法，仪器测量主要包含监测爆破质点振动速度和检测爆破影响深度两方面内容。声波检测一般是以人为激励的方式向介质（被测对象）发射声波，在一定距离上接收经介质物理特性调制的声波（反射波、透射波、散射波）。通过观测和分析声波在介质中传播时声学参数和波形的变化，对被测对象的宏观缺陷、几何特征、组织结构、力学性质进行推断和表征，通过应用声波测试技术，可以准确检测出受爆破影响的深度范围，并以此评价爆破效果的好坏，是目前广泛使用的一种方法[1-3]。

1 工程概况

李家河水库工程位于西安市蓝田县，其任务主要是以西安市城东区城镇供水为主，兼有发电。工程属Ⅲ等中型工程，永久性主要建筑物拦河大坝、泄水建筑物、引水建筑物、生态供水管道和输水渠道按3级设计，次要建筑物按4级设计，电站厂房及临时建筑物按5级设计。大坝枢纽的防洪标准为50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。输水渠道和电站厂房防洪标准为30年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。

拦河坝为碾压混凝土抛物线双曲拱坝，最大坝高98.5 m，坝顶弧长351.71 m，弦长309.43 m，坝体厚高比0.315。坝顶高程884.00 m，坝顶宽8 m，坝底宽31.0 m，泄洪表孔布设在坝顶中部的河床段，泄洪表孔采用单孔，孔宽12 m，堰顶高程872.00 m，泄洪底孔紧临溢洪表孔的左侧布置。进口高程828.00 m，孔底水平，进口为尺寸8.0 m×6.5 m的三向收缩喇叭口，进口段顶部及两侧均采用椭圆曲线，出口在孔身末端变为4.0 m×4.5 m。

2 测试原理及方法

2.1 声波测试原理

应用声波测试技术检测爆破对岩体影响范围的基本原理是：超声波测试仪器通过发射探头在岩石内激发高频弹性脉冲波，并通过另一端的接收探头接收并记录该脉冲波在岩体内传播过程中表现的波动特征，可能会出现的波动特征[4-6]如下：

1）波速（纵波波速）降低。当岩体内部存在破损、不连续时，由于缺陷面形成了波阻抗面，波在通过阻抗面时，其能量有所衰减，表现为波速有所降低。

2）波速（纵波波速）升高。岩石硬度越高、完整性越好，波的传播速度就越快，如果出现波速升高的情况，则可能是岩体内部存在高硬度岩石带，或该区域岩石的完整性较其他区域更好。

3）波的初至到达时间变化、波形畸变。当岩体内部存在松散、裂隙、结构面、孔洞等缺陷时，将产生波的散射和绕射，从而影响首波到达时间，或是整体波形变化，在实际测量时，往往要通过调整延迟与放大倍数来克服这些影响，严重时则无法获得该区域的波形。

通过测试，记录不同高度上的超声波特征并加以分析，就能判别测区内岩石的完整性情况，从而获得受爆破影响的范围数值，进而评判爆破效果。

共建是社会治理系统的建构基础，也是社会治理系统功能发挥的基本前提。在共建共治共享社会治理格局的系统构建中，如果说共建是系统治理的基础，那么共治就是实现系统治理的手段，而共享就是系统治理的目的。在复杂条件下实现政府治理与其他多元主体的合作共建，在理念创新上体现国家治理、政府治理和社会治理模式的转变，而这种转变就是以系统建构的方式体现在多元主体的社会共识之中，具体化在多元主体合作共建的过程之中。为此需要从以下三个方面作出努力。

2.2 声波测试系统

运用声波测试技术进行爆破影响范围检测时，通常有两种测试系统：单孔测试系统与跨孔测试系统[7]。两种系统的主要区别在于测试采用的换能器不同，单孔测试中采用的是“一发双收”式换能器，即在一个测试探头中集成了一个发射探头与两个接收探头，中间通过隔声管连接，测试中仅需要一个测孔就可以进行；跨孔测试则是采用“单发单收”式换能器，分别将发射探头与接收探头置于不同的测孔内，因此，测孔需成对出现。

由于单孔测试时声波发射与接收探头均在同一孔内，即声波从发射探头发出后，经孔壁滑行再被接收探头所接收，其传播路径比较复杂，且测得的是声波沿孔壁传播时的各项声学参数，检测范围不大。跨孔测试系统检测时声波由发射探头出发穿透两孔间的介质后被接收探头接收，实际有效检测范围为超声波脉冲从发射到接收换能器所扫过的面积，检测范围大且声波传播路径简单，因此，在实际应用中效果较好。

跨孔测试系统见图1，系统由声波检测仪、发射探头、接收探头组成，在测试前需要提前钻好测孔并防止堵塞，测试时需要在孔内注入耦合剂（一般为水）即可进行测试[1]。

图1 跨孔式声波测试系统

2.3 测试步骤

对单次爆破影响范围的检测，需要进行两次声波测试，即爆破前、后对同一地点、测孔进行相同的声波测试，将测试结果进行对比，从而得出爆破影响深度[7]。测试步骤如下：

1）选定测点，打测孔。按照规范要求，跨孔声波测试需要打3个测孔，测孔呈“品”字形布置，两个测孔孔壁之间的距离为跨孔距离，规范规定跨孔距离应为1 m，测孔深度以实际需要为准。测孔打好后，应注意保护，防止其堵塞。

2）注入耦合剂。测试前需要先将孔内注满耦合剂，一般采用水作为耦合剂。

3）放入探头。因为采用对测法进行测试，所以应保证发射探头与接收探头处于同一水平面上，若采用由上至下的方法进行测试，则每次二者均下放同样的距离，移动步距一般为0.10~0.25 m；反之，若采用由下至上的方法测试，则每次应上提同样的距离。

2.4 声波孔的布置

李家河水库大坝坝基开挖爆破声波测试中采用的仪器为武汉岩海公司生产的RS-ST01C型超声波测试仪，该仪器已广泛应用与各种声波测试中，测试速度与精确度均满足需求。测试采用跨孔对测的方法进行[10]。

根据爆破设计情况、实地情况及仪器规格限定，对单次爆破测试布设3个声波孔，爆破前后共计跨孔检测6次，声波孔深度为6 m、为倾斜孔、θ=30°，跨孔距离1 m、探头移动步距为0.25 m。

3 测试结果及分析

3.1 测试对比结果

测试数据来自李家河水库大坝右坝肩EL860—EL845层Ⅰ区（右岸第三层Ⅰ区）开挖爆破前后检测，本次爆破共6排爆破孔，主爆孔最大2孔1响，最大单响药量180 kg，总药量约为7.5 t。测试对比见图2。

图2 右岸第Ⅲ组AC面爆破前后声速对比

3.2 影响深度评判依据

依据爆前和爆后的声波波速变化来判断岩体开挖爆破影响范围并进行有关分析评价[8-9]，包括波速变化对比和Vp-h曲线图变化趋势。

通过判读仪器上的数据，获得相应深度下的波速，爆破后再次在同一部位测试，以爆后纵波波速CP2与爆前纵波波速CP1的变化率η来衡量，爆破后弹性纵波波速变化率η按下式计算

变化率η在规范中有明确的判断标准，见表1。

表1 爆破影响范围声波检测法判断标准

3.3 测试结果分析

1）整体波速在3.5~5 km/s范围内，该区岩石主要以花岗岩为主，测试结果与地质情况相符；

2）由图2及表2可以看出，声波测试结果在深度4~5 m范围内衰减至最低只有1 km/s，除去外界影响的原因，该范围内可能存在带状裂隙；

3）通过对比爆破前后两次声速测试结果，发现AC面在深0.75 m范围内，波速变化比率超过了规范规定的10%，最大比率为16.7%、平均比率为12.6%，该区岩石呈现破坏状态，而在0.75 m之后，波速变化比率迅速衰减至规范规定的10%范围内，最大比率为9.93%、平均比率为6.73%，这说明AC面受影响深度为0.75 m，因为声波测试孔为30°倾斜孔，经过换算，AC面的影响厚度为0.375 m，本次爆破对岩体的影响较小。

表2 爆破影响范围声波检测变化率统计

3.4 影响测试的原因

声波测试属于高精度测试，因此，受到的外界影响也较多，总结如下。

1）电磁干扰：除声波测试仪外，测试现场应避免电子产品的干扰，如对讲机、手机等。

2）振动干扰：在声波测试时，应尽量停止现场施工，施工引起的振动会对声波测试数据产生极大干扰，严重时甚至不能判读波速曲线。

3）水流干扰：如果测孔内分布裂隙较多，可能需要连续注水以保证测试正常进行，这时水的流动也会对测试数据产生影响。

4）岩体内部构造：裂隙、结构面、孔洞等情况都会对测试结果产生影响，可以通过测试数据进一步分析。

4 结语

李家河水库坝基开挖工程施工过程中，在业主、监理、设计单位的共同努力下，成功地对爆破网络进行了优化，降低了单响药量，通过对右坝肩EL860-EL845层Ⅰ区开挖爆破进行声波检测，结果显示：本次爆破质量较好，对岩体的影响控制在了规范规定的范围之内。

在进行水利水电工程坝基开挖爆破施工时，将声波测试与振动监测相结合，对爆破的质量进行综合评定，是一种行之有效的方法。它不仅能够保证施工质量、加快施工进度，更能够通及时发现问题、对爆破网络进行改进，使爆破设计能够在满足施工要求和符合当地地质条件之间寻求最佳平衡点，具有良好的社会效益和经济效益，对同类工程具有一定的借鉴意义。

[1]唐智超.爆破对边坡影响范围的声波测试与评价[J].爆破,2009,26(3)：108-110.

[2]徐庆，王浩，杨文.半面爆破技术在竖井施工中的应用[J].西北水电，2010(2)：54-56.

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[6]张建斌，段君奇.大金坪引水前沿围岩岩爆灾害预测[J].西北水电，2009(2)：14-16.

[7]于亚伦.工程爆破理论与技术[M].北京:冶金工业出版社,2008.

[8]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5389—2007水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范[S].北京：中国电力出版社,2007.

[9]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5333—2005水电水利工程爆破安全监测规程[S].北京：中国电力出版社,2005.

[10]闫建文.李家何水库中坝基开挖爆破试验研究[R].西安：西安理工大学，2010.