新鲜完整岩块波速的取值及应用

2014-02-18李广场

水利规划与设计 2014年2期

关键词：岩块波速玄武岩

李广场

新鲜完整岩块波速的取值及应用

李广场

（浙江华东工程安全技术有限公司浙江杭州 310014）

本文分析了某水电站坝区岩体的弹性波特性，结合地质条件探讨了新鲜完整岩块波速的取值方法，并根据坝区各风化带岩体波速和风化波速比建议值对风化波速比及完整性系数的有关应用进行了讨论。

波速新鲜完整岩块波速完整性系数风化波速比

前言

新鲜完整岩块波速（Vpr）是计算岩体完整性系数和风化波速比的重要参数。风化波速比是评价岩体风化程度的依据之一，完整性系数是评价岩体完整程度及使用RMR法进行岩体分类的基本参数之一。在工程勘测及检测中，新鲜完整岩块波速（Vpr）的准确选取一直是困扰无损检测专业的一个技术问题。由于一般工程外业工作量较少，研究程度相对不深，Vpr未作深入分析，有时凭经验取值，缺乏足够的依据。在此根据某水电工程岩体的弹性波资料，结合规程相关规定探讨Vpr的取值及应用，以对今后的工作提供参考。

1 工程地质概述

拟建水电站地质条件较为复杂，坝区主要出露二叠系上统峨眉山组玄武岩，上覆三叠系下统飞仙关组砂页岩。地层呈假整合接触。第四系松散堆积物主要分布于河床及缓坡台地上。

坝址区峨眉山组玄武岩，具有多个喷发旋回，表现为中心式喷发及裂隙性、间歇性喷发等两种形式。中心式喷发表现为P2β1含大型灰岩捕虏体的玄武岩，其它为裂隙性、间歇性喷发，喷发序列为斑状玄武岩、隐晶玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、凝灰岩，根据喷发间断共划分为11个岩流层。每一个岩流层自下而上一般为熔岩、角砾熔岩，顶部为凝灰岩，熔岩主要为斜斑玄武岩、隐晶质玄武岩、少量微晶玄武岩、杏仁状玄武岩，隐晶玄武岩中发育柱状节理的称之为柱状节理玄武岩。玄武岩岩性主要分为含角砾(集块)玄武岩、斜斑玄武岩、隐晶质玄武岩、柱状节理玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、凝灰岩等七种，峨眉山组玄武岩具有多个喷发旋回，根据玄武岩喷溢(爆发)的规律及岩性特点，对玄武岩各岩流层进行岩性亚层、小层划分，共划分为34个亚层。

2 岩体弹性波特征

2.1岩块波速室内测试

室内岩块声波测试累计25组（主频为25kHz），各岩块取自微新无卸荷岩体。测试结果表明，角砾熔岩波速最低，平均值为4272m/s，其他四种岩性岩块声速均值均在5000m/s以上，范围为5132～5744m/s之间。

取钻孔钻取的柱状节理玄武岩、隐晶质玄武岩、斜斑玄武岩、角砾熔岩和杏仁状玄武岩岩芯120组，应用平面声波换能器（主频为10kHz）测试其波速，选取的岩芯对应孔壁岩体为新鲜完整，岩芯长度一般大于20cm。实测岩芯波速均值范围为3501～3940m/s。根据钻孔声波测井成果，各岩芯对应孔壁岩体声速范围为48797～5504m/s。相应比原位孔壁岩体，岩芯波速平均低25%～35%。

2.2高程和波速相关性

统计工区不同高程、微新无卸荷平洞岩体和钻孔岩体的波速，结果见图1。各岩性岩体随着高程的减小波速总体上增大，但是变化幅度不大。

图1 钻孔岩体高程和波速关系图

2.3水平埋深和波速相关性

统计620、720、820m高程不同水平埋深、微新无卸荷岩体波速。

以柱状节理玄武岩为例，高程620m水平埋深150～200m、200～250m、250～300m地震波速度均值分别为4668、4730、5089m/s，声波速度分别为5176、5267、5372m/s。统计表明，随着水平埋深的增加坝区岩体地震波和声波速度呈增大的趋势。相对地震波，声波速度变化幅度相对较小。

2.4压力和波速相关性

对坝区PD121等平洞岩体进行压力和波速相关性试验研究，结果见图2。试验表明，对于较破碎-破碎岩体，随着压力的增加，波速增加，压力对波速的影响主要范围为2～6MPa，相对未施加压力的初始状态，6MPa压力荷载下的波速平均增加在20%以上，在压力达到8MPa后波速变化较小。对于较完整-完整岩体，施加不同压力荷载，波速不变。

图2 岩体压力～波速关系曲线图

2.5频散和尺度效应特性

弹性波在岩体中的传播速度和频率相关的性质即为弹性波频散特性。弹性波在非均匀介质中的传播速度和其波长相对于岩体非均质性尺度大小有关的性质即为弹性波尺度效应。坝区钻孔岩体和平洞岩体声波速度一致，平洞岩体地震波速度与声波速度相关性特征主要为：各岩体平洞声波和地震波速度比值弱风化上段范围为1.47～2.19，弱风化下段范围为1.37～1.56，微新段范围分别为1.12～1.18。弹性波频散和尺度效应是岩体的固有特性，坝区岩体地震波速度和声波速度的差异分析认为主要由频散和尺度效应导致。

3 Vpr取值

现行水电规程未对Vpr的取值方法作明确的规定或者推荐，仅作如下说明：

（1）DL/T5010—2005《水电水利工程物探规程》规定，利用波速计算岩体完整性系数时，一个工区内，对于同类岩性，应使用新鲜完整岩块的同一波速。

（2）GB50287—2006《水力发电工程地质勘察规范》把Vpr定义为岩石的纵波速度。

工区新鲜完整岩块室内测试的波速小于原位岩体波速。理论上，新鲜完整岩块的波速只有在地应力水平极低、岩样不受损伤的情况下才和原位时一致。工区各岩性岩体Vpr若按室内岩块波速取值，势必会造成大量岩体的完整性系数大于1的结果。工区地应力属中等，Vpr按室内岩块波速取值偏低，因此Vpr依据现场实测结果确定。由于工区各岩性岩体波速差异明显，各岩性Vpr应分别取值。

以隐晶质玄武岩为例说明Vpr的取值。统计整个坝区平洞和不包含厂房洞微新无卸荷隐晶质玄武岩地震波速度和平洞单孔声波速度及高程大于510m和小于510m钻孔微新岩体测点声波速度，结果见表1。统计段长大于0.8m、波速均值大于6000m/s的孔段及相应的高程，部分孔段汇总见表2。

统计表明，微新隐晶质玄武岩具有以下弹性特征：

（1）全坝区微新无卸荷岩体波速总体大于不含厂房区岩体波速；

（2）全坝区和不含厂房区的微新无卸荷岩体波速均呈近正态分布特征，峰值区间相近，地震波速度均为4600～5000m/s，声波速度均为5000～5400m/s；

表1 平洞岩体波速统计表

表2 钻孔岩体高波速段汇总表

（3）高程大于510m和高程小于510m的钻孔岩体波速均呈近正态分布特征，波速峰值区间分别为4800～5400m/s和5000～5800m/s，高程在510m以上的钻孔岩体波速总体小于高程在以下510m的孔段岩体波速。

对于岩土物理力学参数取值，GB50287—2006《水力发电工程地质勘察规范》建议，应分析岩土体的结构、物质组成、构造破坏程度、风化情况、围压状态、水文物理性质、结构面状态及其延伸范围等具体地质条件，从岩土体的总体性状判断试验成果的地质代表性。因此Vpr的取值应考虑以下几点因素：

（1）岩块的尺度。岩体由岩块和结构面组成，岩性均一、未发育结构面的完整岩体可视为岩块，相对室内试验的岩块，现场Vpr取值的岩块尺度可以不受严格限制。

（2）岩体埋深越大、围压越高、所处的地应力水平越高、岩体越致密，波速相对越大。Vpr的取值环境应力水平应和工程一致。

（3）由于频散特性，声波速度高于地震波速度，两者应分别取值。

电站河床建基面高程约在540m，对于高程小于510m的岩体不予考虑；地下厂房探洞距边坡水平埋深一般在300m以上，最深达780m，围岩所处环境与其他工程区域存在较大差异，地下厂房和坝基可以认为不属一个工区，考虑分别取值；声波探头两接收换能器间距一般为20cm，测点波速波动较大，测点波速最高值即使有一定数量，但不连续、分散在不同孔段上，Vpr取测点波速最高值从工程角度考虑仍可能不具代表性；同样对于平洞岩体地震波，Vpr取值岩体的段长应达到一定长度。

基于上述考虑，工区Vpr的取值原则为：

①各岩性分别取值；

②地震波和声波分别取值；

③坝基和厂房区岩体Vpr分别取值；

④在新鲜完整岩体洞段取地震波速度的最高值作为Vpr，该最高波速的取值要求在一个地震排列中连续段长不少于5m，取其平均值；

⑤取平洞单孔声速或者声波测井曲线上最高波速（一般层厚度在1m以上）作为声波Vpr。

根据上述原则，坝区各岩性的地震波和声波Vpr取值汇总见表3。

4 完整性和风化评价

根据坝基平洞岩体和钻孔岩体波速测试成果，统计各风化带岩体波速，综合考虑各类岩体的地质特征，提出不同岩性各风化带波速建议值，见表4和表5。

表3 Vpr取值汇总表

表4 坝基岩体风化带地震波速度和风化波速比建议值一览表

表5 坝基岩体风化带声波速度和风化波速比建议值一览表

各岩性各风化带的地震波风化波速比小于规程推荐的风化波速比，声波风化波速比和规程推荐值也有所差别。岩体风化波速比和完整性系数均为导出参数，从物理意义上并不十分明确。单从计算公式分析，风化波速比的平方即为完整性系数，按此岩体的完整程度可以用风化波速比进行评价。但是从地质角度，岩体的风化程度与完整程度是有联系又有区别的。岩体波速是风化、卸荷和构造发育等的综合反应，因此岩体风化波速比仅是地质划分岩体风化程度的依据之一。此外风化波速比、完整性系数的计算公式和规程推荐的划分标准是在大量工程实践的基础上的统计结果，并非绝对标准，因此鉴于实际工程地质条件的复杂性，岩体风化带波速或者风化波速比、完整性系数建议值需要根据实测波速结合地质条件综合分析确定。地震波风化波速和声波风化波速比的差异主要由弹性波的频散特性和尺度效应所致。