综合物探检测在岩体质量等级定性与定量评价中的应用研究

刘明昌

(雅砻江流域水电开发有限公司， 成都 610051)

综合物探检测在岩体质量等级定性与定量评价中的应用研究

刘明昌

(雅砻江流域水电开发有限公司， 成都 610051)

我国经济高速发展极大地带动了西部水电工程资源的开发，在水电工程建设中，枢纽区岩体质量等级的评价是工程建设的基础，系统、准确评价坝址区岩体质量等级对工程建设具有指导意义。首先采用地震层析成像法、单孔声波法、钻孔变模法等物探方法的测试结果,对锦屏一级水电站坝基岩体质量等级进行定性和定量分析研究，并建立其相互关系；再运用钻孔全景图像成果验证了岩体分级的合理性。研究成果表明，综合物探方法可定性和定量评价水电站岩体质量等级，对类似工程具有可借鉴性。

综合物探； 岩体质量等级； 单孔声波； 地震层析成像

0 引言

近年来，中国经济的高速发展，极大地带动了资源的开发、交通体系的完善和城市化进程，从而全面带动了基础设施建设活动，工程规模大，建设速度快(如南水北调、铁路纵横工程、西部雅砻江、大渡河、金沙江、澜沧江及怒江上面的巨型水电工程)。巨(大)型工程的建设随之也带来了众多工程质量安全隐患，尤其是以西部水电工程为典型，枢纽区工程建筑物设计等级高，坝区工程地质条件复杂，水保环保要求严，工程安全要求等级高(如锦屏一级水电站装机3 600 MW，为混凝土双曲拱坝，坝高305 m；大岗山水电站总装机容量2 600 MW，坝高210 m；溪洛渡水电站总装机容量12 600 MW，坝高278 m)。这些造福人类的百年工程，对超高的坝址的长期稳定性和耐久性提出了极高的要求，因此，系统、准确地评价坝址区岩体质量等级显得尤为重要[1]。

针对上述工程地质问题，引进综合工程物探检测方法能够切实、高效、科学地解决上述问题[2]。

1)系统布置地震波层析成像检测工作，大面积对岩体质量等级进行定性分析。

2)对大面积地震层析成像成果开展系统性单孔声波测试工作，以区域性单孔声波测试成果对地震层析成像成果进行系统复核。

3)针对差异性岩体质量等级区域，系统布置少量钻孔全景图像测试及钻孔变模测试工作，归纳、总结各差异性区域单孔声波、钻孔全景图像及钻孔变模值的特征，形成差异性岩级与单孔声波、钻孔全景图像及钻孔变模的对应关系，从而建立岩体质量等级物探指标的量化标准。

上述系统综合物探检测应用于岩体质量等级评价措施中，能够优质、高效地解决岩体质量等级评价工作，而且能够为后续工程处理过程提供定量的技术指标；同时应用上述系统物探检测方法具有以下优势：①检测工作开展便利，高效，在空间和时域上均避免了对施工的干扰；②检测孔布置灵活，可根据新开挖揭示情况及时调整孔位，客观评价新开挖揭示地质缺陷；③多种物探检测方法相结合，资料相互验证，成果资料客观、科学；④检测成果可系统、全面评价工区岩体质量等级[3-4]。笔者以锦屏一级水电站左岸基础处理工程岩体质量综合物探检测为例，阐述系统物探在岩体质量等级划分的作用。

1 常用岩体质量等级分类方法概述

随着工程实践的不断加强，围岩分类原则和系统也在不断地改进和完善。目前，从单因素分类转变为综合的多因素分类、从定性分析过渡到定量与定性相结合的研究，已经成为围岩分类的发展趋势。而国内、外应用最普遍的分类方法，仍然是Barton的Q系统[7]分类、Bieniawski的地质力学权值RMR分类、Palmstrom[5-6]提出的RMi(Rock mass index)法、E. Hoek的GSI系统等。我国发布的《工程岩体分级标准》(GB 50218-94)(简称BQ分类)、《水利发电工程地质勘察规范》(GB 50287-2006)对围岩工程地质分类(简称HC分类)做出了规定[9]。

Q法由挪威岩石力学专家Barton等[10]依据北欧地区212个地下岩体洞室地质资料，首次提出由于其采用全定量评价模式，一经推出就得到广泛关注与应用。之后Barton等[10]对其适用范围进行不断扩展，现Q法已成为地下岩体工程岩体质量评价的重要工具。

RMR(Rock mass rating)法[6]由南非采矿地质学家Bieniawski[11]最初以南非300多条矿井巷道记录为经验基础，此后在世界范围内不断扩充数据，1976年推出第1版后，在世界范围内得到广泛传播，此后，Bieniawski对RMR参数进行了多次修改，最终形成目前应用的RMR—89版本。

RMi(Rock Mass index)法[6]由挪威学者A.Palmstrom[5-6]提出，其以结构面参数对岩石单轴抗压强度的折减来评价岩体强度特性，2009年A.Palmstrom[5-6]对RMi法的围岩分类体系进行了优化，充分考虑了地下水、地应力场、软弱夹层等对围岩质量的影响，同时将其评级标准予以进一步细化，使之评价结果更吻合工程实际。目前，RMi法开始在国际上得以重视，并逐渐得以推广。

GSI(Geological StrengthIndex)法[6]由加拿大学者E.Hoek等[12]提出，其目的在于对岩体结构地质特征评价，实现与Hoek-Brown准则的结合，进而对岩体稳定性评价、岩体力学参数预估、岩体变形特征的计算等，由于其与Hoek-Brown准则结合紧密，现其主要作为准则中的一个重要参数，对待评岩体结构地质特征予以评价，故其侧重点和适用范围较其他围岩分类方法存在较大不同。

BQ法[13](GB50218-94《工程岩体分级标准》)由我国水利部1994年主编，以唯一适用于各类型岩石工程的评价方法，在全国范围进行推广使用，现已在各岩体行业得到广泛应用，并取得了较高的认可。现结合国内多项工程的BQ法评价结果，总结得到BQ法在应用过程中需关注以下适用条件：

1)BQ法仅针对结构面呈随机分布特征的岩体进行评价，对规模较大、贯通性较好的软弱结构面或带，应当进行专门研究。

2)BQ法不适用于具有特殊变形、破坏特性的岩类，如具有膨胀性强的岩类、易溶蚀的盐岩等。

3)BQ法对开挖跨度>20 m的大型洞室，应保持谨慎态度，建议采用与多种评价方法结合办法。

4)BQ法的定性评价与定量评价结果局部存在不一致现象时，应根据现场实际开挖情况综合选取。 HC法[14](GB50287-2006)作为水电系统行业规范，由中国电力企业联合会主编，最新于2006年修编。

2 工程概况

锦屏一级水电站为双曲拱坝(图1)，最大坝高305 m，电站装机3 600 MW，安装 6台单机容量600 MW的发电机组。电站左岸1 670 m～1 885 m高程段设5层为基础处理施工廊道，左岸基础处理范围水平埋深约400 m，垂直范围约300 m，上下游区域约400 m。

图1 锦屏一级水电站鸟瞰图Fig.1 Aerial view of Jinping hydropower Station

3 岩体质量等级定性分析成果

以锦屏一级水电站左岸基础处理工程1 785 m高程为例，以地质宏观岩体质量等级判定为基础，系统布置了地震层析成像及单孔声波测试，分析、整理其检测成果与勘测地质资料对比，总结综合物探检测在岩体质量等级评价过程中的定性化作用。

3.1 试验区工程地质条件

1 785 m高程岩性为主要T2-3Z层中厚～厚层状大理岩，发育断层f5和煌斑岩脉(X)及多条小断层、多条溶蚀裂隙、深裂缝(带)(图2)。

图2 1785 m高程岩体分级分区示意图Fig.2 1785 m elevation rock mass zoning map

f5断层：破碎带宽为4 m～5 m，整体产状N40°～50°E/SE∠70°～75°，破碎带主要成分为碎裂岩、碎块岩及糜棱角砾岩，岩体性状差。

煌斑岩(X)：岩脉宽为2 m～3 m，整体产状N40°～60°E/SE∠60°～70°，岩脉强～弱风化，强风化带厚为10 cm～30 cm，主要分布于上下盘两侧。岩脉裂面锈染，风化。

小断层宽为5 cm～30 cm，主要走向近EW，部分为NE向，破碎带成为主要为碎裂角砾岩及糜棱岩，强风化，主要发育于砂板岩中。

深裂缝主要为Ⅳ～Ⅲ级，该试区深裂缝呈条带状发育，部分单条发育。据1 785 m高程岩体整体质量情况，可大致划分为5个区(图2)：①区宽为10 m～15 m，呈带状分布于断层f5和f8两侧；②区宽为8 m～15 m，呈带状分布于煌斑岩脉及两侧；③区宽约10 m，与煌斑岩脉近平行分布于山里侧；④区长约60 m，宽约10 m的条带，溶蚀裂隙、深裂缝发育，位于帷幕洞于施工次通道交叉部位；⑤区宽约10 m，平行于煌斑岩脉，距煌斑岩脉山里侧方向以里50 m～70 m。

3.2 试验区地震层析成像成果

1 785 m高程完成抗力体岩体质量地震波层析成像检测6组，分别位于固结灌浆灌浆洞、抗剪传力洞、帷幕洞、坝基排水洞间，地震波层析成像检测成果见图3。

图3 锦屏一级水电站1 785 m高程 地震层析成像检测成果图Fig.3 1785 m elevation seismic tomography detection results for Jinping hydropower Station

由图3可以看出，岩体波速低，岩体质量差，波速小于3 500 m/s测点的比例40%。分4个低波速区：1区与f5断层呈条带状分布，稍有偏离；2区与煌斑岩脉及其两侧Ⅳ2级岩体分布趋势一致，宽度稍大，岩体地震波波速为2 000 m/s～3 500 m/s；3区显示山里侧与煌斑岩脉平行发育的Ⅳ2岩体；4区位于施工次通道山外侧与帷幕洞交叉部位。以上低波速区域与1 785 m高程岩体质量等级分区趋势基本一致。

3.3 试验区单孔声波波速成像成果

1 785 m高程抗力体内固结灌浆平洞在左、右边墙各布置1排测试孔进行单孔声波连续测试，测试孔间距为1.5 m；声波测试孔布置在离底板高约3 m处，测试孔为下斜孔，下斜5 m～100 m，孔径>50 mm，孔深为8 m及12 m间排布置。分析、整理1 785 m高程单孔声波测试成果，形成1 785 m高程单孔声波波速成像成果图见图4。

图4 锦屏一级水电站1 785 m高程 单孔声波波速成像成果图Fig.4 1 785 m elevation single hole acoustic wave velocity imaging results

由图4可以看出，岩体低波速区分布较多，显示该层岩体质量较差，总体呈规律性分布，显示4个低波速区域：1区呈条带状，与f5断层分布趋势一致，岩体单孔声波波速为3 000 m/s～4 000 m/s；2区呈条带状，与煌斑岩脉及其两侧Ⅳ2级岩体分布趋势一致，岩体单孔声波波速为2 500 m/s～4 000 m/s；3区显示山里侧与煌斑岩脉平行发育的Ⅳ2岩体基本一致；4区位于施工次通道山外侧与帷幕洞交叉部位。以上低波速区域与岩体质量等级划分区位置基本一致。

4 岩体质量等级定量分析成果

针对1 785 m高程区域性定性分析成果，对差异岩体质量等级区域进行区域性单孔声波波速、钻孔全景图像及钻孔变形模量模分析、整理，形成各级岩体岩级与物探检测指标(声波、钻孔变模)的对应关系，从而建立岩体质量等级物探指标的量化标准。

4.1 各级岩体物探指标特征

Ⅱ级岩体波速曲线总体变幅小，仅局部出现小锯齿状低波速的测点，说明岩体成分较均匀(图5)；Ⅱ级钻孔孔壁规则，平整、光滑；裂隙不发育，图像表现为缝隙少，局部裂隙轻微锈染，呈现浅褐黄色，总体表现为新鲜岩体的色调(图6)。

Ⅲ1级岩体波速曲线呈稍明显锯齿状，局部小段变幅较大，反应岩体整体均一性总体较好，局部较差(图7)；Ⅲ1级岩体孔形完好，无明显空腔(岩体与砼接触带空腔例外)；孔壁较平整、光滑，裂隙较发育，呈现一定量的缝隙，裂隙张开不明显，总体表现为新鲜岩体的色调(图8)。

Ⅲ2级岩体声波测试曲线出现一定比例大跳跃低波速带，岩体裂隙发育，裂隙张开明显(图9)；Ⅲ2级岩体裂隙发育，裂隙明显张开，岩体弱风化(弱卸荷)～微新鲜；整体岩体完整性差(图10)。

Ⅳ2级岩体波速曲线类似大方波形式呈现；出现明显段长大于1 m的低波速带，低波速带波速3 000 m/s左右(图11)；Ⅳ2级岩体孔壁粗糙，伴随明晰那掉块迹象，裂隙发育，裂隙多伴随夹泥(填充泥膜)、锈染迹象，岩体较破碎～完整性差(图12)。

图5 II级岩体典型单孔声波曲线Fig.5 Typical single hole acoustic curves for Ⅱ rock mass

图6 Ⅱ级岩体典型钻孔全景图像Fig.6 Typical borehole panoramic image for Ⅱ rock mass

图7 Ⅲ1级岩体典型单孔声波曲线Fig.7 Typical single hole acoustic curves for Ⅲ1 rock mass

图8 Ⅲ1级岩体典型钻孔全景图像Fig.8 Typical borehole panoramic image for Ⅲ1 rock mass

图9 Ⅲ2级岩体典型单孔声波曲线Fig.9 Typical single hole acoustic curves for Ⅲ2 rock mass

图10 Ⅲ2级岩体典型钻孔全景图像Fig.10 Typical borehole panoramic image for Ⅲ2 rock mass

图11 IV2级岩体典型单孔声波曲线Fig.11 Typical single hole acoustic curves for IV2 rock mass

图12 IV2级岩体典型钻孔全景图像Fig.12 Typical borehole panoramic image for IV2 rock mass

4.2 岩体质量等级物探指标的定量化

根据差异性岩体单孔声波波速及钻孔变模值的特征，综合分析、整理左岸基础处理工程岩体声波及变模值成果，形成左岸基础处理工程各质量等级岩体与物探检测指标的对应关系见表1。

4.3 岩体质量等级物探指标的相关关系研究

4.3.1 单孔声波与对穿声波

由于单孔声波、对穿声波在岩体中的穿透距离不同及岩体各向异性，导致两种测试方法对裂隙反映稍有差异，整理坝区工程物探资料可得对穿声波Vcp与单孔声波Vp的相关关系为式(1)。

Vp=0.8568×Vcp+955.81

(1)

单孔声波速度与对穿声波速度间的对应关系表2。

4.3.2 钻孔变形模量与单孔声波

对坝区岩体的单孔声波Vp、钻孔变模E0k筛选后形成Eok-Vp数据对，作出散点图，形成钻孔变模与单孔声波关系图。回归形成回归公式为式(2)。

Eok=0.001×Vp4.087

(2)

4.3.3 岩体变形模量与单孔声波

利用坝区灌排洞完成的承压板成果和配套声波测试数据，得到岩体承压板变模值Eo50与单孔声波Vp相关关系为式(3)。

Eo50=0.00084×Vp5.84406

(3)

4.3.4 承压板变形模量与钻孔变形模量

利用承压板变模(Eo50)和单孔声波(Vp)、钻孔变模(Eok)和单孔声波(Vp)的关系，运用各岩级单孔声波的分级界线分别计算变形模量(Eo50)值与岩体钻孔变模(Eok)值，对比成果见表3。

表1 锦屏一级水电站左岸基础处理工程各级岩体与物探检测指标对应关系表

表2 单孔声波速度与对穿声波速度的比较

表3 岩体钻孔变模Eok值与承压板变形模量Eo50值关系对比表

5 结论

通过综合物探检测在锦屏一级水电站坝址区岩体质量等级评价过程中，能够系统、准确地对坝址区岩体质量等级进行区域性定性评价，在定性评价的基础上，针对差异性质量等级岩体进行系统分析、整理，形成差异性岩级与单孔声波、钻孔全景图像及钻孔变模的对应关系，从而建立岩体质量等级物性指标的量化标准,构建完整质量评价体系，为后续类似工程提供岩体质量等级划分的思路，对工程建设意义重大。

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Qualitativeandquantitativeeffectsofrockmassgradeevaluationusingsystematicgeophysicalprospecting

LIU Mingchang

(Yalong River Hydropower Development Company, Ltd.,Chengdu 610051 China)

The hydropower resources have been improved with the development of China's economy in western China. In the process of hydropower project construction, it is very important to evaluate the rock mass quality in the dam site. The systematic and accurate evaluation of rock mass quality in the dam site area is then of great significance to guide the construction of the project and ensure the quality of the project. The qualitative and quantitative study on the rock mass quality of the dam foundation of Jinping hydropower station is carried out by using the methods of seismic tomography, single hole acoustic wave and borehole variable mode, and establishment of their relationship. We verify the rationality of rock mass classification using borehole panoramic image. The research results show that the integrated geophysical exploration can be used to evaluate the rock mass quality of hydropower station,and it can be used for reference in similar projects.

integrated geophysical exploration; rock mass grade; single hole acoustic wave; seismic tomography

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.05.15

2017-04-18 改回日期： 2017-05-17

刘明昌(1974-)，男，高级工程师，主要从事水电工程建设及运行管理工作，E-mail：445987874@qq.com。

1001-1749(2017)05-0677-07