综合物探方法在水电站坝基岩体检测中应用

田文显

贵州乌江清水河水电开发有限公司 贵州贵阳 550081

水电大坝作为挡水建筑物，大坝是否安全至关重要。大坝基础的岩体质量是整个大坝工程的基础和关键，大坝的基础满足设计和规范要求是前提条件。在坝基岩体质量复核与评价体系中，常采用单孔声波、跨孔声波、钻孔变模和钻孔录像的物探手段，查明建基面岩体的物理力学参数和结构面发育特性，并对坝基岩体质量进行评价。

本文以某水电站坝基开挖物探检测实施和成果，通过对单孔声波、跨孔声波、钻孔变模、钻孔全景数字成像检测和声波CT等综合物探成果资料的综合分析，查明坝基岩体波速衰减率、爆破松弛深度、波速、变形模量等力学参数和裂隙宽度、走向等地质特征，为综合评价坝基岩体质量、建基面优化、地质缺陷处理、基础灌浆设计、坝基岩体稳定复核评价等提供了技术支持[1]。

1 工程概况及地质条件

该水电站枢纽建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物、引水发电系统及升压站等组成。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程3451．00m，最大坝高 118．0m，坝顶长 371．0m。

工程区位于青藏高原中南部高山深谷区，为冈底斯-念青唐古拉地层区南部，与雅鲁藏布江构造岩石地层区毗邻。区内沉积岩、岩浆岩、变质岩均有出露，其中以岩浆岩、变质岩相对发育，未变质的沉积岩相对较少，地层岩性复杂[2]。坝基主要出露岩性为喜山期黑云母花岗闪长岩，灰白色，中细粒花岗结构为主，块状构造。基岩岩石致密且强度高，但节理裂隙较发育。左岸岩体差于右岸，整体岩石较完整。

2 检测方案

2.1 检测方法

使用的检测方法有：单孔声波法、跨孔声波法、钻孔变形模量法、钻孔全景数字成像法和声波CT等。各种检测方法的原理，许多学者已做了详细的研究和推导，本文不再重复叙述，只是介绍各种方法在本项工作中综合检测取得的成果和积累的经验技术。

2.2 检测布置

在1#-17#坝段共布置了60个钻孔开展爆破松弛深度及岩体质量检测工作，检测孔布置见图1。其中BP钻孔在开挖至坝基基岩面之前最后1次梯段爆破之前（一般为2m）进行爆前检测，开挖至建基面高程后进行爆后检测；YT钻孔进行岩体质量单孔声波和钻孔全景图像检测；BP钻孔和相邻的YT钻孔（一般间距为5m）进行跨孔声波检测，同时按照20%的比例抽取YT钻孔进行钻孔变模检测[3]。

3 检测成果及分析

3.1 松弛深度

对BP钻孔在爆前和爆后均进行了单孔声波测试，按照坝段（其中7#-10#坝段统一按照河床坝段进行归类）对平均波速、波速平均衰减率进行了分类汇总，分段平均波速汇总表见表1，分段平均衰减率见表2。

检测成果揭示，爆后波速范围为3321-5500m/s，平均波速为4590m/s，右岸坝段的波速要高于左岸坝段，这与测区地质条件相符；爆后大部分波速与孔深曲线在距孔口0．8-1．4m直接出现明显拐点或振幅信号明显减弱现象，浅部岩体波速与振幅均明显比深部岩体低，爆破松弛与应力卸荷共同作用形成的松弛带深度范围为0．8-1．4m，即爆破对0．8-1．4m深度范围内岩体影响较大；0-1m深度范围内波速衰减率在4．1-13．8%左右，平均衰减率为8．75%，属于正常的松弛影响，在后续固结灌浆工作中可进行加固处理[4]。

表1 该水电站爆破声波孔各坝段平均波速分段统计表

表2 该水电站爆破声波孔各坝段波速平均衰减率分段统计表

表3 该水电站建基岩体波速与变模对应关系表

3.2 岩体波速

图2 该水电站坝基单孔声波波速三维柱状图

将单孔声波和跨孔声波测试的波速汇总进行插值分析（网格1×0．5m），得到不同桩号剖面在不同高程范围波速分布等值线图；对波速进行插值计算（三角插值法，网格1×1×0．5m），可建立该水电站坝基波速分布三维模型；对体数据进行切片可得沿高程方向的波速分布等值线图[5]。该水电站坝基岩体单孔声波波速三维柱状图如图2所示，坝基波速分布三维体积模型图如图3所示，沿不同高程的波速分布等值线切片图如图4所示。

图3 该水电站坝基声波波速分布三维体积模型图

图4 该水电站沿不同高程的波速分布等值线切片图

结合声波的成果图表，可得：左岸坝段岩体波速平均值低于右岸坝段，这也与测区地质情况相符；河床坝基建基面以下低波速区域（波速小于4050m/s）随高程降低而减少；平面上，低波速区域相对集中在左岸5#-10#坝段；深度方向上，5#-6#坝段低波速区域主要分布在EL3350m以上，7#-10#坝段低波速区域主要分布在EL3338m以上，11#坝段低波速区域主要分布在EL3340m以上。

3.3 岩体变形模量

（1）根据选取岩体完整性不同的坝段的各个钻孔进行变形模量测试，得到坝基岩体变形模量范围为7．04-16．89GPa，平均值为 11．15GPa；

（2）在有限的数据基础上建立起本工程坝基测试段钻孔变形模量与声波素的关系式为：，经回归计算得出参数a、b及相关系数。本工程坝基岩石钻孔变形模量与声波速度的相关关系曲线如图5所示。

经 计 算， 得 出 a=1．61321604×10-8、b=0．000820376（拟合试验实用范围：波速在3540m/s-6030m/s），相关系数R2=0．906761759。由此得出声波速度与钻孔变形模量对应关系如表3。

3.4 钻孔全景数字成像

钻孔全景数字成像可以反映单个钻孔孔壁周边岩体的完整情况和节理、裂隙发育情况，结合位于同一桩号的各个钻孔的孔内成像成果，则可该剖面的节理裂隙分布图，进而推测节理裂隙的发育走向等。图6为同一桩号3个钻孔孔内成像成果图，可以看到从左岸到右岸，岩体破碎的深度逐步向下延伸，该孔段的单孔声波波速也有显著降低。

图5 DG水电站坝基岩石钻孔变形模量与声波速度相关曲线图

结合各种物探方法检测成果综合分析认为：

（1）该水电站坝基岩性单一，陡倾角裂隙较发育，多呈闭合或微张开状；

（2）坝基浅部岩体（近建基面1．4m范围内）受爆破松弛和应力卸荷的影响较大，波速普遍较低，随着深度的增加，岩体质量有显著好转，波速有明显提高，大部分岩体波速大于4500m/s；

图6 典型钻孔全景数字成像成果图

（3）河床坝基除F7断层外，未发现有较大规模呈低速带连续分布的裂隙和构造。

4 结语

通过本次对该水电站坝基岩体检测综合物探方法的应用，查明了岩体的爆破卸荷松弛深度，得到了坝基岩体波速、岩体变形模量等参数，其成果准确可靠，应用效果达到了预期的检测目的，为后续坝基固结灌浆等施工工艺和施工方案设计提供了可靠的物理参数，进而对坝基质量验收和安全评价提供有力的技术支持。采用综合物探方法避免了采用单一物探方法的局限性与多解性，更有利于物探异常的解释，能够胜任多种目的的物探检测，对同类工程具有一定的参考价值和借鉴意义。