仙人洞水库坝基质量单孔声波测试分析

何帮静

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000)

1 概 述

工程岩体的完整性及工程特性研究，对于水利水电工程建基面选择、地基处理及工程材料合理利用均具有重要意义[1]。水库坝基在开挖过程中，开挖扰动、岩体结构变动势必会引起岩体开挖面的力学特性改变，相应应力会出现重新分配和释放。以往中小型水库地质勘察主要采用局部钻探和人工探井等定性方法进行分析，而忽视岩体爆破开挖、施工扰动等引起的地质构造、物理力学特性改变等对岩体的影响。为获得准确反映被测岩体介质结构和致密完整性，以满足工程设计、现场施工需要的详实数据，定量分析评价岩体质量尤为重要。声波探测通过测定被测岩体中声波的传播速度、振幅、频率等声学指标及变化规律[2-3]，可对地基岩体风化界线和岩溶发育范围进行准确定量评估，及时反馈检测数据以指导工程设计优化和施工调整，确保工程安全可靠、高效优质地施工建设。

2 仙人洞水库概况

2.1 工程概况

仙人洞水库位于黔西县红林乡东部大洞口村北侧苦李冲，距黔西县城36km。水库为烟区灌溉和乡村供水的综合利用工程，由水源工程、输水工程等组成。水库正常蓄水位为1484.00m，相应库容为87.7万m3，校核洪水位1485.75m，总库容为108万m3，最大坝高28.6m。水库主要枢纽建筑物包括混凝土面板堆石坝、溢洪道、取水建筑物等，仙人洞水库为小(1)型Ⅳ等工程。

2.2 地层岩性

出露地层有三叠系下统夜郎组第三段(T1y3)、永宁镇组第一段(T1yn1)，以及第四系(Q)覆盖层，从新至老分述如下：

a.第四系覆盖层(O)。灰色、黄灰色及褐色残坡积黏土及冲洪积砂、黏土夹碎石等，厚度0～3.0m，其中残坡积物主要分布在地势平缓的坡地；冲洪积物主要分布在河床。密实程度为稍密—中密状态，成分主要为泥岩、灰岩冲洪积物，砾石强度较高，其中，漂石约占10%，卵石约占5%，砾石约占15%，粗细砂约占10%，黏土约占60%。

b.三叠系永宁镇组第一段(T1yn1)。灰色薄至中厚层灰岩、白云质灰岩，厚285～317m，分布于坝址两岸及下游。

c.三叠系夜郎组第三段(T1y3)。上部为紫红色、灰绿色泥质砂岩夹灰色泥晶灰岩，下部为黄绿色粉砂岩、泥岩，厚260～300m，分布于河床。

3 坝基岩体声波测试分析

3.1 测试原理

仙人洞水库工程施工阶段采用单孔声波测试，即利用一发双收换能器在同一钻孔内测试孔壁声波的纵波波速、振幅、频率等声学参数，以查明钻孔内裂隙情况，并确定岩体的完整性，其测试框图见图1[4-5]。

图1 声波测试原理

将一发双收换能器置于岩体钻孔的中心，发射换能器T发射声波，满足入射角等于第一临界角的声线，在岩体孔壁的声波折射角将等于90°，即声波沿着钻孔壁滑行，然后又分别折射回孔中，由接收换能器R1和R2分别接收(也可称其为折射波法)，其函数表达为

Δt=t2-t1

(1)

式中t2——T传播到R2的声波传播时间；

t1——T传播到R1的声波传播时间；

vp——孔壁介质的声速。

由于岩性的不同，声波传播速度也不同，就是同一种岩性的岩体也会因其风化程度、完整状态的不同而导致声波传播速度的不同[6]。因此，声波纵波波速是判别岩体风化程度、完整性的重要参数之一。

3.2 纵波测试钻孔布置

仙人洞水库工程坝基根据岩土体分布情况，在6个区域共布置18个钻孔，采用数字化处理系统获取钻孔孔壁各测试点的波速、振幅、频率等声学参数。坝基岩体纵波现场检测钻孔位置见图2。

图2 坝基岩体纵波检测钻孔布置平面

钻孔内声波检测采用RS-ST01C型非金属声波测试仪，设备安装调试好后，采用一发双收从孔口套管处自上而下按50cm间隔逐级向钻孔深部测试，然后从孔底自下而上仍按50cm间隔向孔口进行数据复核，确保测试结果的完整性和准确率。

3.3 声波检测成果分析

根据《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL 55—2005)，岩体完整程度的划分主要依据岩体完整性系数，其函数表达为

(2)

式中vp——岩体纵波速度，实测值，m/s；

vpr——未风化岩块的纵波速度标准值，m/s。

现场取典型钻孔钻取的未风化岩块，经切磨、制样后得泥岩岩块9件。通过声波测试分析，得到泥岩岩块纵波波速值为vpr=4230m/s。岩体完整程度分级评价指标见表1。

表1 岩体完整程度分级评价指标

经检测，获得6个区域18个钻孔的声波测试数据，见表2。

表2 钻孔声波测试分析成果

续表

限于篇幅，每个区域选择1个典型钻孔的声波测试曲线进行分析，见图3。

图3 6个区域典型钻孔声波测试曲线

从表2和图3可知，同类岩体波速值总体呈浅部波速值低、深部波速值高的趋势，岩体完整性逐渐变好，未发现连续波速低值，局部异常为岩体裂隙发育。18个钻孔中孔号1-1、1-3共2个钻孔岩体较破碎；孔号1-2、2-2、2-3、6-1、6-2以及6-3共6个钻孔岩体完整性差，其余10个钻孔岩体较完整。1区、2区和6区基岩弱、微风化层岩溶较发育，岩体整体性较差，需采取帷幕灌浆等防渗措施进行处理。

4 结 论

钻孔内孔壁声波检测可在垂直方向准确反映基岩岩体的构造、裂隙和岩溶情况，便于地勘人员准确判断岩体的完整程度。仙人洞水库施工阶段，采用钻孔单孔声波检测及时、准确地查明了钻孔内裂隙发育情况并判定了坝基岩体的完整性，为工程设计优化和施工调整提供了重要依据。