三河口大坝坝基岩体波速特征及爆破影响分析

赵力　董鹏　宋晓峰等

关键词：坝基;岩体质量;声波波速;电磁波CT;爆破开挖;三河口大坝

中图分类号：TV221 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.026

引用格式：赵力，董鹏，宋晓峰，等.三河口大坝坝基岩体波速特征及爆破影响分析[J].人民黄河，2022，44（3）：133-137，164.

拱坝作为一种重要的挡水建筑物，可以利用拱的作用将水压力传递到河谷两岸的基岩，兼具良好的安全性和经济性。坝基岩体质量一直是拱坝设计和分析中关注的重点之一，尤其对于高拱坝结构。大坝及基础长期承受巨大的水荷载、风荷载及水位变化、渗流作用等，也可能遭遇地震、泥石流等不良地质灾害，存在基础滑移、失稳破坏等安全风险[1-3]。坝基岩体质量主要受岩性、地质构造、岩体完整性、爆破开挖等因素影响[4]。为提前判别坝基岩体质量，及时处理地质隐患，声波检测技术得到应用[5-7]，基于声波特征开展坝基岩体质量及爆破影响分析具有重要意义[8]。

对坝基岩体声波检测的研究，许多学者做了大量工作。夏开宗等[9]引入Hoek-Brown准则，建立了由岩体波速预测岩体力学参数的新方法。张文举等[10]对断层破碎带、风化及开挖影响区等不同条件岩体固结灌浆前、后波速进行分析，建立了固结灌浆后岩体波速提高率与灌浆前岩体波速之间的关系。许琦等[11]基于乌东德水电站建立了坝基岩体变形模量与单孔声波的相关关系。陈康达等[12]基于青海玛沁地区玛尔挡水电站研究了坝基岩体岩石质量指标、波速和透水率的关系。李雷等[13]對云南石门坎水电站坝基岩体变形模量与波速进行拟合分析，得出岩体变形模量与波速关系呈一阶递增指数函数为最优。张凤等[14]基于声波测试技术，对坝基岩体爆破松弛、岩体质量分级等进行了研究。王双龙等[15]研究了建基面岩体表层低波速带分布特征及其成因。李维耿等[16]在小湾水电站采用了超声波、钻孔变形模量和全孔壁数字成像等物探检测技术手段，揭示了坝基岩体波速分布特征、波速衰减特征、裂隙发育规律等。易毅等[17]采用声波测试方法对大岗山水电站坝基岩体开挖完成后的岩体质量进行了评价。唐云娟等[18]通过综合物探对水电站高拱坝坝基爆破开挖卸荷松弛及岩体质量开展了检测，得到了坝基岩体波速、松弛深度、应力释放时间等参数。张春安等[19]开展了大岗山拱坝建基面开挖爆破声波检测，给出了开挖爆破对建基面影响程度的量化指标。

本文针对引汉济渭工程三河口大坝，综合采用声波测试、电磁波CT探测等手段，分析了坝基岩体钻孔波速特征及电磁波CT特征规律，通过对比爆破开挖前、后的波速，分析了坝基岩体在爆破开挖作用下的影响深度，基于波速分布特征论证了坝基岩体质量。

1工程概况

引汉济渭工程是国家“十三五”期间172项重大水利工程之一，其中三河口水利枢纽作为引汉济渭工程的调蓄中枢，位于佛坪县与宁陕县交界的子午河峡谷段，总库容为7.1亿m，主要调蓄子午河来水及通过泵站抽调入库的汉江干流水量。三河口水利枢纽大坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程646m，坝顶宽9m，最大坝高141.5m，坝顶弧长472.153m。坝基岩体风化程度较低，坝基岩性以变质砂岩为主，局部夹有大理岩，饱和抗压强度在60MPa以上，坝基应力场以水平应力为主[20]。岩体结构以厚层、中厚层状结构为主，构造类型为断层、蚀变带及裂隙，河谷段高程506.0m附近坝基地表出露f44、f45、sf11、sf12断层。f44、f45断层大体从河谷坝基的中下区域横穿河谷，sf11断层从河谷坝基左侧顺河向发育，sf12断层沿着坝基上游发育至坝基中部。

2声波波速特征分析

大坝开挖至高程515.0m，在河床坝基开展钻探工作，布置8个钻孔ZK1～ZK8，孔底高程495.0m，钻孔的平面位置如图1所示。

根据ZK1～ZK8钻孔的孔内电视摄像成果及钻孔岩芯对钻孔岩体结构进行划分，河谷坝段岩体结构以厚层、中厚层状结构为主，局部断裂构造及裂隙发育区段为互层结构。对钻孔岩石质量指标RQD进行统计表明：河床坝基503.5m高程以上，钻孔岩芯RQD指标普遍偏低，该高程以下RQD在56%～83%之间，相对较高，局部RQD偏低是断层带及影响带岩体完整性差引起的。河谷段坝基高程515.0m以下岩体为弱风化-微风化带，弱风化下限高程一般在503.6～509.5m之间，岩体变形模量及声波波速见表1。

岩体声波波速能够反映岩体性质，波速高，表明岩体内部较致密;当岩体存在较多节理、裂隙等内部缺陷时，波速降低。根据三河口大坝初步设计成果，建基面变形模量控制为15GPa，结合类似工程坝基岩体变形模量与波速的相关关系[11-13]及表1，建基面变形模量为15GPa时相应波速达到4300m/s，考虑到可采用固结灌浆进一步提高岩体质量[10]，通过现场试验得到固结灌浆可使岩体质量提高约30%，因此为了使坝基岩体能够满足三河口大坝建基面的设计要求，其波速应为3400m/s以上。

对ZK1～ZK8钻孔进行孔内声波波速测试，ZK1～ZK8钻孔声波波速随高程变化曲线见图2。对于ZK1钻孔，高程低于504.5m的岩体波速值普遍较高且稳定，随着高程提高，高程在504.5m以上的岩体波速波动较大，波速小于4300m/s的点数占比68.1%。对于ZK2钻孔，高程小于509.7m的岩体波速整体较高，局部波速较低段为裂隙发育段;高程大于509.7m的岩体波速呈减小趋势，波速小于4300m/s的点数占比84.6%，推测是受爆破开挖的影响所致。对于ZK3钻孔，高程小于505.6m的岩体波速整体较高，孔内电视摄像成果显示岩体完整，裂隙不发育;高程大于505.6m的岩体波速变化较大，波速小于4300m/s的点数占比69.7%，孔内电视摄像成果显示该段裂隙发育。对于ZK4钻孔，高程小于505.8m的岩体波速整体较高，波速在4444～5405m/s之间，孔内电视摄像成果显示岩体完整，裂隙不发育;505.8m高程以上的岩体波速变化较大，波速小于4300m/s摄像成果点数占比40%，孔内电视摄像成果显示该段有裂隙发育。对于ZK5钻孔，高程大于509.0m的岩体波速变化较大，裂隙较发育;高程小于509.0m的岩体整体波速较高，局部段裂隙发育，波速偏低，其中高程502.0～503.0m段发育2条裂隙，波速偏低，高程496.0～497.2m段受裂隙发育影响，波速低。对于ZK6钻孔，岩体波速整体偏低，波速变幅大，其中高程503.6m以上、501.0m以下裂隙较发育、波速偏低。对于ZK7钻孔，高程小于511.5m的岩体波速较高且基本稳定，局部测点因存在裂隙而波速偏低;高程511.5m以上波速整体偏低，主要是受爆破开挖及裂隙影响所致。对于ZK8钻孔，高程小于498.0m时受构造影响，岩体破碎、波速低;高程大于511.7m时受开挖爆破影响，岩体波速偏低;高程498.0～511.7m段岩体波速较高且稳定。

综上所述，各钻孔上部位置岩体波速均较低，达到一定高程（504.5～511.5m）后，岩体波速显著下降，原因是受爆破开挖和裂隙的影响;下部位置尤其是高程504.5m以下岩体的波速高且稳定，岩体完整性较好，与勘察得到的钻孔岩芯RQD指标和变形模量较高的结论相符;局部岩体波速低于4000m/s，原因是附近断层、裂隙等构造导致岩体结构完整性较差，与勘察得到的受构造影响岩体风化深度较大的结论相吻合。

3电磁波CT特征分析

为进一步查明坝基岩体完整性的空间分布，大坝开挖至高程506.0m时，对坝基进行了电磁波CT测试，根据电磁波CT实测结果，对电磁波检测异常部位增补了跨孔波速测试。

电磁波CT衰减系数值越大，岩体越破碎，反之衰减系数值越小，岩体越完整[21-22]。检测剖面水平向1/4～3/4段数据相对可靠，两侧数据误差较大;垂向中部2.5m以上（呈倒三角形区域）及中部8.5m以下（呈三角形区域）数据误差较大。忽略数据误差大的区域，根据电磁波CT测试结果可知，ZK1～ZK2、ZK3～ZK4、ZK1～ZK5、ZK3～ZK7、ZK4～ZK8间岩体的衰减系数整体偏小，表明岩体较完整;ZK5～ZK6、ZK7～ZK8间岩体的衰减系数值整体偏大，表明岩体完整性较差，但不存在断层及局部结构面密集发育区域。

ZK2～ZK3电磁波跨孔CT结果如图3所示。可以看出，ZK2～ZK3间岩体的衰减系数值整体偏大，岩体完整性较差，尤其是图3中坐标（21～24，5.5～6.5）（12～14，5.5～6.5）（两处区域相应高程均为499.0～500.0m）及（33～35，2.8～3.2）（相应高程为502.2～502.6m）区域CT衰减系数大，岩体破碎。对ZK2～ZK3电磁波CT异常区域进行跨孔波速测试可知：电磁波CT在坐标（21～24，5.5～6.5）处波速为2973～3154m/s，电磁波CT在坐标（12～14，5.5～6.5）处波速为3352～3965m/s，结合地质测绘结果可知该区域受断层sf12影响。综上，上述区域岩体裂隙较为发育，岩体破碎，电磁波CT测试与跨孔波速测试结果吻合，即电磁波CT红色区域对应波速≤3300m/s，橙色区域对应波速在3300～4000m/s之间。

分析ZK6～ZK7电磁波跨孔CT测试结果可知，ZK6～ZK7间岩体的衰减系数整体偏大，岩体完整性差，高程498.5～501.0m区域岩体衰减系数极大。对ZK6～ZK7电磁波CT异常区域进行跨孔波速测试可知：高程498.5～501.0m区域波速在3289～3899m/s之间，电磁波CT红色区域对应波速≤3300m/s，橙色区域对应波速在3300～3900m/s之间。电磁波CT测试与跨孔波速测试成果吻合，结合地质剖面分析认为该区域受断层f45影响，岩体极破碎。

分析ZK2～ZK6电磁波跨孔CT测试结果可知，ZK2～ZK6间岩体衰减系数相对较大，岩体整体完整性较差，高程499.0～500.0m区域岩体衰减系数极大，结合测绘结果可知，该区域受断层sf13影响，岩体较为破碎。对ZK2～ZK6电磁波CT异常区域进行跨孔波速测试可知：高程499.0～500.0m区域波速在3175～3992m/s之间，电磁波CT橙色区域对应波速在3300～3900m/s之间，结合地质剖面分析认为该区域受断层sf13影响，岩体极破碎。

综上可见，坝基岩体大部分测试位置衰减系数较小，仅局部区域衰减系数较大，表明坝基岩体整體完整性较好。衰减系数大的破碎岩体区域主要分布于高程498.5～501.0m;钻孔ZK1～ZK2、ZK3～ZK4位置的衰减系数整体较ZK5～ZK6、ZK7～ZK8的小，由此可知河谷坝段上游边界的坝基岩体完整性优于下游边界的，其原因主要在于下游边界地表距断层f44、f45较近，在构造作用下岩体完整性较差;平行河流方向上，靠近左右岸的坝基岩体完整性要好于中间岩体，表现为左岸边界ZK1～ZK5、右岸边界ZK4～ZK8位置的衰减系数明显小于河床部分ZK2～ZK6的;根据部分电磁波CT与跨孔波速对比，电磁波CT红色区域对应波速≤3300m/s，橙色区域对应波速在3300～3900m/s之间。

4爆破开挖对坝基岩体的影响

大坝开挖至高程515.0m左右，对坝基钻孔进行了第1次波速测试，此时高程506.0m以下坝基岩体波速能够代表岩体的初始状态;当大坝开挖至506.0m时，对坝基钻孔ZK1～ZK8进行第2次波速测试，此时爆破开挖会对坝基岩体产生影响。采用波速比来反映爆破后岩体波速的变化，通过分析波速比的变化规律，探究爆破开挖对坝基岩体的影响。波速比计算公式为

式中：n为波速比;v为大坝开挖至高程515.0m时所测得的岩体波速;v为大坝开挖至506.0m时所测得的岩体波速。

爆破开挖前，岩体未受外界扰动，声波速度取决于岩体自身的组分、结构、裂隙分布等;爆破开挖后，冲击荷载会导致表部岩体出现损伤劣化，原有裂隙加剧，甚至形成新的裂隙，岩体物理力学性质变差，声波在岩体中的传播速度降低。

分析钻孔ZK1、ZK2、ZK3、ZK4两次测得的岩体波速的比值可知：对于ZK1钻孔，在503.53m高程位置波速比为0.84，在503.53m高程以下波速比接近1，而在503.53m高程以上波速比明显减小，由此可知，其爆破影响下限高程为503.53m，此高程以上受爆破开挖影响岩体结构较破碎;对于ZK2钻孔，在503.14m高程位置波速比为0.89，此高程以上波速比减小，在高程504.54m处波速比为0.76，其爆破影响下限高程为503.14m。对于ZK3、ZK4钻孔，在高程504.80、504.15m以上岩体的第2次波速值较第1次波速值明显偏小，该高程以下岩体两次波速值相当，因此认为ZK3、ZK4钻孔爆破影响下限高程分别为504.80、504.15m。

分析钻孔ZK5、ZK6、ZK7、ZK8两次测得的岩体波速的比值可知：对于ZK5钻孔，在504.24m高程位置波速比为0.68，此高程以下岩体波速比增大至1.0左右，此高程以上岩体波速比明显减小，其爆破影响下限高程为504.24m。对于ZK6钻孔，在504.25m高程位置波速比为0.82，此高程以上波速比减小，在高程504.85时波速比降为0.5，其爆破影响下限高程为504.25m。对于ZK7、ZK8钻孔，分别在高程503.71、505.32m以上岩体第2次所测波速较第1次所测波速明显偏小，因此认为ZK3、ZK4钻孔爆破影响下限高程分别为503.71、505.32m。

钻孔爆破影响深度汇总见表2。

在河床坝基进行了15组跨孔波速补充测试，绘制了波速—孔深曲线，发现波速—孔深曲线均存在突变现象，坝基岩体浅部位置波速较小，随着孔深增大到一定位置，波速突然显著增大。浅部位置波速较小的原因是岩体在爆破开挖作用下出现不同程度损伤，而爆破影响下限高程以下岩体未出现爆破损伤，结构致密，波速突然变大，因此爆破影响下限高程可根据波速突变位置分析得出。

根据钻孔ZK1～ZK8爆破前后声波检测数据及跨孔波速测试结果，绘制不同位置的爆破影响深度直方图，可知爆破开挖在不同位置坝基岩体形成了不均匀的影响深度，爆破开挖对坝基岩体的影响深度平均值为1.12m，一般在2.0m以内，超过2.0m的约占6.25%。

同样，根据坝基岩体的声波测试结果，绘制不同位置的爆破影响下限高程直方图，可知不同位置坝基岩体存在不同的爆破影响下限高程。爆破开挖对坝基岩体的影响下限高程平均值为504.43m，爆破影响下限高程在504.5m以下的约占50%，在504.0m以下的约占18.75%。受爆破影响的坝基岩体应清除松动的岩块，避免混凝土浇筑与岩体存在薄弱结合面。

根据波速测试结果可得坝基岩体在高程504.5、504.0m的波速分区图，如图4、图5所示（v为波速），进一步计算得出高程504.5、504.0m处岩体波速面积（剔除断层区域）百分比，见表3。

可知，高程504.5m处，波速高于3400m/s的坝基岩体区域面积占比达到81.5%，其中波速高于4300m/s的占72.1%;高程504.0m处，波速高于3400m/s的岩体区域面积占比达到90.6%，其中波速高于4300m/s的占79.5%。波速高于4300m/s的区域岩体结构较完整，波速高于3400m/s的岩体区域面积占比均在80%以上，通过固结灌浆处理可基本满足坝基设计要求。

5结论

（1）坝基岩体受爆破开挖和裂隙的影响，下部位置尤其是高程504.5m以下波速高且稳定，岩体完整性较好，局部岩体波速低于4000m/s，岩体完整性较差，主要是附近断层、裂隙等构造导致的。

（2）坝基岩体整体电磁波CT衰减系数较小，仅局部岩体衰减系数较大，分布高程主要在498.5～501.0m之间;河谷坝段上游边界的坝基岩体完整性优于下游边界的，靠近左右岸的坝基岩体完整性优于坝段中部的，电磁波CT红色区域对应波速≤3300m/s，橙色区域对应波速在3300～3900m/s之间。

（3）坝基岩体爆破影响深度主要在2.0m内，影响深度下限高程主要在504.0m以上。坝基高程504.5m处，波速高于3400m/s的岩体区域面积占比达81.5%，其中高于4300m/s的占72.1%;高程504.0m处，波速高于3400m/s的岩体区域面积占比达90.6%，其中波速高于4300m/s的占79.5%。波速高于4300m/s的區域岩体结构较完整，波速高于3400m/s的岩体区域面积占比均在80%以上，通过固结灌浆处理可基本满足坝基设计要求。

【责任编辑 张华岩】