花坝水库坝基开挖岩体质量超声波检测分析

(1.德州市水文中心，山东 德州 253016;2.德州市水利局，山东 德州 253000；3.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

1 概 述

岩体是在长期的内力和外力作用下形成的复杂构造、形态和组成的地质体。坝基岩体在开挖、爆破和施工扰动等作用下，原有赋存的平衡条件会发生相应变化，地应力释放及重新分配，会引起岩体性状和物理力学特征改变甚至会造成岩体破坏[1]。坝基岩体风化及施工扰动产生的破坏和分布具有相当不确定性，为降低其对大坝基础工程施工的风险，确保坝基施工质量，急需一种全面、准确的定性探测评估方法。声波检测是弹性波测试中的一种，其通过观测声波在基础岩体中传播的波速、频幅等声学指标，掌握岩体宏观缺陷、组织结构和力学性质，进而准确评估岩体的风化程度和完整性[2-3]。本文采用单孔声波检测技术来定性评估坝基岩体质量，以便为方案优化、坝基处理和施工实践提供翔实的数据支撑，确保工程高效优质地施工建设。

2 坝基质量单孔声波检测原理

近年来，岩体质量声波测试技术广泛应用在水利、水电、隧洞等工程领域，其通过测试声波在不同岩体中传播的波速、频幅来真实反映岩体内部的层次结构与力学性能，进而实现对岩体质量和完整性的定性评价[4]。《水利水电工程物探规程》(SL 326—2005)、《水电水利工程物探规程》(DL/T 5010—2005)、《岩土工程勘测规范》(GB 50021—2001)等均对岩体声波测试给出了明确的技术规定和操作指导，即：测试钻孔中发射声波能量较小且作用时间较短，岩体基本不会发生塑性变形，近似为弹性介质。根据弹性波原理，纵波波速与岩体的岩性、层次结构、风化裂隙和力学特性等指标均有关，其函数表达为[5]

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式中Vp——岩体声波测试的纵波波速；

G——切变模量；

Ed——杨氏纵向弹性模量；

μ——泊松比；

λ——拉梅弹性模量；

ρ——波速传输中岩体密度。

纵波波速是评价岩体质量优劣的重要指标，通过测试钻孔纵波波速即可定性评估岩体质量和完整性[6]。单孔声波检测利用岩体测试钻孔“一发双收”换能器完成，即钻孔外主机控制发射换能器T发射超声波信号，经耦合剂(通常为水)沿孔壁纵向传输，分别经过t1和t2时间由距离L1和L2两处的接收换能器R1和R2接收，利用距离和时间差就能计算出岩体纵波波速[2]，其工作原理见图1。

图1 单孔声波测试工作原理

将现场钻孔测试获得的纵波波形及数据进行记录，经控制器内部模块运算，即可获得钻孔不同测段的纵波波速平均值，然后结合规范定性指标即可判定岩体质量和完整性。岩体钻孔测段纵波波速ΔVp计算公式为

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3 岩体单孔声波测试实例分析

3.1 工程概况

花坝水库是一座以防洪、灌溉为主的Ⅳ等小(1)型水库，总库容738万m3。大坝为沥青混凝土心墙坝，最大坝高53.6m。水库坝址区两岸以陡峻坡地形为主，岸坡地形顺河流发育，地形综合坡度50°。坝址河床及岸坡基岩多裸露，为单斜岩层，岩层产状为缓倾上游偏左岸，为对称性较好“V”形横向河谷结构。坝基基岩主要坐落于中厚层岩屑石英砂岩，两坝肩中厚层石英砂岩、粉砂岩、泥岩各层相间分布。为探明坝基岩体质量，采用单孔声波检测技术来定性评估坝基岩体质量及完整性，以期为后期坝基处理及施工组织提供翔实的数据支撑。

3.2 钻孔布置及测试参数

根据《水利水电工程物探规程》(SL 326—2005)测试要求，结合水库沥青混凝土心墙坝平面布置及坝基物探数据，在大坝迎水面C20混凝土趾墙与坝基交接部位，共布置6个部位18个岩体质量检测钻孔，孔深5m。沥青混凝土心墙坝单孔声波检测钻孔布置见图2。

图2 单孔声波检测钻孔布置

为获得准确的岩体声波测试数据，采用ZBL-U520A非金属超声检测仪进行岩体纵波波速测试，以评估坝基岩体的完整性和风化程度。ZBL-U520A测试系统可以实现单、双通道自动连续快速采集，通道数为“1发射+2接收+1外触发”，最小采集间隔为0.05μs,最大采集长度为1024点。检测工作开始前，首先用清水清洗钻孔，再在钻孔内加入耦合剂水，最后将“一发两收”三个超声换能器分别连接到主机通道上，R1和R2接收换能器距离发射换能器T间的初始距离设置为0.4m和0.6m，并完成测试系统的调零操作。从孔底向孔口逐段测试，点距为20cm。电缆深度标识清晰，严格按每10点校调一次，确保测试数据准确可靠。

3.3 检测结果及分析

基于实测纵波波速求得的完整性系数kv又称裂隙系数，是评价坝基岩体完整程度的重要指标[8]，其具体函数表达为

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式中Vp——待测岩体现场实测的纵波波速，km/s；

Vpr——新鲜完整岩块室内测试的标准纵波波速，km/s。

《水利水电工程物探规程》(SL 326—2005)规范中，将岩体完整性系数划分为完整、较完整、完整性差、较破碎、破碎五大类，具体系数指标见表1[9-10]。

表1 岩体完整性系数指标

水库坝基开挖后，选取岩块样本进行室内声波测试，各测试岩块均为新鲜无卸荷完整岩体，累计完成23组(主频为25kHz)。实验室测试结果表明，测试岩块声波波速范围为4.896～5.132km/s，综合分析确定岩体声波标准值Vpr=4.95km/s。

采用ZBL-U520A非金属超声检测仪，对6个部位18个钻孔逐一进行现场测试，并结合实验室岩体声波标准值Vpr，按式(3)和表1进行计算和评估，获得坝基岩体质量检测及评价成果(见表2)。

表2 坝基岩体质量及完整性声波检测分析成果

由表2可知，每个部位3个钻孔的现场实测数据均相近，限于文章篇幅，每个部位选取1个典型钻孔共6个钻孔来分析岩体声波波速传播规律。钻孔声波波速Vp随测试深度H间的关系见图3。

图3 声波波速与孔深关系曲线

由表2和图3可知，大坝迎水面C20混凝土趾墙与坝基交接部位岩体整体完整性为“较破碎”“完整性差”和“较完整”三大类，岩体岩性为“较破碎”至“较完整”，波速最大值为4.36km/s，最小值为1.85km/s，整体呈现随钻孔深度增加波速增大。左岸靠近坝肩位置(6-1～6-3号钻孔)岩体完整性评价为“较破碎”，需采取固结灌浆、帷幕灌浆等措施进行处理，以增强地基承载力和改善基岩抗渗能力。

4 结 论

花坝水库坝基C20混凝土趾墙带附近岩体产状变化较大，采用单孔声波检测技术测量岩体的纵波波速。测试成果表明：坝基岩体完整性系数最低为0.27，最高为0.65，为“较破碎”至“较完整”，除局部裂隙发育外，基岩质量整体较好。

坝基开挖后，对左岸坝肩“较破碎”裂隙发育破碎岩体应及时清除，并采取固结灌浆、帷幕灌浆等措施进行加固和防渗处理，确保坝基乃至整个大坝具有较高建设质量；单孔声波检测能准确反映钻孔纵向岩体波速分布规律，其检测成果可为大坝坝基岩体质量及完整性评价提供翔实数据支撑，确保工程高效优质的施工建设。