彈性波檢測(cè)技術(shù)在萬家寨水利樞紐工程中的應(yīng)用

彈性波檢測(cè)技術(shù)在萬家寨水利樞紐工程中的應(yīng)用

在節(jié)水項(xiàng)目的施工中，主要的地質(zhì)基礎(chǔ)質(zhì)量分析和質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的應(yīng)用是彈性波（聲波和地震波）的檢測(cè)，這主要是因?yàn)槭紫龋S多基礎(chǔ)巖體的力學(xué)性質(zhì)與彈性波的參數(shù)有關(guān)。換句話說，彈性波的檢測(cè)值可以直接或間接地反映基礎(chǔ)巖體的質(zhì)量特征。其次，與其他靜力檢測(cè)方法相比，該方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、檢測(cè)快速、便于大規(guī)模測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)。為使工程勘察和設(shè)計(jì)人員更好地了解該項(xiàng)技術(shù),使之在水利水電工程建設(shè)中發(fā)揮更好的效益,以萬家寨水利樞紐工程為例,對(duì)其應(yīng)用及效果作一簡(jiǎn)要介紹。1壩基巖結(jié)構(gòu)面萬家寨水利樞紐工程位于山西省偏關(guān)縣境內(nèi),該工程1994年動(dòng)工興建,現(xiàn)已初具規(guī)模。其壩型為混凝土重力壩,壩高為90.0m,壩長(zhǎng)443.0m,庫(kù)容8.96×108m3,廠房總裝機(jī)容量1.08×106kW。壩址位于黃河北干流上游的U型河谷上,谷寬約430.0m,谷底高程898.0m。壩基地層自上而下為寒武系中統(tǒng)張夏組第五層(∈2Z5)和第四層(∈2Z4),其中,張夏組第五層巖體厚12.0～15.0m,其巖性為中厚層灰?guī)r夾薄層灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r及少量泥灰?guī)r;張夏組第四層巖體厚22.0～25.0m,其巖性為薄層灰?guī)r、頁(yè)巖夾泥灰?guī)r及竹葉狀灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀平緩,總體走向北東30°～60°,傾向北西,傾角2°～8°?；鶐r緩傾角結(jié)構(gòu)面主要為層面和層間剪切帶,其中層面為巖體在沉積過程中形成的原始結(jié)構(gòu)面,一般結(jié)合較為緊密;層間剪切帶是在構(gòu)造應(yīng)力作用下由層間錯(cuò)動(dòng)形成,多具有兩元結(jié)構(gòu),即節(jié)理裂隙帶和劈理帶。2工程應(yīng)用和效果2.1卸荷巖體內(nèi)部聲波特性以廠房1#～5#機(jī)(壩右0+288.0～0+407.0,壩下0+080.0～0+120.0)為例,當(dāng)基礎(chǔ)挖至高程876.5m,地層為張夏組第四層巖體,其表部為薄層泥灰?guī)r和頁(yè)巖,已失水崩解、嚴(yán)重卸荷,屬不可利用巖體。為查明其下部可利用巖體(鮞狀灰?guī)r及新鮮薄層灰?guī)r)分布,在相應(yīng)基礎(chǔ)面均勻布孔15個(gè)(孔深3～5m)進(jìn)行了孔內(nèi)聲波檢測(cè),其典型的vp—H曲線如圖1所示。圖1中,按聲波速度(以下簡(jiǎn)稱聲速)4000m/s的標(biāo)準(zhǔn)確定了卸荷巖體(聲速小于4000m/s)底部界線,其高程為875.1～876.0m。該界線以下聲速平均值為4900m/s,相應(yīng)層即屬鮞狀灰?guī)r及新鮮薄層灰?guī)r反映。根據(jù)各孔檢測(cè)成果知相應(yīng)基礎(chǔ)可利用巖體高程變化范圍為874.7～876.1m。以后的開挖證實(shí)了檢測(cè)成果的可靠性,從而保證了廠房建筑物坐落在較完整巖體上。2.2孔內(nèi)聲波檢測(cè)以4#～11#壩段為例,當(dāng)基礎(chǔ)(壩右0+110.0～0+257.0,壩下0-007.0～0+063.0)挖至原設(shè)計(jì)高程895.0m后,在基坑上游壁發(fā)現(xiàn)四組層間剪切帶形跡(J03～J06),據(jù)此推斷,基礎(chǔ)下部仍可能有類似的軟弱夾層分布,為此在相應(yīng)基礎(chǔ)面均勻布孔48個(gè)(孔深3～5m)進(jìn)行了孔內(nèi)聲波檢測(cè),其典型的vp—H曲線如圖2所示。根據(jù)本區(qū)完整、較完整巖體聲速值4000～6000m/s界定圖中峰型異常分別位于Z07孔的892.4m、Z09孔的891.6m和Z11孔的890.9m,其聲速峰值分別為2400,2300,2200m/s,其平均值為2300m/s,該值比完整、較完整巖體低44%～63%,說明相應(yīng)巖體力學(xué)性質(zhì)較差。將異常對(duì)應(yīng)高程點(diǎn)連成直線,其產(chǎn)狀與該區(qū)巖層產(chǎn)狀相一致,結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料推斷,該異常應(yīng)為J07層間剪切帶反映。據(jù)統(tǒng)計(jì),48個(gè)檢測(cè)孔vp—H曲線均存在與J07層間剪切帶對(duì)應(yīng)的低速異常,表明其具有連續(xù)性。根據(jù)各孔異常對(duì)應(yīng)高程分析:由4#壩段下0+063.0到11#壩段下0+000,該剪切帶呈逐漸降低趨勢(shì),其高程變化范圍為895.0～889.0m。鑒于J07剪切帶呈連續(xù)分布,且力學(xué)性質(zhì)較差,1995年5月將該剪切帶挖除,挖除面高程與檢測(cè)結(jié)果基本吻合,從而消除了其對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響。2.3壩段巖體質(zhì)量變化以4#～11#壩段為例,當(dāng)挖除了J07層間剪切帶后,建基面高程為889.5～895.0m,為對(duì)建基巖體實(shí)施質(zhì)量鑒定,布置網(wǎng)格狀測(cè)線線條(縱、橫向間距分別為10～14m、14～19m)進(jìn)行了地震波檢測(cè)。地震波檢測(cè)基本數(shù)據(jù)為巖體縱波速度vp,設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)測(cè)值及大壩設(shè)計(jì)對(duì)巖體變形模量的要求,取巖體質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為4000m/s。為確定相應(yīng)壩段不同質(zhì)量巖體分布規(guī)律,對(duì)其1826個(gè)測(cè)段地震波速度值進(jìn)行了頻態(tài)分析,結(jié)果見表1。由表1可知:相應(yīng)壩段建基巖體地震波速度大致服從正態(tài)分布規(guī)律,其中速度小于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)段累計(jì)頻數(shù)、頻率分別為223個(gè)和12.2%。分析認(rèn)為這部分巖體主要與裂隙影響有關(guān),其一般呈互為孤立的塊狀分布。對(duì)相應(yīng)位置裂隙影響巖體,施工中采取了撬挖、錨固或灌漿措施,從而使之滿足設(shè)計(jì)要求。2.4淺部巖體地震波檢測(cè)為考察廠房及壩基丁塊建基巖體(張夏組第四層)卸荷的時(shí)間效應(yīng),對(duì)廠房1#機(jī)cc′塊、1#和2#機(jī)ee′塊及12#～14#壩段丁塊分兩次進(jìn)行了地震波檢測(cè),其結(jié)果見表2。由表2可知:廠房1#、2#機(jī)相應(yīng)塊巖體裸露5～19d,其地震波速度下降7.0%～20.0%,壩基丁塊巖體裸露5～9d,其速度下降6.6%～11.9%,由此可見其卸荷速率較快。廠房1#、2#機(jī)測(cè)試成果尚表明,淺部巖體卸荷程度與其裸露時(shí)間有一定關(guān)系。根據(jù)檢測(cè)資料,其它基礎(chǔ)塊開挖后采取了及時(shí)覆蓋混凝土的措施,以遏制其隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)卸荷。2.5混凝土蓋重效應(yīng)4#～11#壩段J08層間剪切帶聲波檢測(cè)資料表明:在一定埋深條件下,剪切帶聲速不僅與其結(jié)構(gòu)和性狀有關(guān),尚與基礎(chǔ)爆破、基礎(chǔ)開挖和混凝土蓋重等施工狀態(tài)有關(guān)。換言之,隨著基礎(chǔ)上部荷載變化,層間剪切帶結(jié)構(gòu)或性狀處于動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)?；A(chǔ)開挖前剪切帶聲速通過高程895.0m基礎(chǔ)面的6個(gè)鉆孔(編號(hào)為Zj-i)取得,其值以vj0表示;基礎(chǔ)巖體經(jīng)爆破挖至2.5～3.0m后,在靠近原孔位置又設(shè)置鉆孔(編號(hào)為Sj-i),對(duì)該剪切帶聲速進(jìn)行了測(cè)試,其值以vj1表示。兩者對(duì)比如表3所示。由于固結(jié)灌漿需要,在高程893.0～892.0m基礎(chǔ)面澆注了3.0～5.5m混凝土。此后,利用部分固結(jié)灌漿前鉆孔(編號(hào)為Gj-i),對(duì)J08層間剪切帶再次進(jìn)行了檢測(cè),其結(jié)果以vj2表示。為反映混凝土蓋重效應(yīng),參與對(duì)比的聲速值取之于蓋重前近側(cè)鉆孔,相應(yīng)成果對(duì)比見表4。由表3可知:基礎(chǔ)通過爆破,挖除相應(yīng)厚度的巖體后,下伏J08層間剪切帶聲速下降了11.1%～42.9%,平均下降了25.4%。盡管開挖前后孔位不同,但所測(cè)聲速降低趨勢(shì)仍反映了基礎(chǔ)爆破擾動(dòng)和基礎(chǔ)開挖卸荷(包括基礎(chǔ)面裸露狀態(tài)下靜態(tài)卸荷)對(duì)剪切帶結(jié)構(gòu)的弱化效應(yīng)。由表4可知:基礎(chǔ)上覆相應(yīng)厚度的混凝土后,下伏J08層間剪切帶聲速提高8.0%～58.7%,平均提高39.0%。盡管開挖前后孔位不一,但所測(cè)聲速提高趨勢(shì)仍反映了基礎(chǔ)蓋重對(duì)剪切帶結(jié)構(gòu)的壓密效應(yīng)。探討不同施工狀態(tài)下壩基層間剪切帶形變效應(yīng)對(duì)工程施工具有以下幾個(gè)指導(dǎo)或提示意義:其一,在對(duì)基礎(chǔ)層間剪切帶進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性研究時(shí),應(yīng)充分考慮其動(dòng)態(tài)形變效應(yīng);其二,在基礎(chǔ)施工時(shí),應(yīng)采取相應(yīng)措施使層間剪切帶結(jié)構(gòu)和性狀處于受控狀態(tài),如爆破、開挖時(shí),應(yīng)盡可能減少藥量或以定向方式實(shí)施,特別在挖至保護(hù)層位置時(shí),應(yīng)盡可能采用人工撬挖方式,以減少爆破對(duì)剪切帶結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)和破壞。基礎(chǔ)挖至建基巖體后,應(yīng)盡可能及時(shí)覆蓋混凝土,以遏制剪切帶所產(chǎn)生的塑性變性;其三,對(duì)基礎(chǔ)爆破、開挖后,層間剪切帶結(jié)構(gòu)嚴(yán)重弱化部位,應(yīng)采取錨固或強(qiáng)化固結(jié)灌漿措施,以增強(qiáng)其整體性和穩(wěn)定性。2.6灌漿聲速測(cè)定以1#～10#壩段為例,在相應(yīng)基礎(chǔ)單元灌漿前后分別布設(shè)檢測(cè)孔52個(gè),應(yīng)用孔內(nèi)聲波法分2次(間隔14d)進(jìn)行檢測(cè),取得聲速值各為3994個(gè)。對(duì)實(shí)測(cè)值實(shí)施頻態(tài)分析,其結(jié)果見圖3。由圖可知:相應(yīng)單元實(shí)測(cè)聲速值大致服從正態(tài)分布規(guī)律。圖中灌漿前后陰影部分變化表明:經(jīng)過灌漿聲速值小于4000m/s的測(cè)段由灌漿前的11.6%下降至3.8%,可見灌漿后單元巖體完整性得到了較明顯的改善。鑒于壩基固結(jié)灌漿主要是為了改善其中低速巖體完整性這一目的,將該類巖體選出,分別計(jì)算其平均聲速提高率,相應(yīng)結(jié)果可從另外一個(gè)方面反映壩基固結(jié)灌漿效果(見表5)。由表5可知:經(jīng)過灌漿單元中的低速巖體聲速提高15.6%以上,表明其完整性得到加強(qiáng)。2.7抗剪平洞圍巖松弛厚度為增強(qiáng)壩基抗滑穩(wěn)定性,在3#～11#壩段設(shè)置了3個(gè)抗剪平洞,其中2#平洞樁號(hào)為壩右0+097.0～0+243.0,壩下0+058.0。平洞寬4.0m,高以深入J10層間剪切帶以下2.0m、J08層間剪切帶以上1.5m控制。為了解抗剪平洞圍巖松弛厚度,在該洞壁布置檢測(cè)斷面10個(gè)(間距10.0m左右),每個(gè)斷面布孔4～6個(gè),孔距約1.50m?？變?nèi)典型檢測(cè)結(jié)果(vp—H曲線)如圖4所示。由圖4可知:從洞壁起至某一深度聲速相對(duì)較低(低于圍巖基本聲速值),隨著孔深增加聲速逐漸升高,達(dá)到一定深度,其聲速值大致穩(wěn)定在基本聲速值范圍。經(jīng)統(tǒng)計(jì)圍巖基本聲速值一般大于5000m/s,取5000m/s作為劃分標(biāo)準(zhǔn),則聲速低于該值的巖體即為松弛帶,由此可確定各斷面松弛帶厚度見表6。相應(yīng)成果可作為該洞固結(jié)灌漿依據(jù)應(yīng)用。2.8混凝土與基巖接觸不良部位實(shí)測(cè)和分析以4#～8#壩段為例,當(dāng)基礎(chǔ)澆注2.5m混凝土后,為了解其與巖體接觸程度,在相應(yīng)基礎(chǔ)利用灌漿前鉆孔(孔數(shù)25個(gè),孔間距大致為8.0～25.0m,孔深大于5.0m)進(jìn)行了孔內(nèi)聲波檢測(cè),取得混凝土與基巖接觸部位聲速值25個(gè),數(shù)據(jù)分布如圖5所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析實(shí)測(cè)聲速值大致服從正態(tài)分布規(guī)律,所以混凝土與基巖接觸不良部位可用小概率指標(biāo)進(jìn)行判斷,其臨界值用式(1)表示。vpi<vpj-2S(1)式中,vpi為某點(diǎn)實(shí)測(cè)聲速均值(m/s);vpj為實(shí)測(cè)聲速均值(m/s);S為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差(m/s);經(jīng)計(jì)算vpj-2S為3500m/s,若滿足式(1)即為異常點(diǎn)。根據(jù)數(shù)據(jù)分布,在圖5中作出聲速等值線,其中3500m/s等值線多為閉合狀(見圖中陰影區(qū)),則相應(yīng)的區(qū)域即為所判斷的混凝土與基巖接觸不良部位。由圖5可知:陰影區(qū)互為孤立,且其累積面積僅為相應(yīng)單元總面積的2.0%,據(jù)此分析,該單元絕大部分區(qū)域混凝土與基巖接觸較好。另外,對(duì)局部混凝土與基巖接觸不良區(qū)域