聲波測試技術在李家河水庫壩基開挖爆破中的應用

閆建文，徐傳召，郭儀，王海倉

（1.西安理工大學水利水電學院，陜西西安710048；2.西安市輞川河引水李家河水庫工程建設管理處，陜西西安710048；3．眉縣地下水勘測管理處，陜西眉縣 722306）

根據《水電水利工程爆破安全監測規程》（DL/T5333—2005）的要求，評價爆破效果好壞主要通過兩方面來進行：儀器數據和現場判別，其中通過儀器測量為主要評判方法，儀器測量主要包含監測爆破質點振動速度和檢測爆破影響深度兩方面內容。聲波檢測一般是以人為激勵的方式向介質（被測對象）發射聲波，在一定距離上接收經介質物理特性調制的聲波（反射波、透射波、散射波）。通過觀測和分析聲波在介質中傳播時聲學參數和波形的變化，對被測對象的宏觀缺陷、幾何特征、組織結構、力學性質進行推斷和表征，通過應用聲波測試技術，可以準確檢測出受爆破影響的深度范圍，并以此評價爆破效果的好壞，是目前廣泛使用的一種方法[1-3]。

1 工程概況

李家河水庫工程位于西安市藍田縣，其任務主要是以西安市城東區城鎮供水為主，兼有發電。工程屬Ⅲ等中型工程，永久性主要建筑物攔河大壩、泄水建筑物、引水建筑物、生態供水管道和輸水渠道按3級設計，次要建筑物按4級設計，電站廠房及臨時建筑物按5級設計。大壩樞紐的防洪標準為50年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核。輸水渠道和電站廠房防洪標準為30年一遇洪水設計，50年一遇洪水校核。

攔河壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，最大壩高98.5 m，壩頂弧長351.71 m，弦長309.43 m，壩體厚高比0.315。壩頂高程884.00 m，壩頂寬8 m，壩底寬31.0 m，泄洪表孔布設在壩頂中部的河床段，泄洪表孔采用單孔，孔寬12 m，堰頂高程872.00 m，泄洪底孔緊臨溢洪表孔的左側布置。進口高程828.00 m，孔底水平，進口為尺寸8.0 m×6.5 m的三向收縮喇叭口，進口段頂部及兩側均采用橢圓曲線，出口在孔身末端變為4.0 m×4.5 m。

2 測試原理及方法

2.1 聲波測試原理

應用聲波測試技術檢測爆破對巖體影響范圍的基本原理是：超聲波測試儀器通過發射探頭在巖石內激發高頻彈性脈沖波，并通過另一端的接收探頭接收并記錄該脈沖波在巖體內傳播過程中表現的波動特征，可能會出現的波動特征[4-6]如下：

1）波速（縱波波速）降低。當巖體內部存在破損、不連續時，由于缺陷面形成了波阻抗面，波在通過阻抗面時，其能量有所衰減，表現為波速有所降低。

2）波速（縱波波速）升高。巖石硬度越高、完整性越好，波的傳播速度就越快，如果出現波速升高的情況，則可能是巖體內部存在高硬度巖石帶，或該區域巖石的完整性較其他區域更好。

3）波的初至到達時間變化、波形畸變。當巖體內部存在松散、裂隙、結構面、孔洞等缺陷時，將產生波的散射和繞射，從而影響首波到達時間，或是整體波形變化，在實際測量時，往往要通過調整延遲與放大倍數來克服這些影響，嚴重時則無法獲得該區域的波形。

通過測試，記錄不同高度上的超聲波特征并加以分析，就能判別測區內巖石的完整性情況，從而獲得受爆破影響的范圍數值，進而評判爆破效果。

共建是社會治理系統的建構基礎，也是社會治理系統功能發揮的基本前提。在共建共治共享社會治理格局的系統構建中，如果說共建是系統治理的基礎，那么共治就是實現系統治理的手段，而共享就是系統治理的目的。在復雜條件下實現政府治理與其他多元主體的合作共建，在理念創新上體現國家治理、政府治理和社會治理模式的轉變，而這種轉變就是以系統建構的方式體現在多元主體的社會共識之中，具體化在多元主體合作共建的過程之中。為此需要從以下三個方面作出努力。

2.2 聲波測試系統

運用聲波測試技術進行爆破影響范圍檢測時，通常有兩種測試系統：單孔測試系統與跨孔測試系統[7]。兩種系統的主要區別在于測試采用的換能器不同，單孔測試中采用的是“一發雙收”式換能器，即在一個測試探頭中集成了一個發射探頭與兩個接收探頭，中間通過隔聲管連接，測試中僅需要一個測孔就可以進行；跨孔測試則是采用“單發單收”式換能器，分別將發射探頭與接收探頭置于不同的測孔內，因此，測孔需成對出現。

由于單孔測試時聲波發射與接收探頭均在同一孔內，即聲波從發射探頭發出后，經孔壁滑行再被接收探頭所接收，其傳播路徑比較復雜，且測得的是聲波沿孔壁傳播時的各項聲學參數，檢測范圍不大。跨孔測試系統檢測時聲波由發射探頭出發穿透兩孔間的介質后被接收探頭接收，實際有效檢測范圍為超聲波脈沖從發射到接收換能器所掃過的面積，檢測范圍大且聲波傳播路徑簡單，因此，在實際應用中效果較好。

跨孔測試系統見圖1，系統由聲波檢測儀、發射探頭、接收探頭組成，在測試前需要提前鉆好測孔并防止堵塞，測試時需要在孔內注入耦合劑（一般為水）即可進行測試[1]。

圖1 跨孔式聲波測試系統

2.3 測試步驟

對單次爆破影響范圍的檢測，需要進行兩次聲波測試，即爆破前、后對同一地點、測孔進行相同的聲波測試，將測試結果進行對比，從而得出爆破影響深度[7]。測試步驟如下：

1）選定測點，打測孔。按照規范要求，跨孔聲波測試需要打3個測孔，測孔呈“品”字形布置，兩個測孔孔壁之間的距離為跨孔距離，規范規定跨孔距離應為1 m，測孔深度以實際需要為準。測孔打好后，應注意保護，防止其堵塞。

2）注入耦合劑。測試前需要先將孔內注滿耦合劑，一般采用水作為耦合劑。

3）放入探頭。因為采用對測法進行測試，所以應保證發射探頭與接收探頭處于同一水平面上，若采用由上至下的方法進行測試，則每次二者均下放同樣的距離，移動步距一般為0.10~0.25 m；反之，若采用由下至上的方法測試，則每次應上提同樣的距離。

2.4 聲波孔的布置

李家河水庫大壩壩基開挖爆破聲波測試中采用的儀器為武漢巖海公司生產的RS-ST01C型超聲波測試儀，該儀器已廣泛應用與各種聲波測試中，測試速度與精確度均滿足需求。測試采用跨孔對測的方法進行[10]。

根據爆破設計情況、實地情況及儀器規格限定，對單次爆破測試布設3個聲波孔，爆破前后共計跨孔檢測6次，聲波孔深度為6 m、為傾斜孔、θ=30°，跨孔距離1 m、探頭移動步距為0.25 m。

3 測試結果及分析

3.1 測試對比結果

測試數據來自李家河水庫大壩右壩肩EL860—EL845層Ⅰ區（右岸第三層Ⅰ區）開挖爆破前后檢測，本次爆破共6排爆破孔，主爆孔最大2孔1響，最大單響藥量180 kg，總藥量約為7.5 t。測試對比見圖2。

圖2 右岸第Ⅲ組AC面爆破前后聲速對比

3.2 影響深度評判依據

依據爆前和爆后的聲波波速變化來判斷巖體開挖爆破影響范圍并進行有關分析評價[8-9]，包括波速變化對比和Vp-h曲線圖變化趨勢。

通過判讀儀器上的數據，獲得相應深度下的波速，爆破后再次在同一部位測試，以爆后縱波波速CP2與爆前縱波波速CP1的變化率η來衡量，爆破后彈性縱波波速變化率η按下式計算

變化率η在規范中有明確的判斷標準，見表1。

表1 爆破影響范圍聲波檢測法判斷標準

3.3 測試結果分析

1）整體波速在3.5~5 km/s范圍內，該區巖石主要以花崗巖為主，測試結果與地質情況相符；

2）由圖2及表2可以看出，聲波測試結果在深度4~5 m范圍內衰減至最低只有1 km/s，除去外界影響的原因，該范圍內可能存在帶狀裂隙；

3）通過對比爆破前后兩次聲速測試結果，發現AC面在深0.75 m范圍內，波速變化比率超過了規范規定的10%，最大比率為16.7%、平均比率為12.6%，該區巖石呈現破壞狀態，而在0.75 m之后，波速變化比率迅速衰減至規范規定的10%范圍內，最大比率為9.93%、平均比率為6.73%，這說明AC面受影響深度為0.75 m，因為聲波測試孔為30°傾斜孔，經過換算，AC面的影響厚度為0.375 m，本次爆破對巖體的影響較小。

表2 爆破影響范圍聲波檢測變化率統計

3.4 影響測試的原因

聲波測試屬于高精度測試，因此，受到的外界影響也較多，總結如下。

1）電磁干擾：除聲波測試儀外，測試現場應避免電子產品的干擾，如對講機、手機等。

2）振動干擾：在聲波測試時，應盡量停止現場施工，施工引起的振動會對聲波測試數據產生極大干擾，嚴重時甚至不能判讀波速曲線。

3）水流干擾：如果測孔內分布裂隙較多，可能需要連續注水以保證測試正常進行，這時水的流動也會對測試數據產生影響。

4）巖體內部構造：裂隙、結構面、孔洞等情況都會對測試結果產生影響，可以通過測試數據進一步分析。

4 結語

李家河水庫壩基開挖工程施工過程中，在業主、監理、設計單位的共同努力下，成功地對爆破網絡進行了優化，降低了單響藥量，通過對右壩肩EL860-EL845層Ⅰ區開挖爆破進行聲波檢測，結果顯示：本次爆破質量較好，對巖體的影響控制在了規范規定的范圍之內。

在進行水利水電工程壩基開挖爆破施工時，將聲波測試與振動監測相結合，對爆破的質量進行綜合評定，是一種行之有效的方法。它不僅能夠保證施工質量、加快施工進度，更能夠通及時發現問題、對爆破網絡進行改進，使爆破設計能夠在滿足施工要求和符合當地地質條件之間尋求最佳平衡點，具有良好的社會效益和經濟效益，對同類工程具有一定的借鑒意義。

[1]唐智超.爆破對邊坡影響范圍的聲波測試與評價[J].爆破,2009,26(3)：108-110.

[2]徐慶，王浩，楊文.半面爆破技術在豎井施工中的應用[J].西北水電，2010(2)：54-56.

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[7]于亞倫.工程爆破理論與技術[M].北京:冶金工業出版社,2008.

[8]中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T5389—2007水工建筑物巖石基礎開挖工程施工技術規范[S].北京：中國電力出版社,2007.

[9]中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T5333—2005水電水利工程爆破安全監測規程[S].北京：中國電力出版社,2005.

[10]閆建文.李家何水庫中壩基開挖爆破試驗研究[R].西安：西安理工大學，2010.