彈性波測試在某水庫灌漿質量檢測中的應用

司治

（新疆水利水電勘測設計研究院勘測總隊，新疆昌吉831100）

1 工程概況

某水庫位于新疆境內，是1座在建的以蓄洪為主的大型水利樞紐工程。總庫容6.4×106m3，為國家重點工程。

施工中發現：在主壩右肩部，比高約300m，坡度約45°的山體邊坡上，存在垂直坡面厚度約20m的岸坡巖石傾倒體。其巖性為新第三紀泥巖，粉砂巖互層，常見泥巖，正常地層產狀NE65°·SE＜70°～85°。由于第四紀以來右岸山體的強烈上升和風化侵蝕，邊坡巖層出現彎曲、扭折、變形和傾倒，致使上部巖石風化破碎，自然緊密度較不均一，節理裂隙發育，局部發育有不連續張性滑裂縫，裂隙與巖層的走向基本為上下游方向。為此，水利部有關部門審查決定，對右壩肩傾倒體進行防滲和灌漿處理，以防止傾倒體在水庫蓄水后產生過量沉陷和下滑，危及水庫大壩的安全穩定。

2 基本原理及工作方法

地震波在巖體中的傳播，一般可看作振動在彈性介質中的傳播[1]。因此，縱波速度值主要反映了巖石的抗壓縮與抗拉伸的能力，即抗壓縮與抗剪切能力的組合。橫波速度反映巖石抗剪切能力。一般認為橫波波速受巖石水的賦存條件影響較小。巖石泊松比主要反映了巖石抗壓縮與抗剪切能力的相關關系。

但在實際工作中，主要測試巖體波速，其不僅取決于巖石的強度，且在巖體局部的特殊條件下，并不服從彈性介質的傳播規律。因此，巖體波速在一定程度上是巖石強度特性和巖體構造特性綜合效應。巖體波速值及巖體波速與巖石波速的接近程度（即巖體完整性系數Kv=V2pm/V2pr,其中，Vpm為巖體縱波速度Vpr為室內巖塊速度），是判定巖體強度及完整程度，結構特征的重要依據。

根據地形條件，傾倒體地震波速測試主要是設置專門的勘探孔或利用灌漿孔，檢查孔采用地震跨孔法、單孔時距曲線法及檢層法分別測試灌漿地段巖體鉛直方向、傾斜方向、水平方向以及灌前、灌后波速的變化情況，從而劃分傾倒體的界線及原始狀態，檢查并了解灌后巖體的改善情況。

針對傾倒體的特殊性，為避免各種可能因素對灌后波速值的影響，通常采用灌前、灌后原位對比的測試方法，即在主要灌漿地段設置若干（2個以上）或選擇若干個灌漿孔作為物探測試孔進行灌前的原位波速測試，灌后待凝28d以上，對原孔進行同測點、同方法的灌后原位波速的對比測試，除勘探孔采用造孔與測試一次完成，灌漿孔灌前測試，根據灌漿工藝，每孔分3~6段循環進行。

3 測試成果與分析

3.1 傾倒體界線劃分與原始狀態分析

根據大量灌前單孔時距曲線斜率計算巖體垂向波速結果表明：孔內地層自上而下一般均可分為3個波速段：第1段波速1300~1700m/s；第2段波速1700~2500m/s；第3段波速2500~2800m/s。除第3段波速值全區各孔反映較穩定，上部2個波速段各孔測試結果有較大出入，層位反映也變化較大。除個別孔，上部2個波速段波速值均較其他方法地震測試結果較高。

根據傾倒體結構特征分析，單孔時距曲線可能對傾倒體主要發育陡傾角裂隙反映較差，主要受巖塊結構特征影響較大，故測定的巖體垂向波速較大，且不穩定，此外，可能受上部傾斜混凝土蓋層影響，發生了折射。

地震檢層法波速測試同樣可以反映巖體波速隨孔深增加波速增大的趨勢，但受上部回填壩料混凝土層影響，分層較為困難。在此基礎上，進行地震跨孔水平方向波速測試，采用跨距7~12m，取得了較好的地質效果。

根據地震跨孔水平波速測試結果，選取本區巖體最高波速V=2800m/s作為完整巖石波速V值，通過計算傾倒體各層巖體完整性系數Kv值，對傾倒體的原始狀態進行了分析，如表1所示。結果表明，根據跨孔水平波速測定，可劃分出強傾倒體、弱傾倒體和正常基巖3個界線根據波速特征分析，初步認為強傾倒體主要發育為破碎結構，局部可能存在有較大的裂隙和裂縫通過。弱傾倒體主要發育為裂隙結構，并且巖體裂隙及松散程度隨著深度的增加逐漸減少、減小正常基巖巖體較為完整。

表1 傾倒體原始狀態分析表

3.2 傾倒體灌漿效果檢查評價

3.2.1 灌漿前后地震總體平均波速對比

為了解灌漿的整體效果，將灌漿前后所有可對比地震波速值進行總體平均對比，結果如下：一試區灌前平均波速1612m/s，灌后平均波速2142m/s，灌后平均波速相對提高33%。考慮到一試區采用檢層法測試，一部分波速經校正誤差等因素影響，灌后波速提高百分率采用25%較為合適。二試區灌前平均波速1733m/s，灌后平均波速2132m/s灌后平均波速相對提高20%。統計數字表明：試驗區灌漿整體效果是顯著的。注意：要使以上統計數據更具代表性，統計參數應盡量均勻分布在整個測試地段的各個部分（包括傾倒體和正常基巖）。

3.2.2 灌漿前后地震分層平均波速對比

由于傾倒體灌漿不同于一般的基巖灌漿，為分別了解強傾倒體、弱傾倒體及正常基巖不同的灌漿效果，特將灌漿前后各層所有可對比地震波速值進行分層平均波速對比，結果顯示，其灌后各層波速變情況與巖體分段可灌性及灌漿吃漿量相吻合，符合傾倒體灌漿的正常規律。

3.2.3 灌漿前后波速頻態曲線分析

為了進一步了解巖體不同波速值的灌后變化情況，將灌漿前后所有可對比地震波速測試結果按不同波速段進行百分概率統計，繪制出波速頻態曲線。從中可以看出，二試區灌漿前巖體波速小于1500m/s的部分所占比例較大，灌后則明顯減少或消失，灌前巖體波速大小1500m/s的部分所占比例相對較小，灌后則明顯增大，說明二試區的灌漿效果較好，一試區灌前巖體波速小于1500m/s的部分灌后雖有所減少，但仍占較大比例。灌前波速大于1500m/s的部分灌后雖有所提高，但仍未占主要部分，因此，一試區灌漿對低速段的試區灌漿前后波速頻態曲線改善仍有不足，根據試驗區檢查孔壓水試驗結果表明，一試區灌漿混凝土蓋層與巖石接觸段及強傾倒體部分壓水指標不滿足設計指示，即ω＜0.05L/（min·m2）（ω為壓水試驗指標），因此，初步認為：傾倒體灌后波速小于1500m/s的部分基本消失后，則單位吸水量滿足灌漿設計指標，灌后波速小于1500m/s的部分仍占較大比例時，則不滿足灌漿設計指標。

4 結語

對于無法進行大量常規壓水試驗和巖芯采取的復雜地質體，利用地震波速測試可以取得較好的效果；針對傾倒體的特殊結構，采用事先設置專門的勘探孔及地震跨孔法灌前灌后原位對比的測試方法，可減少某些可能存在的干擾因素，結果直觀可行；由于傾倒體巖石處于半干燥狀態，灌漿漿液析出水可能對灌后波速有一定影響，從而影響灌后效果的評價，為此，進行了部分灌后未待凝情況下的重復波速測量，初步認為在穩定性漿液灌注及灌后待凝28d以上測試，其漿液析出水對巖體灌后波速的增大影響很小；在灌漿地震波速測試孔的數量及孔位布置上還有待于進一步改進。