三河口大壩壩基巖體波速特征及爆破影響分析

趙力　董鵬　宋曉峰等

關(guān)鍵詞：壩基;巖體質(zhì)量;聲波波速;電磁波CT;爆破開(kāi)挖;三河口大壩

中圖分類號(hào)：TV221 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.026

引用格式：趙力，董鵬，宋曉峰，等.三河口大壩壩基巖體波速特征及爆破影響分析[J].人民黃河，2022，44（3）：133-137，164.

拱壩作為一種重要的擋水建筑物，可以利用拱的作用將水壓力傳遞到河谷兩岸的基巖，兼具良好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。壩基巖體質(zhì)量一直是拱壩設(shè)計(jì)和分析中關(guān)注的重點(diǎn)之一，尤其對(duì)于高拱壩結(jié)構(gòu)。大壩及基礎(chǔ)長(zhǎng)期承受巨大的水荷載、風(fēng)荷載及水位變化、滲流作用等，也可能遭遇地震、泥石流等不良地質(zhì)災(zāi)害，存在基礎(chǔ)滑移、失穩(wěn)破壞等安全風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。壩基巖體質(zhì)量主要受巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體完整性、爆破開(kāi)挖等因素影響[4]。為提前判別壩基巖體質(zhì)量，及時(shí)處理地質(zhì)隱患，聲波檢測(cè)技術(shù)得到應(yīng)用[5-7]，基于聲波特征開(kāi)展壩基巖體質(zhì)量及爆破影響分析具有重要意義[8]。

對(duì)壩基巖體聲波檢測(cè)的研究，許多學(xué)者做了大量工作。夏開(kāi)宗等[9]引入Hoek-Brown準(zhǔn)則，建立了由巖體波速預(yù)測(cè)巖體力學(xué)參數(shù)的新方法。張文舉等[10]對(duì)斷層破碎帶、風(fēng)化及開(kāi)挖影響區(qū)等不同條件巖體固結(jié)灌漿前、后波速進(jìn)行分析，建立了固結(jié)灌漿后巖體波速提高率與灌漿前巖體波速之間的關(guān)系。許琦等[11]基于烏東德水電站建立了壩基巖體變形模量與單孔聲波的相關(guān)關(guān)系。陳康達(dá)等[12]基于青海瑪沁地區(qū)瑪爾擋水電站研究了壩基巖體巖石質(zhì)量指標(biāo)、波速和透水率的關(guān)系。李雷等[13]對(duì)云南石門(mén)坎水電站壩基巖體變形模量與波速進(jìn)行擬合分析，得出巖體變形模量與波速關(guān)系呈一階遞增指數(shù)函數(shù)為最優(yōu)。張鳳等[14]基于聲波測(cè)試技術(shù)，對(duì)壩基巖體爆破松弛、巖體質(zhì)量分級(jí)等進(jìn)行了研究。王雙龍等[15]研究了建基面巖體表層低波速帶分布特征及其成因。李維耿等[16]在小灣水電站采用了超聲波、鉆孔變形模量和全孔壁數(shù)字成像等物探檢測(cè)技術(shù)手段，揭示了壩基巖體波速分布特征、波速衰減特征、裂隙發(fā)育規(guī)律等。易毅等[17]采用聲波測(cè)試方法對(duì)大崗山水電站壩基巖體開(kāi)挖完成后的巖體質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。唐云娟等[18]通過(guò)綜合物探對(duì)水電站高拱壩壩基爆破開(kāi)挖卸荷松弛及巖體質(zhì)量開(kāi)展了檢測(cè)，得到了壩基巖體波速、松弛深度、應(yīng)力釋放時(shí)間等參數(shù)。張春安等[19]開(kāi)展了大崗山拱壩建基面開(kāi)挖爆破聲波檢測(cè)，給出了開(kāi)挖爆破對(duì)建基面影響程度的量化指標(biāo)。

本文針對(duì)引漢濟(jì)渭工程三河口大壩，綜合采用聲波測(cè)試、電磁波CT探測(cè)等手段，分析了壩基巖體鉆孔波速特征及電磁波CT特征規(guī)律，通過(guò)對(duì)比爆破開(kāi)挖前、后的波速，分析了壩基巖體在爆破開(kāi)挖作用下的影響深度，基于波速分布特征論證了壩基巖體質(zhì)量。

1工程概況

引漢濟(jì)渭工程是國(guó)家“十三五”期間172項(xiàng)重大水利工程之一，其中三河口水利樞紐作為引漢濟(jì)渭工程的調(diào)蓄中樞，位于佛坪縣與寧陜縣交界的子午河峽谷段，總庫(kù)容為7.1億m，主要調(diào)蓄子午河來(lái)水及通過(guò)泵站抽調(diào)入庫(kù)的漢江干流水量。三河口水利樞紐大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程646m，壩頂寬9m，最大壩高141.5m，壩頂弧長(zhǎng)472.153m。壩基巖體風(fēng)化程度較低，壩基巖性以變質(zhì)砂巖為主，局部夾有大理巖，飽和抗壓強(qiáng)度在60MPa以上，壩基應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主[20]。巖體結(jié)構(gòu)以厚層、中厚層狀結(jié)構(gòu)為主，構(gòu)造類型為斷層、蝕變帶及裂隙，河谷段高程506.0m附近壩基地表出露f44、f45、sf11、sf12斷層。f44、f45斷層大體從河谷壩基的中下區(qū)域橫穿河谷，sf11斷層從河谷壩基左側(cè)順河向發(fā)育，sf12斷層沿著壩基上游發(fā)育至壩基中部。

2聲波波速特征分析

大壩開(kāi)挖至高程515.0m，在河床壩基開(kāi)展鉆探工作，布置8個(gè)鉆孔ZK1～ZK8，孔底高程495.0m，鉆孔的平面位置如圖1所示。

根據(jù)ZK1～ZK8鉆孔的孔內(nèi)電視攝像成果及鉆孔巖芯對(duì)鉆孔巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，河谷壩段巖體結(jié)構(gòu)以厚層、中厚層狀結(jié)構(gòu)為主，局部斷裂構(gòu)造及裂隙發(fā)育區(qū)段為互層結(jié)構(gòu)。對(duì)鉆孔巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明：河床壩基503.5m高程以上，鉆孔巖芯RQD指標(biāo)普遍偏低，該高程以下RQD在56%～83%之間，相對(duì)較高，局部RQD偏低是斷層帶及影響帶巖體完整性差引起的。河谷段壩基高程515.0m以下巖體為弱風(fēng)化-微風(fēng)化帶，弱風(fēng)化下限高程一般在503.6～509.5m之間，巖體變形模量及聲波波速見(jiàn)表1。

巖體聲波波速能夠反映巖體性質(zhì)，波速高，表明巖體內(nèi)部較致密;當(dāng)巖體存在較多節(jié)理、裂隙等內(nèi)部缺陷時(shí)，波速降低。根據(jù)三河口大壩初步設(shè)計(jì)成果，建基面變形模量控制為15GPa，結(jié)合類似工程壩基巖體變形模量與波速的相關(guān)關(guān)系[11-13]及表1，建基面變形模量為15GPa時(shí)相應(yīng)波速達(dá)到4300m/s，考慮到可采用固結(jié)灌漿進(jìn)一步提高巖體質(zhì)量[10]，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到固結(jié)灌漿可使巖體質(zhì)量提高約30%，因此為了使壩基巖體能夠滿足三河口大壩建基面的設(shè)計(jì)要求，其波速應(yīng)為3400m/s以上。

對(duì)ZK1～ZK8鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)聲波波速測(cè)試，ZK1～ZK8鉆孔聲波波速隨高程變化曲線見(jiàn)圖2。對(duì)于ZK1鉆孔，高程低于504.5m的巖體波速值普遍較高且穩(wěn)定，隨著高程提高，高程在504.5m以上的巖體波速波動(dòng)較大，波速小于4300m/s的點(diǎn)數(shù)占比68.1%。對(duì)于ZK2鉆孔，高程小于509.7m的巖體波速整體較高，局部波速較低段為裂隙發(fā)育段;高程大于509.7m的巖體波速呈減小趨勢(shì)，波速小于4300m/s的點(diǎn)數(shù)占比84.6%，推測(cè)是受爆破開(kāi)挖的影響所致。對(duì)于ZK3鉆孔，高程小于505.6m的巖體波速整體較高，孔內(nèi)電視攝像成果顯示巖體完整，裂隙不發(fā)育;高程大于505.6m的巖體波速變化較大，波速小于4300m/s的點(diǎn)數(shù)占比69.7%，孔內(nèi)電視攝像成果顯示該段裂隙發(fā)育。對(duì)于ZK4鉆孔，高程小于505.8m的巖體波速整體較高，波速在4444～5405m/s之間，孔內(nèi)電視攝像成果顯示巖體完整，裂隙不發(fā)育;505.8m高程以上的巖體波速變化較大，波速小于4300m/s攝像成果點(diǎn)數(shù)占比40%，孔內(nèi)電視攝像成果顯示該段有裂隙發(fā)育。對(duì)于ZK5鉆孔，高程大于509.0m的巖體波速變化較大，裂隙較發(fā)育;高程小于509.0m的巖體整體波速較高，局部段裂隙發(fā)育，波速偏低，其中高程502.0～503.0m段發(fā)育2條裂隙，波速偏低，高程496.0～497.2m段受裂隙發(fā)育影響，波速低。對(duì)于ZK6鉆孔，巖體波速整體偏低，波速變幅大，其中高程503.6m以上、501.0m以下裂隙較發(fā)育、波速偏低。對(duì)于ZK7鉆孔，高程小于511.5m的巖體波速較高且基本穩(wěn)定，局部測(cè)點(diǎn)因存在裂隙而波速偏低;高程511.5m以上波速整體偏低，主要是受爆破開(kāi)挖及裂隙影響所致。對(duì)于ZK8鉆孔，高程小于498.0m時(shí)受構(gòu)造影響，巖體破碎、波速低;高程大于511.7m時(shí)受開(kāi)挖爆破影響，巖體波速偏低;高程498.0～511.7m段巖體波速較高且穩(wěn)定。

綜上所述，各鉆孔上部位置巖體波速均較低，達(dá)到一定高程（504.5～511.5m）后，巖體波速顯著下降，原因是受爆破開(kāi)挖和裂隙的影響;下部位置尤其是高程504.5m以下巖體的波速高且穩(wěn)定，巖體完整性較好，與勘察得到的鉆孔巖芯RQD指標(biāo)和變形模量較高的結(jié)論相符;局部巖體波速低于4000m/s，原因是附近斷層、裂隙等構(gòu)造導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)完整性較差，與勘察得到的受構(gòu)造影響巖體風(fēng)化深度較大的結(jié)論相吻合。

3電磁波CT特征分析

為進(jìn)一步查明壩基巖體完整性的空間分布，大壩開(kāi)挖至高程506.0m時(shí)，對(duì)壩基進(jìn)行了電磁波CT測(cè)試，根據(jù)電磁波CT實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)電磁波檢測(cè)異常部位增補(bǔ)了跨孔波速測(cè)試。

電磁波CT衰減系數(shù)值越大，巖體越破碎，反之衰減系數(shù)值越小，巖體越完整[21-22]。檢測(cè)剖面水平向1/4～3/4段數(shù)據(jù)相對(duì)可靠，兩側(cè)數(shù)據(jù)誤差較大;垂向中部2.5m以上（呈倒三角形區(qū)域）及中部8.5m以下（呈三角形區(qū)域）數(shù)據(jù)誤差較大。忽略數(shù)據(jù)誤差大的區(qū)域，根據(jù)電磁波CT測(cè)試結(jié)果可知，ZK1～ZK2、ZK3～ZK4、ZK1～ZK5、ZK3～ZK7、ZK4～ZK8間巖體的衰減系數(shù)整體偏小，表明巖體較完整;ZK5～ZK6、ZK7～ZK8間巖體的衰減系數(shù)值整體偏大，表明巖體完整性較差，但不存在斷層及局部結(jié)構(gòu)面密集發(fā)育區(qū)域。

ZK2～ZK3電磁波跨孔CT結(jié)果如圖3所示。可以看出，ZK2～ZK3間巖體的衰減系數(shù)值整體偏大，巖體完整性較差，尤其是圖3中坐標(biāo)（21～24，5.5～6.5）（12～14，5.5～6.5）（兩處區(qū)域相應(yīng)高程均為499.0～500.0m）及（33～35，2.8～3.2）（相應(yīng)高程為502.2～502.6m）區(qū)域CT衰減系數(shù)大，巖體破碎。對(duì)ZK2～ZK3電磁波CT異常區(qū)域進(jìn)行跨孔波速測(cè)試可知：電磁波CT在坐標(biāo)（21～24，5.5～6.5）處波速為2973～3154m/s，電磁波CT在坐標(biāo)（12～14，5.5～6.5）處波速為3352～3965m/s，結(jié)合地質(zhì)測(cè)繪結(jié)果可知該區(qū)域受斷層sf12影響。綜上，上述區(qū)域巖體裂隙較為發(fā)育，巖體破碎，電磁波CT測(cè)試與跨孔波速測(cè)試結(jié)果吻合，即電磁波CT紅色區(qū)域?qū)?yīng)波速≤3300m/s，橙色區(qū)域?qū)?yīng)波速在3300～4000m/s之間。

分析ZK6～ZK7電磁波跨孔CT測(cè)試結(jié)果可知，ZK6～ZK7間巖體的衰減系數(shù)整體偏大，巖體完整性差，高程498.5～501.0m區(qū)域巖體衰減系數(shù)極大。對(duì)ZK6～ZK7電磁波CT異常區(qū)域進(jìn)行跨孔波速測(cè)試可知：高程498.5～501.0m區(qū)域波速在3289～3899m/s之間，電磁波CT紅色區(qū)域?qū)?yīng)波速≤3300m/s，橙色區(qū)域?qū)?yīng)波速在3300～3900m/s之間。電磁波CT測(cè)試與跨孔波速測(cè)試成果吻合，結(jié)合地質(zhì)剖面分析認(rèn)為該區(qū)域受斷層f45影響，巖體極破碎。

分析ZK2～ZK6電磁波跨孔CT測(cè)試結(jié)果可知，ZK2～ZK6間巖體衰減系數(shù)相對(duì)較大，巖體整體完整性較差，高程499.0～500.0m區(qū)域巖體衰減系數(shù)極大，結(jié)合測(cè)繪結(jié)果可知，該區(qū)域受斷層sf13影響，巖體較為破碎。對(duì)ZK2～ZK6電磁波CT異常區(qū)域進(jìn)行跨孔波速測(cè)試可知：高程499.0～500.0m區(qū)域波速在3175～3992m/s之間，電磁波CT橙色區(qū)域?qū)?yīng)波速在3300～3900m/s之間，結(jié)合地質(zhì)剖面分析認(rèn)為該區(qū)域受斷層sf13影響，巖體極破碎。

綜上可見(jiàn)，壩基巖體大部分測(cè)試位置衰減系數(shù)較小，僅局部區(qū)域衰減系數(shù)較大，表明壩基巖體整體完整性較好。衰減系數(shù)大的破碎巖體區(qū)域主要分布于高程498.5～501.0m;鉆孔ZK1～ZK2、ZK3～ZK4位置的衰減系數(shù)整體較ZK5～ZK6、ZK7～ZK8的小，由此可知河谷壩段上游邊界的壩基巖體完整性優(yōu)于下游邊界的，其原因主要在于下游邊界地表距斷層f44、f45較近，在構(gòu)造作用下巖體完整性較差;平行河流方向上，靠近左右岸的壩基巖體完整性要好于中間巖體，表現(xiàn)為左岸邊界ZK1～ZK5、右岸邊界ZK4～ZK8位置的衰減系數(shù)明顯小于河床部分ZK2～ZK6的;根據(jù)部分電磁波CT與跨孔波速對(duì)比，電磁波CT紅色區(qū)域?qū)?yīng)波速≤3300m/s，橙色區(qū)域?qū)?yīng)波速在3300～3900m/s之間。

4爆破開(kāi)挖對(duì)壩基巖體的影響

大壩開(kāi)挖至高程515.0m左右，對(duì)壩基鉆孔進(jìn)行了第1次波速測(cè)試，此時(shí)高程506.0m以下壩基巖體波速能夠代表巖體的初始狀態(tài);當(dāng)大壩開(kāi)挖至506.0m時(shí)，對(duì)壩基鉆孔ZK1～ZK8進(jìn)行第2次波速測(cè)試，此時(shí)爆破開(kāi)挖會(huì)對(duì)壩基巖體產(chǎn)生影響。采用波速比來(lái)反映爆破后巖體波速的變化，通過(guò)分析波速比的變化規(guī)律，探究爆破開(kāi)挖對(duì)壩基巖體的影響。波速比計(jì)算公式為

式中：n為波速比;v為大壩開(kāi)挖至高程515.0m時(shí)所測(cè)得的巖體波速;v為大壩開(kāi)挖至506.0m時(shí)所測(cè)得的巖體波速。

爆破開(kāi)挖前，巖體未受外界擾動(dòng)，聲波速度取決于巖體自身的組分、結(jié)構(gòu)、裂隙分布等;爆破開(kāi)挖后，沖擊荷載會(huì)導(dǎo)致表部巖體出現(xiàn)損傷劣化，原有裂隙加劇，甚至形成新的裂隙，巖體物理力學(xué)性質(zhì)變差，聲波在巖體中的傳播速度降低。

分析鉆孔ZK1、ZK2、ZK3、ZK4兩次測(cè)得的巖體波速的比值可知：對(duì)于ZK1鉆孔，在503.53m高程位置波速比為0.84，在503.53m高程以下波速比接近1，而在503.53m高程以上波速比明顯減小，由此可知，其爆破影響下限高程為503.53m，此高程以上受爆破開(kāi)挖影響巖體結(jié)構(gòu)較破碎;對(duì)于ZK2鉆孔，在503.14m高程位置波速比為0.89，此高程以上波速比減小，在高程504.54m處波速比為0.76，其爆破影響下限高程為503.14m。對(duì)于ZK3、ZK4鉆孔，在高程504.80、504.15m以上巖體的第2次波速值較第1次波速值明顯偏小，該高程以下巖體兩次波速值相當(dāng)，因此認(rèn)為ZK3、ZK4鉆孔爆破影響下限高程分別為504.80、504.15m。

分析鉆孔ZK5、ZK6、ZK7、ZK8兩次測(cè)得的巖體波速的比值可知：對(duì)于ZK5鉆孔，在504.24m高程位置波速比為0.68，此高程以下巖體波速比增大至1.0左右，此高程以上巖體波速比明顯減小，其爆破影響下限高程為504.24m。對(duì)于ZK6鉆孔，在504.25m高程位置波速比為0.82，此高程以上波速比減小，在高程504.85時(shí)波速比降為0.5，其爆破影響下限高程為504.25m。對(duì)于ZK7、ZK8鉆孔，分別在高程503.71、505.32m以上巖體第2次所測(cè)波速較第1次所測(cè)波速明顯偏小，因此認(rèn)為ZK3、ZK4鉆孔爆破影響下限高程分別為503.71、505.32m。

鉆孔爆破影響深度匯總見(jiàn)表2。

在河床壩基進(jìn)行了15組跨孔波速補(bǔ)充測(cè)試，繪制了波速—孔深曲線，發(fā)現(xiàn)波速—孔深曲線均存在突變現(xiàn)象，壩基巖體淺部位置波速較小，隨著孔深增大到一定位置，波速突然顯著增大。淺部位置波速較小的原因是巖體在爆破開(kāi)挖作用下出現(xiàn)不同程度損傷，而爆破影響下限高程以下巖體未出現(xiàn)爆破損傷，結(jié)構(gòu)致密，波速突然變大，因此爆破影響下限高程可根據(jù)波速突變位置分析得出。

根據(jù)鉆孔ZK1～ZK8爆破前后聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)及跨孔波速測(cè)試結(jié)果，繪制不同位置的爆破影響深度直方圖，可知爆破開(kāi)挖在不同位置壩基巖體形成了不均勻的影響深度，爆破開(kāi)挖對(duì)壩基巖體的影響深度平均值為1.12m，一般在2.0m以內(nèi)，超過(guò)2.0m的約占6.25%。

同樣，根據(jù)壩基巖體的聲波測(cè)試結(jié)果，繪制不同位置的爆破影響下限高程直方圖，可知不同位置壩基巖體存在不同的爆破影響下限高程。爆破開(kāi)挖對(duì)壩基巖體的影響下限高程平均值為504.43m，爆破影響下限高程在504.5m以下的約占50%，在504.0m以下的約占18.75%。受爆破影響的壩基巖體應(yīng)清除松動(dòng)的巖塊，避免混凝土澆筑與巖體存在薄弱結(jié)合面。

根據(jù)波速測(cè)試結(jié)果可得壩基巖體在高程504.5、504.0m的波速分區(qū)圖，如圖4、圖5所示（v為波速），進(jìn)一步計(jì)算得出高程504.5、504.0m處巖體波速面積（剔除斷層區(qū)域）百分比，見(jiàn)表3。

可知，高程504.5m處，波速高于3400m/s的壩基巖體區(qū)域面積占比達(dá)到81.5%，其中波速高于4300m/s的占72.1%;高程504.0m處，波速高于3400m/s的巖體區(qū)域面積占比達(dá)到90.6%，其中波速高于4300m/s的占79.5%。波速高于4300m/s的區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)較完整，波速高于3400m/s的巖體區(qū)域面積占比均在80%以上，通過(guò)固結(jié)灌漿處理可基本滿足壩基設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

（1）壩基巖體受爆破開(kāi)挖和裂隙的影響，下部位置尤其是高程504.5m以下波速高且穩(wěn)定，巖體完整性較好，局部巖體波速低于4000m/s，巖體完整性較差，主要是附近斷層、裂隙等構(gòu)造導(dǎo)致的。

（2）壩基巖體整體電磁波CT衰減系數(shù)較小，僅局部巖體衰減系數(shù)較大，分布高程主要在498.5～501.0m之間;河谷壩段上游邊界的壩基巖體完整性優(yōu)于下游邊界的，靠近左右岸的壩基巖體完整性優(yōu)于壩段中部的，電磁波CT紅色區(qū)域?qū)?yīng)波速≤3300m/s，橙色區(qū)域?qū)?yīng)波速在3300～3900m/s之間。

（3）壩基巖體爆破影響深度主要在2.0m內(nèi)，影響深度下限高程主要在504.0m以上。壩基高程504.5m處，波速高于3400m/s的巖體區(qū)域面積占比達(dá)81.5%，其中高于4300m/s的占72.1%;高程504.0m處，波速高于3400m/s的巖體區(qū)域面積占比達(dá)90.6%，其中波速高于4300m/s的占79.5%。波速高于4300m/s的區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)較完整，波速高于3400m/s的巖體區(qū)域面積占比均在80%以上，通過(guò)固結(jié)灌漿處理可基本滿足壩基設(shè)計(jì)要求。

【責(zé)任編輯 張華巖】