岩溶地区拱坝建基岩体质量检测技术应用-合肥国为电子有限公司

合肥国为电子有限公司HEFEIGUOWEIELECTRONICSCO.LTD.岩溶地区拱坝建基岩体质量检测技术应用孙永清，李永铭，朱海东（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司贵州 贵阳 550081）摘要：本文介绍了贵州岩溶地区某电站拱坝建基岩体质量检测方法技术，通过实测效果论证了岩溶地区特殊的地质条件及施工工序下检测方案的可行性及可靠性，对类似工程节省工期，节约投资有着重要借鉴意义。关键词：岩溶；拱坝；岩体质量检测1引言贵州北盘江流域某电站坝址区位于典型溶蚀侵蚀的河谷地貌之中，河谷为“U”型谷，两岸陡壁之上为桌状中山。坝址区河流下切强烈，伴随有强烈的溶蚀、塌陷、崩塌作用，阶地残缺不全，隐约可见4级阶地。工程为三等中型工程，主要建筑物为3级建筑物。枢纽主要由碾压混凝土拱坝、坝身泄洪系统、右岸引水系统及地下厂房和生态流量小机组引水发电系统等组成。坝肩槽开挖采用独特的窑洞式开挖，具有开挖范围小，边坡高度低、节省开挖及支护工程量、保护边坡生态环境及提高坝肩稳定性等优点。同时开挖断面尺寸大，嵌入山体深，岩石地质条件差等不利条件，必须严格开挖过程控制，并对开挖后的建基岩体质量进行检测，评价开挖后岩体质量，并根据检测结果确定是否对原设计建基面进行适当调整的可能性。2检测目的根据工程地质条件、施工工艺及设计要求，该工程建基岩体质量检测内容和目的为：对坝基岩体进行检测，对原设计建基面的岩层及结构面分布、岩体质量及相关力学与强度参数进行复核；并根据检测资料确定是否对原设计建基面进行适当调整的可能性；检测坝基是否存在影响坝基变形、沉降和水流渗漏的隐伏溶洞、溶缝、溶槽存在；复核断层带的破碎区范围、宽度、充填物性质、影响带及产状的变化情况，沿断层的岩溶发育特征；测定爆破影响松弛带厚度，为坝基岩石开挖确定预留保护层厚度；据此，检测分三个部分：开挖前声波检测，检测爆破松动（影响）层厚度，实时跟踪并指导大坝坝肩槽开挖；河床坝基物探检测，当坝基开挖至预定高程后，进行综合物探检测，根据检测成果拟定合适的建基面高程；开挖后（固灌前）物探检测，坝基及坝肩开挖至设计高程（边界）后进行物探检测，分析爆破松动（影响）范围，复核坝基岩体质量及相关力学与强度参数。3检测方法及布置3.1开挖前声波检测坝肩原地面位于“U”型峡谷边，为陡峭山壁，因此开挖前声波检测布置于逐层开挖过程中的开挖平台上，斜向山体，距离坝边线约8m，角度60，深度超过设计开挖边界（图1），为20m，以测试建基附近未受爆破影响时的声波数据，与开挖完成后检测结果对比分析，评价建基岩体质量，同时孔口附近检测结果实时体现爆破松弛影响深度，指导施工方调整爆破参数，最大限度保护建基面岩体。图 1 坝肩开挖前声波孔布置图（局部）说明：ZK-KWQ-X为开挖前钻孔ZK-KWH-X为开挖后钻孔3.2河床坝基检测该工程设计坝基建基高程为768.6m，当河床覆盖层岩体完全开挖完成后至约785m，在此开挖面布置钻孔，孔深超过原设计高程，为30m，进行综合物探检测方法（图2），对坝基岩体质量进行超前预判，拟定最优建基面高程。图 2 河床坝基综合物探检测布置图岩溶地区影响大坝结构稳定最为重要的不利地质情况包括断层、隐伏溶洞、溶缝、溶槽等现象，为此，必须通过综合物探检测技术对建基进行检测，包括：单孔声波、声波CT、钻孔原位变模测试、钻孔全景成像。3.3开挖后检测对于两坝肩，随着窑洞式开挖面降低，在已开挖完成的建基面布置钻孔，通过单孔声波、声波CT、钻孔原位变模测试、钻孔全景成像检测方法（图3），检测坝肩岩体质量。在河床坝基部位，通过超前预判综合物探检测，拟定了合适的建基面高程，在施工时为保护建基岩体进行小药量薄层开挖方式，通过现场地质情况及物探检测成果的综合分析，评价整个建基面岩体质量。图 3 坝肩开挖后岩体质量检测布置图（局部）4检测成果评价4.1开挖前声波检测开挖前单孔声波测试在坝肩开挖过程中实施，测试成果及时反馈给工程施工单位，指导调整爆破参数。表 1 开挖前声波检测爆破松动层统计表序号钻孔编号孔口高程（m）根据声波推测爆破松动（影响）层松动层以下平均波速（m/s）备注钻孔深度（m）径向深度（m）平均波速（m/s）1ZK-KWQ-1右岸8655.85.0317049402ZK-KWQ-2右岸8374.43.8320051403ZK-KWQ-3右岸8203.42.9272051404ZK-KWQ-4右岸8032.82.4315051905ZK-KWQ-5左岸8132.21.9294048706ZK-KWQ-6左岸8283.42.929304990根据声波成果，以3800m/s4200m/s之间出现明显拐点作为判断爆破松动（影响）圈的特征点，爆破松动（影响）圈孔内深度为2.2m5.8m，平均波速2720m/s3200m/s，爆破松动（影响）圈以下平均波速4870m/s5190m/s。爆破松动（影响）圈垂向厚度为1.9m5.0m。随着开挖高程降低及爆破参数调整，爆破质量得到改善。4.2河床坝基检测4.2.1单孔声波检测对河床坝基所有钻孔的单孔声波波速值按高程进行分段统计分析（表2、图4）。表 1 河床坝基单孔声波速度统计表高程（m）测点V3km/s3km/sV3.8km/s3.8km/sV4.6km/s4.6km/sV5.5km/sV5.5km/s测点比例（%）测点比例（%）测点比例（%）测点比例（%）测点比例（%）7857838422.41315.5910.72732.13339.37837823000.026.726.71343.31343.37827813000.0413.313.31240.01343.37817803000.0620.026.7620.01653.37807793013.3620.0620.0620.01136.77797783200.0412.526.31237.51443.87787773900.037.725.1923.12564.17777764800.000.024.21225.03470.87767755000.024.036.01734.02856.0775以下98230.3303.1545.522723.166868.0图 4河床坝基声波速度沿高程概率分布图从统计结果可知，测试高程范围内，不同高程波速大于4600m/s的比例占56.7%95.8%，低比例出现在780m779m，占56.7%，随高程降低，波速大于4600m/s的比例上升并趋于平稳。由图4可以看出，小于3800m/s的波速主要分布于778m以上，778m以下大于4600m/s的波速比例大于87.2%，并呈上升趋势。4.2.2声波CT及三维建模对河床坝基所有声波CT进行反演、三维建模，建立坝基声波波速三维分布情况（图5、图6）。图 5 河床坝基声速分布三维模型图 6 河床坝基声速分布平切图坝基785m以下测试范围内声波波速在3100m/s6000m/s之间，坝基岩体未发现较大规模岩溶现象。除表面爆破松动层或爆破裂隙波速较低外，测试范围内存在局部低波速区域，波速范围在3300m/s4600m/s，为破碎区域或夹层。4.2.3钻孔全景成像从钻孔全景成像图中可见，部分孔段裂隙、夹层较为发育。ZK-HC-3孔在高程778.6m，ZK-HC-5号孔在778.2m高程以上和772m766.5m高程岩体破碎段较为集中。4.2.4钻孔原位变模测试对河床下游侧5个钻孔进行变模测试，测试点距为5m，河床坝基岩体为P1q2灰岩，钻孔变模为3.8GPa24.9Gpa，平均为15.8GPa。表 2 河床坝基钻孔变模分段统计表高程范围（m）785.5779.8777.0774.0772.0769.0767.0764.0762.0759.0变模（GPa）区间7.217.610.824.83.824.910.124.312.122.3平均13.717.314.516.816.24.3开挖后岩体质量评价4.3.1单孔声波开挖后钻孔位于已开挖的坝基（肩）不同高程，垂直于坝基或角度不小于60，钻孔布置见附图14，单孔声波测试成果图及各孔声速统计附后。根据已完成的11个钻孔单孔声波成果（左、右岸784.6m钻孔位于隧洞内，不体现坝肩特征，不统计），以3800m/s4200m/s之间出现明显拐点作为作为判断爆破松动（影响）圈的特征点，爆破松动（影响）圈孔内深度为3.4m7.4m，平均波速3160m/s3710m/s，爆破松动（影响）圈以下平均波速4930m/s5260m/s。爆破松动（影响）圈垂向厚度为3.1m6.2m，随着开挖高程降低及爆破参数调整，爆破松动（影响）圈厚度减小。4.3.2声波CT根据声波CT测试成果，除爆破松动（影响）圈以外，波速4000m/s5300m/s，坝肩岩体未发现明显溶蚀、溶洞（波速低于3000m/s），整体较完整，左岸808.6m813.0m，深5.9m8.0m，右岸816.0m821.0m，深度5.6m10.4m存在局部破碎区域（波速3000m/s4000m/s），河床部分左岸高程772m，右岸高程763m存在局部岩体破碎区或夹层。根据声波CT成果，将坝肩爆破松动（影响）半径按高程5m一段，分段进行统计，根据统计结果，爆破影响半径随高程下降呈减小趋势，785m以下按保护层开挖，爆破影响半径在1m左右，爆破影响半径较大值出现在坝肩开挖初期，高程830m以上或与灌浆廊道相交部位，爆破影响半径大于3m。4.3.3钻孔原位变模测试通过坝肩39组及河床24组孔内原位变模测试和相应钻孔的声波测试成果，在有限的数据基础上，建立起本工区测试段钻孔变模与声波速度的关系。图 7 P1q2灰岩声波与变模对应关系曲线通过拟合，得出坝址区P1q2灰岩声波与变模的拟合关系为：相关系数R2=0.868696，波速拟合范围3540m/s6030m/s，在一定波速范围内，可用声波波速估算变模。4.4综合评价（1）坝肩爆破松动（影响）圈平均波速2720m/s3710m/s，爆破松动（影响）圈以下平均波速4870m/s5260m/s。爆破松动（影响）圈半径为0.8m6.2m。爆破影响半径较大值出现在坝肩开挖初期，高程830m以上或与灌浆廊道相交部位，爆破影响半径大于3m。随着开挖高程降低及爆破参数调整，爆破松动（影响）圈厚度减小，爆破质量得到有效控制。（2）河床坝基岩体单孔声波波速在2380m/s6250m/s之间，平均完整性系数在0.280.88之间，岩体完整性在较破碎完整之间，局部岩体破碎，裂隙发育；小于3800m/s的波速主要分布于778m以上，778m以下大于4600m/s的波速比例大于87.2%；建议河床坝基建基面调整至778m高程，清除建基面附近的夹层及破碎岩体，对于坝基下存在的夹层及涌水现象，建议加强固结灌浆与防渗处理。（3）坝肩及坝基建基面以下检测范围内未发现较大规模岩溶现象，整体较完整，浅表及灌浆廊道附近局部破碎；左右岸坝肩开挖初期形成的爆破松动（影响）圈半径偏大，建议强化坝肩固结灌浆并加强质量过程控制。5结语通过本工程的检测过程可以看到：（1）岩溶地区的地质情况复杂，通过物探检测技术手段可以有效地查明隐伏溶洞、溶蚀破碎带等，防止由于潜在的地质风险给工程带来安全隐患。（2）拱坝结构上坝肩所受应力较大，对坝肩岩体进行岩体质量检测极其必要，在实施过程中，坝肩检测难度较大，必须将检测工作纳入施工单位的总体开挖方案中，利用其逐层开挖间歇实施检测。（3）通过本次建基岩体质量检测，及时反馈声波检测成果，对调整爆破参数，控制坝肩开挖质量起到重要作用；同时在坝基进行超前检测，拟定合适的建基面，使得在达到优化建基面时提前进行保护层方式开挖，减少爆破对岩体的影响，最终抬高建基面约9m，极大的节省了工期，节约了投资，对类似工程有重要借鉴意义。参考文献未标注。作者简介：孙永清(1982-)，男，工程师，主要从事水电水利工程物探勘探及检测技术。-摘自2017年工程地球物理学术年会各单位会上交流论文集电话：0551-65327898传真：0551-65327899邮箱：hfgwe