折射波法在边坡岩体卸荷风化分带中的应用.pdf

收稿日期 2008 07 23 基金项目 国家自然科学基金委员会 二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金重点项目 50639090 水利部水工程安全 与病害防治工程技术研究中心2007 年度开放研究基金资助项目 S0708 作者简介 肖国强 1970 男 湖南邵阳人 高级工程师 博士研究生 主要从事应用地球物理与岩石力学等方面的研究工作 电话 027 82829885 电子信箱 xgq61911 163 com 文章编号 1001 5485 2008 05 0191 04 折射波法在边坡岩体卸荷风化分带中的应用 肖国强1 2 刘天佑1 王法刚2 周黎明2 李运栋3 1 中国地质大学 地球物理与空间信息学院 武汉 430074 2 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点试验室 武汉 430010 3 长江勘测规划设计研究院 武汉 430010 摘要 边坡岩体卸荷风化层厚度及其性状是边坡设计的基本依据 目前 边坡岩体卸荷风化分带主要采用的波速 分带方法是利用岩体波速与边坡距离之间的变化关系来进行的 边坡各卸荷风化层岩体波速差异不大 因此对测 试波速精度有较高要求 与常规折射勘探相比 小排列折射波法具有如下特征 采集仪器应具有高采样率 接收换 能器为宽频带高频 接收道数为 2 3 道 道间距小 沿勘探平硐轴线布置测线 不需要钻孔 利用勘探平硐爆破开 挖时产生的低速松动层所提供的折射波探测条件能直接求出原状岩体波速的测试方法 工程应用表明 折射波法 计算原状岩体波速公式简单可行 能有效克服地形影响 测试精度高 应用该波速能有效地划分出边坡卸荷风化层 厚度 并对分层岩体性状进行分析评价 关 键 词 水利水电工程 折射波法 高边坡 卸荷风化分带 中图分类号 TU45 文献标识码 A 1 概 述 水利水电工程一般位于深山峡谷 其涉及的重大 工程地质问题之一是深切河谷两侧的自然高陡边坡 岩体卸荷风化现象 高陡边坡长期在卸荷 风化 地 下水等作用下 边坡表面一定范围内岩体的完整性变 差 岩体质量降低 根据边坡岩体卸荷风化程度 通 常划分为强卸荷风化带 弱卸荷风化带和未卸荷带 微新带 强卸荷风化带岩体质量差 一般为不可利 用岩体而需要全部开挖 视工程需要弱卸荷风化岩 体则需进行一定程度的加固或改良后而加以利用 因此 卸荷风化带厚度及其岩体性状是水利水电边坡 设计所关心的重要参数 可为合理确定边坡岩体的开 挖利用线 减少开挖工程量和经济合理的边坡岩体加 固方案 确保边坡稳定性提供基本依据 边坡岩体卸荷风化分带方法有地质法 数值模 拟和速度分带法 1 4 地质法主要根据岩体的颜 色 裂隙数量等参数综合划分卸荷风化带 但还没有 统一定量的划分标准 数值模拟结果正确与否 取 决于试验参数的选取 速度分带法是国内外研究比 较充分 并建立了不同的波速分带标准 开展的波速 测试技术主 要为钻孔 声波法以 及常规折射 波 法 5 7 由于边坡具有高陡等特性 边坡表面难以 开展常规折射波法工作 测试工作一般在勘探平硐 内进行 常规折射波法沿硐轴线布置多道接收换能 器 利用追逐相遇观测系统可以获得原状岩体波速 但由于硐表面高差起伏变化 节理裂隙发育程度不 同以及各卸荷风化层岩体波速的不均匀性 测试获 得的原状岩体波速精度较低 钻孔声波法是目前边 坡岩体卸荷风化波速分带的主要方法 该方法是沿 硐轴线按一定间距布置声波钻孔 根据各钻孔孔深 波速变化曲线 统计各钻孔部位的原状岩体波速值 并绘制原状岩体波速和边坡距的关系曲线来划分卸 荷风化带 钻孔声波法获得的原状岩体波速精度 高 但卸荷风化带厚度划分与钻孔间距有关 且需要 打大量钻孔 测试和计算工作量大 小排列折射波 法是常规折射勘探法的简化 能有效克服地形和波 速不均匀的影响 岩层波速计算公式简单 测试结 果精度高 具有快速 灵活 不需要钻孔就能直接获 得原状岩体波速的特点 2 小排列折射波法测试基本原理 众所周知 勘探平硐爆破开挖后 受到爆破动 荷 应力释放和调整等综合影响 将在硐室周围形成 第25卷第 5期长 江 科 学 院 院 报Vol 25 No 5 2008年 10月Journal of Yangtze River Scientific Research InstituteOct 2 0 0 8 一定范围的 岩体波速明显降低的爆破松动层 这 为折射波法测试原状岩体波速提供了前提条件 假定硐室爆破松动层和未扰动层 原状岩体 之 间存在波阻抗差异界面 界面以上为松动层岩体 波 速 V1 界面以下为原状岩体 波速为 V2 有 V2 V1 在二层介质模型中 弹性波将按图 1 所示的三 种路径进行传播 图 1 弹性波传播路径示意图 Fig 1 Sketch of the propagating route of elastic wave 图示可知 直达波和反射波均在松动层内以波 速 V1传播 直达波传播距离短 总是比反射波先到 达接收点 而折射波在松动层内以波速 V1传播 在界面处以原状岩体波速 V2将沿界面滑行 依上 所述 可以知道只有折射波才能获得原状岩体波速 由于 V2 V1 当偏移距足够大时 折射波将比直达 波先到达接收点 考察折射波最先到达的情况 以两接收道为例 各接收道初至波到达时间 T T2 L1 V1 L2 V2 L3 V1 1 T1 L1 V1 L2 V2 L4 V1 X V2 2 T T1 T2 L4 V1 L3 V1 X V2 3 当 X 很小时 认为硐壁表面地形高差和松动层 厚度变化不大 则 L3 L4 式 3 可改写成 T X V2 4 式中 T1 T2分别为第 1 第 2 道折射波到达时间 单位 s 直接从接收波形中读取 X 为两接收道之 间的距离 利用式 4 可计算接收道间原状岩体的 波速 V2 小排列折射波法要求记录仪具有高采样率 采 样间隔应小于 5 s 接收换能器应具有宽频带高频 一般为加速度传感器 接收道为 2 3 道 道间距 1 2 m 整个排列长度 5 500 砂岩 硬砂岩 石灰岩 辉面凝 灰岩 花岗岩 闪长岩 火山岩 安 山 岩 玄 武 岩 第三纪 岩体 页岩 砂岩 凝灰岩 砂质 页岩 其他 新鲜 坚硬 5 500 4 500 新鲜岩体 岩石自体新鲜 沿裂隙有风化 4 500 3 500 微新岩体 裂隙发育 并风 化有夹层 3 500 2 500 弱风化岩体 岩石自体风化多 裂隙多软弱夹层 2 500 1 500 强风化岩体 裂隙极发育 多 夹有粘土状岩石 1 500 1 000 全风化岩体 全风化 粘土化 有展呈岩堆状 1 000 表 3 弹性波波速分带标准建议值 Table 3 Elastic wave velocity classification standard of unloading zones of high slope 强卸荷风化带 弱卸荷风化带微新 波速建议值 m s 1 1 400 2 4002 400 3 400 3 400 4 400 图 5 卸荷风化带厚度沿边坡高程的分布图 Fig 5 Distribution of thickness of unloading and weathering layers with altitude of high slope 拐点 1至拐点 2 为弱卸荷风化带 厚度 16 52 m 拐点 2 至硐底为微新带 图 5 为卸荷风化带沿边坡 高程的分布图 从图中可以看出 卸荷风化带厚度 在直立边坡处达到最大 4 2 边坡岩体特性分析 根据分带结果 受卸荷风化作用影响较小的微 新带岩体波速 PD52 平硐为4 090 m s PD8 平硐为 4 330 m s PD70平硐为 4 100 m s 由于PD70 平硐 37 52 m 存在节理裂隙带 导致微新岩体波速统计 值偏低 若不考虑结构面对波速的影响 PD70 平硐 波速应在 4 500 m s 微新带岩体的波速沿边坡高 程增加有增大趋势 反映了马崖边坡岩体上硬下软 的地质结构 193第 5 期肖国强 等 折射波法在边坡岩体卸荷风化分带中的应用 在分带的基础上 结合室内岩石力学试验结果 采用国家标准 工程岩体分级标准 GB50218 94 11 对岩体质量进行评价 图 6为岩体质量 BQ 与 边坡距的关系 由图可知 马崖边坡强卸荷风化带岩 体一般为 上 弱卸荷风化带岩体质量为 级 新鲜 岩体为 2 Yangtze River Scientific Research Institute Wuhan 430010 China 3 Changjiang Institute of Survey Planning Design and Research Wuhan 430010 China Abstract The unloading and weathering of high slope s rockmass is one common engineering geological problem in hydraulic engineerings The thickness of unloading weathering layer and its rockmass property are a basic ref erence in the design of slope The elastic wave method is the main method used in classification of slope s rock mass unloading and weathering and its basic idea is the use of undisturbed rockmass elastic wave velocity differ ence And the refraction wave method is a more fine elastic wave method which is based on the wave s refraction theory The velocity of slope s rockmass in different depths can be obtained directly under the use of the method The application of an engineering case indicates that the data processing is simple and the result is visual in the narrow measurement area So the refraction wave meth