基于现场超声波测试的坝基开挖质量评价

基于现场超声波测试的坝基开挖质量评价

在节水水电工程中，水库基础爆炸和挖掘通常会对下层岩石造成不同程度的损害。目前主要是采用声波法进行爆破前后的对比测试,确定爆破破坏范围,评定建基面岩体开挖质量。李张明结合混凝土纵向围堰建基面检测的实例,研究了弹性波检测中岩体波速的标准值问题,岩体完整性系数及岩体波速的统计规律,岩体波速与岩体质量分级的关系等。彭启友从建基面岩体弹性波检测技术要求、检测基本理论、方法技术以及典型成果分析等方面,介绍了弹性波检测技术在三峡工程中的应用和效果。岩体爆破损伤特性除了影响声波速度外,还明显地引起声波形态特征的变化。声波频谱特征值的大小反映了冲击后岩石的完整性。在表征岩石破坏中裂纹产生,扩展直至破坏的全过程时,波速频谱特征值的变化比波速的变化更为敏感。声波形态是判断损伤的另一指标,鉴于此,对现场实测的声波测试信号中的波形、波幅、主频等声学参数随孔深的变化规律进行了分析,弥补了单纯声波速度分析的不足。为合理确定大坝基础岩体的爆破损伤大小及其影响范围提供依据。从而为坝体的稳定性研究、安全加固及坝基的防渗效果分析提供有益的参考依据。1工程地质条件湖南托口水电站厂房区岩层主要为板岩、冰碛岩、白云质灰岩,主要建筑物可建在弱风化岩体上,没有大的断层分布,岩体强度总体上可以满足建基要求。在厂房区,残坡积物主要分布于蛤蟆湾至团鱼湾的左岸坡一带,其中王麻溪左岸厚8～40.4m,王家坳垭口以西左侧山坡厚一般7～14m,局部地段可达32m,由粘土、粉质粘土夹碎、块石组成,碎、块石一般由杂色砾岩风化解体形成。水电站的工程地质条件比较复杂,原拟在坝基开挖前进行爆破试验,但因某些原因未能实现。鉴于这种情况,我们在施工过程中,针对出现的问题选择有代表性的地段,利用声波测试技术进行检测,并且取得了满意的效果。2爆破前后岩体质量强度测试声波测试是一种方法灵活、快捷、低投入、技术含量高的无损检测技术,在工程质量控制和地质勘察中得到广泛应用。声波测试是弹性波法检测开挖爆破对岩体破坏影响程度的一种主要方法。在无限大弹性体中,由可以导出纵波(P波)的波动方程Vp=E(1−μ)ρ(1+μ)(1−2μ)−−−−−−−−−√(1)Vp=E(1-μ)ρ(1+μ)(1-2μ)(1)式中:Vp为纵波(P波)波速;E为介质弹性模量;μ为介质的泊松系数;ρ为介质密度。依据声波波速的测定结果,参照规程、规范可以评定爆破开挖对岩体介质的破坏深度或基础岩体质量完整性。测试原理如图1。我国《水工建筑物岩石基础开挖工程技术规范》(SL47—94)中,采用声波法建立了岩体损伤度(D)、声速降低率(η)之间的关系:D=1−(vp2/vp1)2=1−(1−η)2(2)D=1-(vp2/vp1)2=1-(1-η)2(2)式中:vp1和vp2分别为爆破前和爆破后的声波纵波波速。现场建基面保护层采用一次爆除法,炮孔深度为2～2.5m,炮孔直径为42mm,孔距2.0m,排距1.5m,单耗为0.3kg/m3。3孔距及声波测井距离在本次试验中,岩体的纵向完整性采用单孔声波测试方法,横向完整性采用跨孔声波测试方法。测试孔布置要求为:(1)测试用手风钻钻孔要求孔深2.5～3m,孔径45mm,测孔在炮孔底以下深度不小于3m,跨孔声波测试孔孔距1.5～2m。(2)声波测井探头收发源距0.5m,接收间距0.2m,测点距0.2m。遇到异常情况,则加密测点。(3)检测孔按单元分组布置,每一单元根据岩层和构造情况布置2组钻孔,每组钻孔3个。此外,在岩层变化处,也进行测试。如图2。4试验结果与数据分析4.1测试层内波速趋势变化声波波速随孔深的变化量反映了建基面以下岩体完整性在竖向上的分布,同时也反映了爆破引起的损伤程度的大小。由图3可见,孔深0～1.2m范围内的声波速度相对较低,建基面岩体爆破的影响深度约为1.2m,这反映了浅部岩体完整性相对较差。在测试剖面中,松弛带和非松弛带(即松弛带和原岩体)的分界比较明确,但也只是相对的。实际中这个值只能由各自的孔深-波速曲线的转折趋势来划定,划分点的波速值不能套用来划分其它测试剖面,因而,这个值不具有普遍的应用意义。松弛层内的波速总趋势是从某一深度向孔口迅速降低,偶尔存在波动。岩体声速的“波动”现象,说明除爆破震动和冲击作用影响了波速,岩体本身的缺陷也会对波速造成影响。4.2孔深对波场的影响结果表明,随着孔深的增加,声波波形变得越来越规则;随着岩体损伤度不断减轻,声波波形由爆破前没有明显的规则,到最后的非对称纺锤形变得越来越规则。见图4。从图4中可以看出,随着孔深的增加,岩体损伤不断减小,声波波形随之不断发生变化。相对于孔口的波形没有明显的规律而言,随着孔深的增加,声波波形变得越来越规则。孔底的波形近似于正弦曲线。AB剖面的波形变化比AC剖面的波形变化明显一些。是因为该剖面距离爆源较近,受爆破损伤影响程度较大,爆破损伤严重,岩体中裂纹数量和尺寸更大,因此对声波传播的影响也就更大。4.3波幅幅值变化随着损伤程度的不断增加,原始裂纹和爆生裂纹之间互相贯通,形成规模较大的主裂缝。导致声波在岩体中发生反射、折射和散射的次数亦随之增加,从而使声波传播路径逐渐延长,声波携带能量的衰减程度亦不断增加。因此,才出现波幅逐渐降低的现象。从图5、图6中可以看出,孔口1m范围的波幅较小,随着孔深的增加,波幅在逐渐增大。在2～2.4m处,波幅有所降低,主要是在该位置,岩石情况较差。从前面的波速曲线里面可以看到,此处的波速较低,岩石情况劣化,从而使波幅减小。从波幅幅值变化的统计结果来看,建基面1.20m上部分,其幅值降低范围从14%～20%,此时对应的波速降低率为8%～10%。声波振幅随孔深增加的增加呈明显上升趋势,反映了岩体受到的爆破损伤程度在不断的减小。4.4ab剖面声波特性从图7中可以看到,剖面AC、AB的频谱曲线有明显变化,并且随着爆破损伤程度的增加,主频和该频域内的最大振幅在逐渐变小,能量逐渐被吸收。4m孔深处,AB剖面的声波主频为28.3kHz,频域最大振幅为117.65mV,与激振主频率30kHz接近,0.6m孔深处,AB剖面的声波主频为10.7kHz,频域最大振幅为0.04mV。可以看出,损伤程度越小,主频和频域内的最大振幅的变化也就越小。损伤程度越大,主频和频域内的最大振幅的变化也就越大。其他孔的频谱曲线也呈现出类似的变化规律,但是变化的幅度要小很多。声波测试频谱曲线会发生变化,主要原因是爆破作用下,岩体中的裂隙不断扩展、贯通,声波,能量不断耗散或被吸收。由于传播介质的完整性对频率影响很大,而测试区域岩层复杂,未能统计出损伤区频率降低范围。4.5纵向上的完整性根据水利水电工程岩体完整性的分级标准和设计单位提供资料,借鉴文献的方法,区域岩体波速和完整性系数统计结果见表1。从表1可见,完整性系数K≥0.45(岩性较完整)的岩体占所测孔深岩体的94.58%。完整性较差的岩体仅占5.42%。这说明该区域建基岩体在纵向上完整性较好。现对主厂房的建基面测试结果进行分析。从所测得的声波波速来看,在194个测点中:波速特征值的最大值为5750m/s,最小值为2050m/s,平均值为4450m/s,集中分布在4200～4880m/s之间。由于部分测孔位于岩溶发育区,从而导致波速波动较大。5爆破前后声波波速变化(1)原岩体内的波速随深度变化不大,总是在某一均值附近振动,反映原岩体中岩性和微裂隙的不均匀性。岩体声波速度的“波动”现象,说明除爆破震动和冲击作用影响了波速,岩体本身的缺陷也会影响波速值的大小。(2)依据爆前、爆后检测声波波速的变化情况,波速降低区出现在离爆后建基面0.2～1.2m处。低于基础面1.2m以下区域波速降低率较小,说明爆破对该部其影响较小,所选用的爆破参数基本能满足开挖要求(3)随着孔深的增加,岩体损伤度不断减小,声波波形变