李張明

摘要 對(duì)三峽工程重要建筑物的建基巖體進(jìn)行彈性波檢測(cè)，既可獲得建基巖體的主要物理力學(xué)參數(shù)，為建基面的最終處理和驗(yàn)收提供科學(xué)依據(jù)，又可為整個(gè)樞紐建基面質(zhì)量提供永久可查的彈性波檢測(cè)資料。彈性波檢測(cè)技術(shù)在三峽工程建基面檢測(cè)中的應(yīng)用，是保證基礎(chǔ)質(zhì)量，確保工程安全的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。運(yùn)用彈性波檢測(cè)技術(shù)及方法，結(jié)合一期工程建基面檢測(cè)成果，研究彈性波檢測(cè)巖體波速的標(biāo)準(zhǔn)值，建立建基面檢測(cè)模式為大規(guī)模開展三峽工程建基面檢測(cè)創(chuàng)造條件。

關(guān)鍵詞 三峽工程 建基面 彈性波檢測(cè) 巖體波速

1、 概述

三峽工程是舉世矚目的特大型工程。無(wú)論是大壩壩基，還是地下廠房及船閘高邊坡等主體建筑物的基礎(chǔ)，其工程巖體的質(zhì)量特別是建基面巖體的質(zhì)量是關(guān)系基礎(chǔ)工程質(zhì)量和工程安全的重要因素。以往驗(yàn)收建基面質(zhì)量的習(xí)慣做法是建基面開挖到位后，地質(zhì)師及監(jiān)理師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷其是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。顯然，在沒有獲得一定的建基面巖體力學(xué)參數(shù)的情況下，有時(shí)會(huì)遺漏一些隱蔽的地質(zhì)缺陷，并可能對(duì)工程的安全造成危害。對(duì)三峽工程重要建筑物的建基巖進(jìn)行彈性波檢測(cè)的目的就是獲得建基巖體質(zhì)量的基本物理力學(xué)數(shù)據(jù)，為建基面的最終處理和驗(yàn)收提供依據(jù)，并為整個(gè)樞紐建基面巖體彈性波檢測(cè)提供存檔資料。此項(xiàng)工作是保證基礎(chǔ)質(zhì)量，確保工程安全的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文介紹了彈性波檢測(cè)技術(shù)及其在三峽工程建基面檢測(cè)的應(yīng)用情況。結(jié)合一期工程建基面檢測(cè)成果，研究了彈性波檢測(cè)中巖體波速的統(tǒng)計(jì)規(guī)律；巖體波速與巖體質(zhì)量分級(jí)和關(guān)系及巖體波速的標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，為今后三峽工程大規(guī)模開展建基面檢測(cè)建立了模式。

2、 建基面地質(zhì)及地球物理特性

2.1 建基面基礎(chǔ)地質(zhì)條件

三峽工程主體建筑物建基面巖石為粗粒閃云斜長(zhǎng)花崗巖。不同建筑物利用的巖面略有差異，大多以微風(fēng)化、弱風(fēng)化帶下部巖石為主，局部為弱風(fēng)化帶上部巖石。巖脈有花崗巖、偉晶巖脈和輝綠巖脈；巖脈與圍巖大多是混融接觸或緊密裂隙接觸，少量呈斷層接觸，壩區(qū)內(nèi)斷層裂隙較發(fā)育。

建基面巖體以次塊狀、塊狀結(jié)構(gòu)巖體為主，少量為鑲嵌結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu)巖體。地質(zhì)上將建基面巖質(zhì)量分為三類。即A類、B類、C類巖體。

(1)優(yōu)質(zhì)巖體(A類)：為微風(fēng)化、新鮮的塊狀結(jié)構(gòu)巖體，強(qiáng)度和變形模量高，透水性極微，是優(yōu)質(zhì)壩基巖體。

(2)良質(zhì)巖體(B類)：包括微風(fēng)化、新鮮的次塊狀結(jié)構(gòu)巖體和弱風(fēng)化帶下部的塊狀結(jié)構(gòu)巖體，強(qiáng)度和變形模量較高，透水性弱，是良質(zhì)壩基巖體，只需作常規(guī)處理。

(3)中等巖(C類)：包括斷層中膠結(jié)良好的構(gòu)造巖、斷層影響帶、裂隙密集帶等鑲嵌結(jié)構(gòu)巖，以及部分較完整的弱風(fēng)化帶上部巖體，具中等強(qiáng)度和變形模量，完整性較差，透水性較強(qiáng)，是中等質(zhì)量巖體。

2.2 建基面地球物理特性

根據(jù)以往及實(shí)測(cè)資料，建基面完整巖體地震波速(Vp)在5000m/s左右，聲波速在5500m/s左右。由于受結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度，爆破層含水程度的影響，整個(gè)建基面巖體地震縱波速度變化區(qū)間較大，一般為3000～4500m/s，極少數(shù)跨斷層及張開裂隙、松動(dòng)(爆破影響)的區(qū)段波速低于2500m/s。一般完整巖彈性波速值高，爆破破壞或巖體結(jié)構(gòu)面的增多或巖體風(fēng)化加劇，均會(huì)使巖體彈性波速度降低。

彈性波在巖體中傳播時(shí)，3其參數(shù)的變化直接反映巖體的地質(zhì)構(gòu)造和物理力學(xué)性質(zhì)，某些參數(shù)如縱波速度、橫波速度、振幅衰減、頻率等可作為巖體分類、分段、分區(qū)及分帶的準(zhǔn)定量依據(jù)，并可校驗(yàn)地質(zhì)分類或分帶的正確性。

建基面巖體彈性波檢測(cè)主要是為了評(píng)價(jià)巖體的質(zhì)量及開挖爆破影響的范圍，建基面巖體的質(zhì)量主要依據(jù)巖體彈性波速度進(jìn)行評(píng)價(jià)；升挖爆破影響范圍主要依據(jù)風(fēng)鉆孔聲波速度特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。一期工程建基巖體的檢測(cè)成果證明上述方法是可行的、有效的。根據(jù)彈性波檢測(cè)獲得的波速資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄成果，可準(zhǔn)定量評(píng)價(jià)建基面巖體的質(zhì)量，從而為建基面的驗(yàn)收提供科學(xué)依據(jù)。雖然波幅、頻率、衰減等動(dòng)力學(xué)參數(shù)亦可作為評(píng)價(jià)依據(jù)，但由于現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境噪聲大，這些參數(shù)不如波速測(cè)試的結(jié)果可靠，因此，我們主要借助運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)地震聲波速度作為主要評(píng)價(jià)依據(jù)。

3、 測(cè)試方法及技術(shù)

由于建基面質(zhì)量檢測(cè)既要求所檢測(cè)的數(shù)據(jù)能真正反映出巖體的質(zhì)量，又要求所采用的方法快速、經(jīng)濟(jì)，彈性波檢測(cè)技術(shù)是滿足上述條件的首選方法。經(jīng)過(guò)反復(fù)比較研究，建基面巖體彈性波檢測(cè)方法主要選擇地震波法和鉆孔聲波法。

3.1 地震波法

地震波法測(cè)線的布置一般為網(wǎng)格式，即線距3～7m(一般為5m，局部可根據(jù)建基面形態(tài)進(jìn)行調(diào)整)，檢波距2～4m(一般為3m)，測(cè)線方向根據(jù)塊狀巖體各異性特征，分別平行和垂直優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面布置，不平行或不垂直的重要構(gòu)造帶需要另行布置跨構(gòu)造和現(xiàn)場(chǎng)條件布設(shè)地震測(cè)線及檢波點(diǎn)，在已粘接基巖面，則與檢波器相連的動(dòng)測(cè)儀(或地震儀)便可接收到檢波器記錄的振動(dòng)信號(hào)，從得到的初至?xí)r差檢波距即得到此段巖體的彈性波速(Vp)。一般在二檢波器的兩側(cè)敲擊，以對(duì)比所獲得的初時(shí)差的可靠性。

地震法采用的儀器主要有國(guó)產(chǎn)RSM—24FD工程動(dòng)測(cè)儀、美國(guó)進(jìn)口ES—1210F、R12和R24浮點(diǎn)地震儀等，檢波器為28～38Hz中頻數(shù)字檢波器”

3.2 鉆孔聲波法

鉆孔聲波法是利用風(fēng)鉆孔(孔徑45mm左右)進(jìn)行聲波測(cè)井及跨孔測(cè)井，以獲得建基面巖體垂直方向及水平方向的縱波波速，在可能的情況下，與地震波法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，以求建立地震波速與聲波波速的相關(guān)關(guān)系，作為特殊部位的對(duì)比驗(yàn)證檢查手段。盡可能考慮一孔多用，分別進(jìn)行單孔測(cè)井和孔間巖體對(duì)穿測(cè)試，提供建基面巖體垂直向和水平向聲波速度Vp特征，結(jié)合地震波速測(cè)定評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量及爆破影響范圍。測(cè)試孔深2～3m，點(diǎn)距0.2m，探頭源距一般為0.5m，間距為0.m。聲波跨孔距一般小于3m，主要采用國(guó)產(chǎn)SYC—Ⅱ型聲波儀，換能器主頻20KHZ

4、 建基面巖體波速特征分析

4.1 巖體完整性系數(shù)(Kv)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)獲得的資料主要為巖體波速值，為了利用多參數(shù)評(píng)價(jià)建基面的質(zhì)量，我們引入巖體完整性系數(shù)(Kv)來(lái)評(píng)價(jià)建基面巖體的完整性。

Kv＝(V_p/V_pr)²

式中Vp為實(shí)測(cè)波速值，Vpr為代表性巖塊或完整性巖體波速值，該式反映巖體相對(duì)于巖塊(或完整巖體)的破碎程度。一般，按下表對(duì)巖體完整性系數(shù)與巖體完整性程度分類。

4.2 彈性波速度特征

表2列出了三峽工程某主體建筑物建基巖體彈性波速度Vp最大值、最小值及平均值，根據(jù)表中數(shù)據(jù)及初設(shè)階段實(shí)測(cè)資料，我們認(rèn)為其最大值(取加權(quán)平均值)可代表本區(qū)完整巖體的波速Vpr，因此在計(jì)算完整性系數(shù)尺Kv時(shí)，地震波速Vpr取5500m/s，聲波速度Vpr取6100m/s。

表3列出了地震波和聲波V_p及由此換算出的Kv范圍值所占百分比。

從表3可以看出。地震波和聲波速度換算出的Kv值與對(duì)應(yīng)的波速范圍約相差一個(gè)級(jí)(即500m/s)，這是由于地震波速和聲波速度之間存在著差異，造成這種差異的主要原因是由于觀測(cè)方式、觀測(cè)部位、觀測(cè)尺度及其波速的頻率效應(yīng)等綜合因素引起的。一般聲波速度要高于地震波速度，差值大小取決于巖體性狀。

結(jié)合表1和表3，我們可以初步確定彈性波速評(píng)價(jià)建基面巖體質(zhì)量及完整性的標(biāo)準(zhǔn)：即地震波Vp值3700m/s左右和聲波Vp4100m/s左右為巖體質(zhì)量差與好的臨界值，波速小于該值，相應(yīng)的Kv<0.45，表明巖體質(zhì)量及其完整性相對(duì)較差；波速大于該值，相應(yīng)的Kv>0.45，表明巖體質(zhì)量及其完整性較好(相當(dāng)于B類以上巖體)，但遇巖體結(jié)構(gòu)面變化或斷層、破碎帶以及爆破影響嚴(yán)重部位需區(qū)別對(duì)待。

4.3 巖體質(zhì)量分類與巖體波速的關(guān)系

表4給出了上述建基面巖體質(zhì)量分類與地震波速特征的統(tǒng)計(jì)表。巖體質(zhì)量分類依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄的劃分。一般地震波速特征總體上應(yīng)是A類巖體高于B類巖體，B類巖體高于C類巖體，但由于受結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化程度、爆破等綜合影響，其波速特征不可避免地出現(xiàn)跨區(qū)現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)A類少部分巖體波速值比B類巖體小。但從表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，A類巖體平均波速高于B類巖體，B類巖體平均高于C類巖體，A類巖體波速集中范圍為4000～4750m/s，B類3500～4400m/s，C類3000～4100m/s。

4.4 建基面爆破影響深度

根據(jù)單孔及跨孔聲波測(cè)井資料可以確定建基面巖體爆破深度。一般建基面表層波速偏低，爆破影響嚴(yán)重的部位聲波能量急劇衰減，甚至測(cè)不出波速。測(cè)試結(jié)果表明測(cè)區(qū)建基面爆破影響深度。集中范圍值為0.2～0.8m。

5、 結(jié)論

采用彈性波檢測(cè)技術(shù)對(duì)三峽工程建基面巖體進(jìn)行檢測(cè)，滿足了地質(zhì)、監(jiān)理對(duì)建基面驗(yàn)收所需巖體波速參數(shù)，對(duì)檢測(cè)中出現(xiàn)的低速異常區(qū)有針對(duì)性的進(jìn)行處理，保證了基面巖體的質(zhì)量，使評(píng)價(jià)建基面開挖質(zhì)量及巖體質(zhì)量有了準(zhǔn)定量參數(shù)。

結(jié)合一期工程建基面彈性波檢測(cè)成果，可得出如下主要結(jié)論：

①三峽工程建基面檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)波速

以弱風(fēng)化頂板為可利用建基面，用彈性波速度評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量和巖體完整性判定的標(biāo)準(zhǔn)為：地震波速Vp＝3700m/s，聲波速度Vp＝4100m/s也就是說(shuō)Vp小于該標(biāo)準(zhǔn)值(kV＜0.45)時(shí)巖體質(zhì)量屬中等巖體或巖體完整性較差；Vp大于該標(biāo)準(zhǔn)值(Kv＞045)時(shí)，巖體質(zhì)量屬良質(zhì)以上或巖體完整性較好(同時(shí)應(yīng)綜合考慮巖體結(jié)構(gòu)面、巖體風(fēng)化及爆破松動(dòng)的影響)。

②地震波速度與聲波速度的關(guān)系

由于所獲得的波速資料不是原位一一對(duì)應(yīng)測(cè)資料，且?guī)r體性狀差異較大，故它們之間的關(guān)系不能用常規(guī)的線性對(duì)比建立，但從總體上來(lái)看，該區(qū)建基面巖體地震波速一般低于聲波波速10%～20%。

③建基面巖體質(zhì)量分類波速特征

A類優(yōu)質(zhì)巖體地震縱波速度集中范圍為4000～4700m/s，平均值為4370m/s；B類良質(zhì)巖體地震縱波速度集中范圍值為3500～4400m/s，平均值為4130m/s；C類中等巖體地震縱波速度集中范圍值為3000～4100m/s；平均值與巖體的分類是基本一致的。

④爆破影響深度

雖然未進(jìn)行專門的爆前、爆后聲波對(duì)比觀測(cè)，但根據(jù)單孔及跨孔聲波測(cè)試數(shù)據(jù)，建基面爆破影響深度集中范圍值為0.2～0.8m。

三峽工程建基面巖體彈性波檢測(cè)工作量將隨著工程進(jìn)展而快速增加，為了獲得更多有用信息，以指導(dǎo)建基面開挖，除了做好常規(guī)的檢測(cè)工作外，還應(yīng)進(jìn)行原位的地震波與聲波聯(lián)測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)一步研究二者關(guān)系；進(jìn)行原位的爆前、爆后彈性觀測(cè)試驗(yàn)，研究不同爆破形式對(duì)建基面巖體及其彈性波速度的影響。