弹性波测试在某水库灌浆质量检测中的应用

司治

（新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队，新疆昌吉831100）

1 工程概况

某水库位于新疆境内，是1座在建的以蓄洪为主的大型水利枢纽工程。总库容6.4×106m3，为国家重点工程。

施工中发现：在主坝右肩部，比高约300m，坡度约45°的山体边坡上，存在垂直坡面厚度约20m的岸坡岩石倾倒体。其岩性为新第三纪泥岩，粉砂岩互层，常见泥岩，正常地层产状NE65°·SE＜70°～85°。由于第四纪以来右岸山体的强烈上升和风化侵蚀，边坡岩层出现弯曲、扭折、变形和倾倒，致使上部岩石风化破碎，自然紧密度较不均一，节理裂隙发育，局部发育有不连续张性滑裂缝，裂隙与岩层的走向基本为上下游方向。为此，水利部有关部门审查决定，对右坝肩倾倒体进行防渗和灌浆处理，以防止倾倒体在水库蓄水后产生过量沉陷和下滑，危及水库大坝的安全稳定。

2 基本原理及工作方法

地震波在岩体中的传播，一般可看作振动在弹性介质中的传播[1]。因此，纵波速度值主要反映了岩石的抗压缩与抗拉伸的能力，即抗压缩与抗剪切能力的组合。横波速度反映岩石抗剪切能力。一般认为横波波速受岩石水的赋存条件影响较小。岩石泊松比主要反映了岩石抗压缩与抗剪切能力的相关关系。

但在实际工作中，主要测试岩体波速，其不仅取决于岩石的强度，且在岩体局部的特殊条件下，并不服从弹性介质的传播规律。因此，岩体波速在一定程度上是岩石强度特性和岩体构造特性综合效应。岩体波速值及岩体波速与岩石波速的接近程度（即岩体完整性系数Kv=V2pm/V2pr,其中，Vpm为岩体纵波速度Vpr为室内岩块速度），是判定岩体强度及完整程度，结构特征的重要依据。

根据地形条件，倾倒体地震波速测试主要是设置专门的勘探孔或利用灌浆孔，检查孔采用地震跨孔法、单孔时距曲线法及检层法分别测试灌浆地段岩体铅直方向、倾斜方向、水平方向以及灌前、灌后波速的变化情况，从而划分倾倒体的界线及原始状态，检查并了解灌后岩体的改善情况。

针对倾倒体的特殊性，为避免各种可能因素对灌后波速值的影响，通常采用灌前、灌后原位对比的测试方法，即在主要灌浆地段设置若干（2个以上）或选择若干个灌浆孔作为物探测试孔进行灌前的原位波速测试，灌后待凝28d以上，对原孔进行同测点、同方法的灌后原位波速的对比测试，除勘探孔采用造孔与测试一次完成，灌浆孔灌前测试，根据灌浆工艺，每孔分3~6段循环进行。

3 测试成果与分析

3.1 倾倒体界线划分与原始状态分析

根据大量灌前单孔时距曲线斜率计算岩体垂向波速结果表明：孔内地层自上而下一般均可分为3个波速段：第1段波速1300~1700m/s；第2段波速1700~2500m/s；第3段波速2500~2800m/s。除第3段波速值全区各孔反映较稳定，上部2个波速段各孔测试结果有较大出入，层位反映也变化较大。除个别孔，上部2个波速段波速值均较其他方法地震测试结果较高。

根据倾倒体结构特征分析，单孔时距曲线可能对倾倒体主要发育陡倾角裂隙反映较差，主要受岩块结构特征影响较大，故测定的岩体垂向波速较大，且不稳定，此外，可能受上部倾斜混凝土盖层影响，发生了折射。

地震检层法波速测试同样可以反映岩体波速随孔深增加波速增大的趋势，但受上部回填坝料混凝土层影响，分层较为困难。在此基础上，进行地震跨孔水平方向波速测试，采用跨距7~12m，取得了较好的地质效果。

根据地震跨孔水平波速测试结果，选取本区岩体最高波速V=2800m/s作为完整岩石波速V值，通过计算倾倒体各层岩体完整性系数Kv值，对倾倒体的原始状态进行了分析，如表1所示。结果表明，根据跨孔水平波速测定，可划分出强倾倒体、弱倾倒体和正常基岩3个界线根据波速特征分析，初步认为强倾倒体主要发育为破碎结构，局部可能存在有较大的裂隙和裂缝通过。弱倾倒体主要发育为裂隙结构，并且岩体裂隙及松散程度随着深度的增加逐渐减少、减小正常基岩岩体较为完整。

表1 倾倒体原始状态分析表

3.2 倾倒体灌浆效果检查评价

3.2.1 灌浆前后地震总体平均波速对比

为了解灌浆的整体效果，将灌浆前后所有可对比地震波速值进行总体平均对比，结果如下：一试区灌前平均波速1612m/s，灌后平均波速2142m/s，灌后平均波速相对提高33%。考虑到一试区采用检层法测试，一部分波速经校正误差等因素影响，灌后波速提高百分率采用25%较为合适。二试区灌前平均波速1733m/s，灌后平均波速2132m/s灌后平均波速相对提高20%。统计数字表明：试验区灌浆整体效果是显著的。注意：要使以上统计数据更具代表性，统计参数应尽量均匀分布在整个测试地段的各个部分（包括倾倒体和正常基岩）。

3.2.2 灌浆前后地震分层平均波速对比

由于倾倒体灌浆不同于一般的基岩灌浆，为分别了解强倾倒体、弱倾倒体及正常基岩不同的灌浆效果，特将灌浆前后各层所有可对比地震波速值进行分层平均波速对比，结果显示，其灌后各层波速变情况与岩体分段可灌性及灌浆吃浆量相吻合，符合倾倒体灌浆的正常规律。

3.2.3 灌浆前后波速频态曲线分析

为了进一步了解岩体不同波速值的灌后变化情况，将灌浆前后所有可对比地震波速测试结果按不同波速段进行百分概率统计，绘制出波速频态曲线。从中可以看出，二试区灌浆前岩体波速小于1500m/s的部分所占比例较大，灌后则明显减少或消失，灌前岩体波速大小1500m/s的部分所占比例相对较小，灌后则明显增大，说明二试区的灌浆效果较好，一试区灌前岩体波速小于1500m/s的部分灌后虽有所减少，但仍占较大比例。灌前波速大于1500m/s的部分灌后虽有所提高，但仍未占主要部分，因此，一试区灌浆对低速段的试区灌浆前后波速频态曲线改善仍有不足，根据试验区检查孔压水试验结果表明，一试区灌浆混凝土盖层与岩石接触段及强倾倒体部分压水指标不满足设计指示，即ω＜0.05L/（min·m2）（ω为压水试验指标），因此，初步认为：倾倒体灌后波速小于1500m/s的部分基本消失后，则单位吸水量满足灌浆设计指标，灌后波速小于1500m/s的部分仍占较大比例时，则不满足灌浆设计指标。

4 结语

对于无法进行大量常规压水试验和岩芯采取的复杂地质体，利用地震波速测试可以取得较好的效果；针对倾倒体的特殊结构，采用事先设置专门的勘探孔及地震跨孔法灌前灌后原位对比的测试方法，可减少某些可能存在的干扰因素，结果直观可行；由于倾倒体岩石处于半干燥状态，灌浆浆液析出水可能对灌后波速有一定影响，从而影响灌后效果的评价，为此，进行了部分灌后未待凝情况下的重复波速测量，初步认为在稳定性浆液灌注及灌后待凝28d以上测试，其浆液析出水对岩体灌后波速的增大影响很小；在灌浆地震波速测试孔的数量及孔位布置上还有待于进一步改进。