平硐声波在某大型水电站中的应用
江长森 1
（四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川成都，610072）
摘要：本文介绍了平硐声波在某大型水电站坝址区前期勘探中取得的应用效果，通过声波速度划分岩体风化卸荷深度及岩体等级提供定量依据；同时将所有声波资料进行分类整理和综合分析，获得坝区各不同部位声波速度，为工程地质对坝址区岩体质量提供依据。 关键词：平硐声波；声波速度；风化卸荷；岩级； 概率分布；
1 前 言
某大型水电站是大渡河流域水电梯级开发的关键性工程之一，该水库为大渡河干流上游控制性水库。电站初拟坝型为砾石土芯墙堆石坝，坝址处控制流域面积39330km2，多年平均流量527m3/s。正常蓄水位2510m，库容约31.15亿m3，最大坝高322m，装机容量2000MW。电站建成后，由于水库的调节作用可增加下游各梯级保证出力约1782MW，发电补偿效益十分显著。
该电站前期勘探前后历时4年，现已进入可研阶段尾声。由于该电站为特高坝，因此进行了大量平硐勘探。平硐声波作为一种直接、准确的测试方法，在此期间，对电站坝址区各个工程部位勘探平硐进行了大量声波测试工作，为各平硐划分岩体风化卸荷深度及岩体等级提供定量依据；同时将所有平硐声波测试资料在分类整理和综合分析的基础上，从微观到宏观，从局部到整体，结合地质资料进行计算分析，制作了反映声波速度空间分布及概率统计规律的图形和表格，获得坝区各不同部位声波速度，为工程地质对坝址区岩体质量提供定量依据。 2 平硐声波原理及方法技术
声波速度是岩体物理力学性质的重要指标，与控制岩体质量的一系列地质要素有着密切关系。声波速度不仅取决于岩石本身的强度，而且当声波穿透裂隙岩体时，往往会产生不同程度的断面效应，导致波速降低，这种散射现象与岩体结构的发育程度、组合形态、裂隙宽度及充填物质有关。声波速度资料可定量划分岩体质量级别，确定层间、层内错动带，裂隙密集带及软弱夹层的空间分布。 平硐声波测试采用单孔与对穿两种方式，单孔声波测试探头采用一发双收换能器，两个接收换能器的距离为20cm，沿孔深每隔20cm进行一次数据采集，记录点设在两个接收换能器中间，声波测试曲线每一点的速度值，实际上是反映了在该深度上两个接收换能器之间孔壁岩体波速的平均指标。声波探头在孔中是以水为耦合介质，水的波速为1450 m/s左右，低于岩体的速度，声波的传播路径是由发射换能器所激发的弹性波，经过水的耦合传递到孔壁岩体开始滑行，再经过水的耦合才到达每个接收换能器。之所以采用一发双收装置，以两者的时差来计算速度，是为了在一定程度上克服波的射线经过耦合介质所带来的系统观测误差，从而保证测试成果尽可能地反映被测介质的真实波速，有利于体现岩体的力学特征。平硐声波对穿测试探头采用一发一收换能器，发射与接收换能器分别放入两个相邻1m左右的风钻孔中，测试点距0.2m，对穿声波必须作孔斜测量，使用梯形校正法进行孔距校正，计算声波速度。利用声波速度值，可为地质划分1 江长森，男（汉族），湖北红安人，中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，工程师，学士（毕业于成都理工大学，勘查技术与工程专业）。
风化卸荷深度、岩体质量分级提供定量指标。
平硐声波数据处理采用专门软件系统，通过初至判读、计算分析、综合统计、图件绘制等流程，形成最终物探成果，供用户使用。
3 应用成果分析
本阶段共对坝址区32个平硐进行了声波测试，其中左岸15个，右岸17个。每个平硐均进行了单孔与对穿声波测试。由于一般情况下单孔声波速度与对穿声波速度基本一致，以下成果分析均以对穿声波为例。
3.1 平硐声波应用实例
在勘探期间，在每个平硐施工完毕后，及时对其进行声波测试，形成平硐声波速度成果图，反映沿硐壁1~1.8m深度声波速度变化情况，为工程地质划分该硐岩体风化、卸荷深度及评价岩体质量提供依据，便于指导下一步的勘探施工。
图1为坝址区右岸PD14平硐声波速度成果曲线图。该平硐为某平硐支硐，位于坝址区关键部位，硐内地质条件复杂，根据硐壁表面形态，岩体风化情况看不出明显变化。但结合该硐声波测试成果，较直观反映出岩体风化及岩级情况。
图1 PD14平硐声波速度成果曲线图
由图1声波速度变化情况并结合地质情况，硐深0~22m段波速曲线位于高速区，平均波速为5057m/s，确定为新鲜Ⅱ类岩体；22~26.8m段波速曲线位于低速区，平均波速仅为2685m/s，为强风化Ⅴ类岩体； 26.8~45m段波速曲线位于高速区，平均波速为5177m/s，为新鲜Ⅱ类岩体；45~90m段波速曲线位于波速相对较低区，平均波速为4130m/s，为弱风化Ⅲ类岩体；90~127m段波速曲线位于高速区，平均波速为5077m/s，确定为新鲜Ⅱ类岩体。可见，结合PD14平硐声波速度成果，能将看不到的岩体地质情况反映出来，避免错误的地质分段。
3.2 坝址区左、右岸岩体对比评价
通过对坝址区大量平硐声波测试，将左、右岸岩体声波速度分别进行综合统计，从宏观上反映出左、右岸岩体质量及其质量差别，为相关专业对坝址区左、右岸工程地质评价提供定量依据。
图2、图3分别为左、右岸岩体各岩级波速概率分布图，从分布图可以明显看出各岩级声波速度在1000~6500m/s内的分布概率情况，较直观反映出声波速度与岩体级别的对应关系，同时验证工程地质岩级划分的合理性。
图2 坝址区左岸平硐声波速度概率分布图
图3 坝址区右岸平硐声波速度概率分布图
通过综合统计声波速度及结合以上两图，左、右岸Ⅱ类岩体平均波速分别为5267m/s、4735m/s；左、右岸Ⅲ类岩体平均波速分别为4860m/s、4156m/s；左、右岸Ⅳ类岩体平均波速分别为3513m/s、3783m/s；左岸无Ⅴ类岩体。可见对于Ⅱ、Ⅲ类岩体，左岸岩体波速明显高于右岸岩体波速，说明左岸岩体质量优于右岸；Ⅲ类以下岩体左、右无明显差别。从宏观上通过声波速度分析左、右岩体质量差别与工程地质推测分析非常吻合，不仅验证工程地质的正确性，也为其提供可靠的定量依据。
3.3 坝址区岩体工程地质评价
将坝址区所有平硐的声波速度分别按岩级、风化、卸荷进行统计。统计结果将不同岩级、风化、卸荷岩体利用声波速度进行量化，从宏观上对坝址区岩体进行评价，结合工程地质特征提出坝址区岩体声波速度建议值，为下步施工标准提供依据。
图4、5分别为坝址区岩体按岩级、风化、卸荷声波速度概率分布图，从分布图中可以清楚看出不同岩级、风化、卸荷岩体声波速度分布情况。
图4 坝址区平硐声波速度按岩级概率分布图
图5 坝址区平硐声波速度按风化卸荷概率分布图
表1为通过声波速度统计出不同岩级、风化、卸荷岩体声波速度值。
间声波速度差异明显；随着岩体风化、卸荷程度降低，声波速度明显增加。可见，声波速度对不同岩级、风化卸荷岩体给出了一个量化评价，同时为工程地质评价提供定量依据。
根据坝址区岩体声波速度统计值，结合工程地质特征及相关规范，给出该电站坝址区岩体声波速度建议值（见表2）
表2 坝址区岩体岩体声波速度建议值
4 结束语
声波测试作为一种简单、直接、准确的物探方法，已在水利水电工程前期勘探及施工检测中取得广泛应用，平硐声波测试在该大型水电站前期勘探中试取得良好的应用效果，解决了不少的地质问题，并为相关工程地质评价提供了可靠的定量依据，同时为指导电站下一步施工取得宝贵的勘探资料。
参考文献：
[1] 陈仲侯等主编. 工程与环境物探教程[J]。 地质出版社,1993