大坝基础开挖中岩石爆破损伤的声波测试技术.pdf

第2 8 卷第3 期 2 0 1 1 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8 N o ．3 S e p ．2 0 1 1 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 1 ．0 3 ．0 3 1 大坝基础开挖中岩石爆破损伤的声波测试技术 明锋1 ，祝文化2 1 ．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，兰州7 3 0 0 0 0 ； 2 ．武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉4 3 7 3 0 0 摘要为更好地了解坝基开挖爆破施工质量，采用声波测试技术检测岩体的完整性，评价建基面岩体开 挖质量。基于现场的声波测试，先对声波测试信号中的波速、波形、波幅的变化规律进行了分析，然后对建基 面岩体质量进行了综合评价。检测结果表明单孔、跨孔声波最大和平均衰减率均满足不超过1 0 ％的施工 技术要求，岩石完整性较好，基础开挖施工符合设计要求，爆破施工对坝基质量影响较小。 关键词建基面；爆破损伤；声波测试；声学参数 中图分类号T D 2 3 5 ．4 6文献标识码A文章编号1 0 0 l - 4 8 7 X 2 0 1 1 0 3 一O l l l 0 5 S o u n dW a v eT e s tT e c h n o l o g yf o rR o c kB l a s t i n gD a m a g e i nD a mF o u n d a t i o nB l a s t i n gE x c a v a t i o n M I N GF e n 9 1 ，Z H UW e n ．h u a 2 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fF r o z e nS o i lE n g i n e e r i n g ，C A R E E R I ，C A S ，L a n z h o u7 3 0 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt ob e t t e rs ∞t h ef o u n d a t i o ne x c a v a t i o nb l a s t i n gq u a l i t y ．t h es o u n dw a v et e s tw a su s e dt od e - t e c tt h ei n t e g r i t yo fr o c km a 8 8 ．t h e ne v a l u a t et h eq u a l i t yo ff o u n d a t i o nr o c ke x c a v a t i o n ．B a s e do nf i e l da c o u s t i cm e a s u r e m e n t ，t h et e s ts i g n a l s ’a c o u s t i cv e l o c i t y 、w a v e f o r ma n da m p l i t u d ew a sf i r s t l ya n a l y z e d ，t h e ne v a l u a t e dt h eb a s e8 u r - f a c er o c kn l l 晦sq u a l i t y ．T e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u ma n da v e r a g es o n i ca t t e n u a t i o nr a t eo fs i n g l eh o l ea n dc r o s s h o l e sB L r en o tm o r et h a n 1 0p e r c e n to ft h et e c h m c a lr e q u i r e m e n t sf o rc o n s t r u c t i o n ，a n dt h er o c ki n t e g r i t yo ft h eg o o d f o u n d a t i o ne x c a v a t i o nm e e tt h ed e s i g nr e q m r e m e n t sa n db l a s t i n gi sl e s si m p a c to nt h ed a m ． K e yw o r d s f o u n d a t i o n ；b l a s t i n gd a m a g e ；a c o u s t i cm e a s u r e m e n t ；a c o u s t i cp a r a m e t e r s 水利水电工程建设中大坝基础爆破开挖时，通 常会对建基面以下的岩体存在着不同程度的损伤。 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 收稿日期2 0 1 0 一i 0 1 2 作者简介明锋 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，主要从事爆破工程方 面的研究， E m a i l m f 0 3 2 9 1 6 3 ．c o r n 。 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 的应用和效果旧J 。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[ 3 】。声波形态是判断损伤的另一指标【4 ．5 J ，鉴于 此，对现场实测的声波测试信号中的波形、波幅、主 频等声学参数随孑L 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 万方数据 1 1 2爆破 2 0 1 1 年9 月 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 工程概况 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 4 0 ．4m ， 王家坳垭口以西左侧山坡厚一般7 1 4m ，局部地 段可达3 2m ，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 测试原理及判断标准 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 式中匕为纵波 P 波 波速；E 为介质弹性模量； p 为介质的泊松系数；p 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 。 图1 声波测试原理框图 我国水工建筑物岩石基础开挖工程技术规 范 S L 4 7 - - - - 9 4 中，采用声波法建立了岩体损伤度 D 、声速降低率 卵 之间的关系[ 6 】 D 1 一 口P 2 办，1 2 l 一 1 一叼 2 2 式中％和％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 ．51 1 1 ，炮孔直径为4 2m m ，孔距2 ．01 1 1 ，排距 1 ．5m ，单耗为0 ．3k g ／m 3 。 3 声波测孔布置 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4 5m m ，测孔在炮孔底以下深度不小于3m ，跨孔 声波测试孑L 孔距1 ．5 2m 。 2 声波测井探头收发源距O ．5m ，接收间距 0 ．2i n ，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，每组钻孑L3 个。此外， 在岩层变化处，也进行测试。如图2 。 弘一信号发射探头肛信号接收探头 图2 声波测孔剖面布置图 4 试验结果与数据分析 4 ．1 声波速度随孔深分布特征 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O 1 ．2i n 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 ．21 1 1 ，这反映了浅部岩体完整性相对较差。 f 昌 邑 捆 鲻 图3 波速随孔深变化图 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 析计口 分及接波统机声系算 - 波录统声记系 - 徽觥器 ． 石传结力制 岩的其理调在中受物能波质，、性声介播构学 - 波射统声发系 万方数据 第2 8 卷第3 期明锋，祝文化大坝基础开挖中岩石爆破损伤的声波测试技术 1 1 3 际中这个值只能由各自的孔深一波速曲线的转折趋 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 文件1 6 3 一K ．4 序号A B 一0 1 3 0 时间2 8 2 ．0I t s 幅度66 7 m v 硝舶 U 声时2 8 2 ．0 I ts 波幅7 65 d B 主颧1 95k H ≈藏缩1 0 0 1 1 a 』口剖面1 , 6 m 孔深处 文件1 6 3 一K - 4 序号A B 一0 0 1 0 时问2 6 50i ts 幅度1 1 76 5 m - t , 的缺陷也会对波速造成影响。 4 ．2 声波波形随孔深分布特征 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 。 文件1 6 3 一K - 4 序号A C 一0 1 3 0 时同4 5 3 ．0p 幅度2 ．1 6 m v 声时4 5 3 ．0 _ B 渡辄6 67 d B 主囊2 7 ．3k №放缩2 0 0 1 1 b A c 剖面1 ．6 m 孔深处 文件1 6 3 一K 一4 序号A C 一0 0 1 0 时问4 4 20p ‘幅度2 54 9 m v 声时2 6 5 ．0p - s 波幅1 0 1 ．4 d E 主额2 83k t l s 放缡2 0 ／1声时4 2 20p6 波幅8 8 ．1d B 主m 2 73k H z 放绾4 0 ／I c A B 剖4 4 m 孔深处f a A C 剖面4 m 孔深处 图4 不同孔深处的波形图 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。 A B 剖面的波形变化比A C 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 声波波幅随孔深分布特征 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lm 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。 图5 跨孔测试波幅随孔深变化图 图6 单孔测试波幅随孔深变化图 万方数据 1 1 4 爆破2 0 1 1 年9 月 从波幅幅值变化的统计结果来看，建基面 1 ．2 0m 上部分，其幅值降低范周从1 4 ％一2 0 ％，此 时对应的波速降低率为8 ％一1 0 ％。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 ．4 声波主频随孔深分布特征 从图7 中可以看到，剖面A C 、A B 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，A B 剖面的声波主频为2 8 ．3k H z ，频域 最大振幅为1 1 7 ．6 5m V ，与激振主频率3 0k H z 接 文件1 6 3 一K 一4 序号A B 一0 1 8 0 时间3 1 9 ．0 斗s 幅度0 ．0 4m v 声时3 1 9 ．0 斗5 波幅3 1 ．9 d B 主频1 0 ．7k H z 放缩1 0 0 0 ／1 I 彳口剖面0 ．6m 孔深处 文件1 6 3 一K 一4 序号A B 一0 0 1 0 时间2 6 5 ．0 斗s 幅度1 1 7 ．6 5m v 近，0 ．6m 孔深处，A B 剖面的声波主频为1 0 ．7k H z ， 频域最大振幅为0 ．0 4m V 。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。 文／／t - 1 6 3 - K 一4 序号- A C 一0 1 8 01 t 搁4 6 6 ．0p , sU r 变t ．6 7m y 声时4 6 6 ．0 且波幅“．4d B 主频1 7 ．6k H z 放缩4 0 0 1 1 b A C 剖面0 ．6m 孔深处 文件1 6 3 一K 一4 序号 A C - 0 0 1 0 时间4 4 2 ．0 斗3 幅度2 5 ．4 9 m y 声时2 6 5 ．0I L - 渡g l l 1 0 1 ．4 d B 主频2 8 ．3 k H z 放g 2 0 ／I 声时4 4 2 ．0 ．‘波M 8 8 ．1 d B 主频2 7 ．3 k H z 放缩4 0 ，l c A B 剖面4m 孔深处 d A C 剖面4m 孔深处 图7 主频随孔深变化图 4 ．5 岩体完整性评价 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[ 1 ] 的方法，区域岩体波 速和完整性系数统计结果见表l 。 表1 声波匕和岩体完整性系数 墨 分级统计衷 从表l 可见，完整性系数K ≥0 ．4 5 岩性较完 整 的岩体占所测孔深岩体的9 4 ．5 8 ％。完整性较 差的岩体仅占5 ．4 2 ％。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1 9 4 个测点中波 速特征值的最大值为57 5 0m ／s ，最小值为20 5 0m ／s ， 平均值为44 5 0m ／s ，集中分布在42 0 0 ～48 8 0m ／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 结语 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， 万方数据 第2 8 卷第3 期 明锋，祝文化大坝基础开挖中岩石爆破损伤的声波测试技术 1 1 5 上接第1 1 0 页 3 根据现场实际灵活掌握围堰预开挖的时机 爆破前对围堰临水面抛渣层预开挖，爆破时能 使更多的抛渣抛向海侧，对保护坞门有利，但实施过 程中必须动态观察、灵活掌握预开挖的时机，确保爆 破之前围堰的稳定。 4 围堰爆破开口位置的选取至关重要 围堰爆破时开口位置爆破堆积体相对集中，因 此选择中间开口或一侧开口，须根据现场实际情况、 保护对象的特点确定，以便较好的控制爆堆的范围 和形态，达到安全防护的目的。 5 水泵房安全允许振速可适当调大 根据相关围堰爆破采用的安全允许振速标准和 类似工程资料，船坞水泵房的安全允许振速2 0e m ／s 。 本次围堰爆破时在水泵房布置2 个监测点，数据显 示l 。监测点 水泵房顶部 垂直方向最大振速为 3 0 ．2c n v s ，水平方向最大振速为2 6 ．7c m ／s ；2 ’监测 点 水泵房底部 垂直方向最大振速为2 5 ．5c m ／s ，水 平方向最大振速为1 3 ．7c m ／s ；围堰爆破后水泵房安 然无恙，未出现裂缝等破坏现象。初步分析认为，原水 泵房安全允许振速判据偏于保守，可适当进行调大。 [ 1 ] 刘殿书．中国爆破新技术Ⅱ[ M ] ．北京冶金工业出版 社。2 0 0 8 3 8 8 - 3 9 3 ． [ 1 ] L I UDS ．N e wt e c h n o l o g yo fb l a s t i n ge n g i n e e r i n gi nC h i n a Ⅱ[ M ] ．B e i j i n g M e t a l l u r g i c a lI n d u s t r yP r e s s ，2 0 0 8 3 8 8 3 9 3 ． i nC h i n e s e [ 2 ]张中雷，应海剑．坞内充水条件下船坞围堰爆破网路 的施工与防护[ J ] ．爆破器材，2 0 1 0 ，3 9 4 2 8 - 3 2 ． [ 2 ] Z H A N GZL ，Y I N GHJ ．C o n s t r u c t i o na n dp r o t e c t i o nf o r b l a s t i n gn e t w o r ko fd e c kc o f f e r d a mu n d e rw a t e r - f i l l e dC O I l d i t i o n [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 1 0 ，3 9 4 2 8 3 2 ． i n C h i n e s e [ 3 ] 顾毅成，史雅语，金骥良．工程爆破安全[ M ] ．合肥中 国科学技术大学出版社，2 0 0 9 ． [ 3 ] G UYC ，S H IYY ，J I NJL ．E n g i n e e r i n gb l a s t i n gs a f e t y [ M ] ．H e f e i P r e s so fU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o - g yo fC h i n a ，2 0 0 9 ． i nC h i n e s e [ 4 ] 汪旭光．爆破手册[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 1 0 5 0 - 8 0 ，9 3 5 - 9 6 3 ． [ 4 ] W A N GXG ．H a n d b o o ko fb l a s t i n g [ M ] ．B e i j i n g M e t a l l u r - g i c a lI n d u s t r yP r e s s ，2 0 1 0 5 0 - 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