单孔声波法在抽水蓄能电站地下厂房洞室围岩松弛圈检测中的应用
摘要
关键词
抽水蓄能；洞室；围岩；单孔声波法；松弛圈
正文
引言
地下洞室中，围岩松弛圈深度是评价洞室开挖质量、确定支护方案、进行稳定分析的重要参数，它与岩体性状、洞径大小、开挖方式等有关[1]。目前，我国抽水蓄能电站地下厂房多采用钻爆法施工，在地下洞室的开挖过程中，由于爆破及其他施工操作的影响，初始围岩应力卸载引起围岩变形，甚至产生裂隙张开等一系列应力型破裂松弛现象[2]。为了解洞室围岩应力下降带的范围，查明洞壁岩体的松弛深度，测定松弛、未松弛岩体的力学参数，需对松弛圈进行检测以为工程地质评价和工程设计提供依据[3]。
某抽水蓄能电站地下厂房洞室最大埋深约630m，厂房尺寸约为190m×25m×58m（长×宽×高）。围岩以Ⅱ～Ⅲ类为主，局部Ⅳ～Ⅴ类，厂区为中等地应力区，地质条件良好。结合该抽水蓄能电站地下厂房洞室群的开挖， 本次采用单孔声波法对地下厂房围岩松弛圈进行检测分析，为地下厂房洞室稳定性评价及支护设计提供了科学依据。
1 基本原理
单孔声波法测试原理如图1所示。发射换能器F发射超声脉冲波，其扩散半角为θ1。选择适当高度h的圆管，使θ1＞第一临界角i（此时第一临界角i=arcsinCR/C0，其中CR为岩体波速，C0为水的波速）。当θ1＞i时，将有一束超声波从水中以临界角射入岩体中，在孔壁产生滑行波（纵波）。同样，根据惠更斯原理，介质中每一点都是新的波源。于是沿孔壁的滑行波又会不断地有超声波束射回钻孔中，被换能器S1和S2接收。读取2个接收换能器之间的传播时间差，即可获得两接收换能器之间围岩的纵波波速，见式（1）。
（1） |
式中：
为孔壁围岩纵波速度，m/s；
为两接收换能器距离，m；
为两接收换能器纵波初至时差，s。
图1 单孔声波测试原理图（1）及断面松弛圈钻孔布置图（2）
2 工作布置及测试
在地下厂房长度方向上按间隔40m~50m布置1个松弛圈检测断面，共布置3个检测断面，断面位置分别位于厂右0+020、厂右0+070、厂右0+130，每个断面布置15个检测孔（地下厂房分7层开挖，在每个断面第一层顶拱与拱肩及其它各层上、下游边墙壁各布置1个检测孔，共计15个），图2 为其中一个断面的松弛圈检测孔布置图，共布置45个检测孔。检测孔孔深6m，检测孔孔径60mm。顶拱检测孔为垂直向上孔，拱肩及边墙检测孔下倾10°。
本次测试是在厂房Ⅱ层的6个检测孔中进行，采用一发双收声波探头，自孔底向孔口方向逐点观测，测点距0.2m，每测试10个测点进行一次深度校正。换能器与孔壁之间均以注水方式进行耦合以确保换能器和孔壁接触良好、接收信号清晰。
3 声波测试成果分析
在地下厂房第Ⅱ层开挖完成后，现场对上下游边墙的6个检测孔进行松弛深度测试。依据实测声波纵波波速，绘制声波波速和孔深关系曲线，详见图2。
图2 声波波速和孔深关系曲线
各检测孔的测试成果见表1，由于围岩类别差异，各断面的松弛圈深度有一定的差别, 同一断面的上下游检测孔松弛圈深度也有所不同。下游边墙孔的松弛深度总体较大（下游侧母线洞施工），平均松弛深度在2.5m~4m，现分析如下：
表1 各检测孔的测试成果
检测孔编号 | 松弛圈深度（m） | 平均波速(m/s) | 最大波速(m/s) | 最小波速(m/s) |
厂右0+020上游 | ＜0.6 | 5480 | 6173 | 4329 |
厂右0+070上游 | ＜0.6 | 5298 | 6000 | 4710 |
厂右0+130上游 | ＜0.6 | 5435 | 6061 | 5051 |
厂右0+020下游 | 4.0 | 3746 | 5556 | 2096 |
厂右0+070下游 | 2.5 | 4575 | 6173 | 1996 |
厂右0+130下游 | 3.8 | 4131 | 6173 | 2483 |
（1）厂右0+020上游边墙孔测试范围为0.6m~6m，测试范围内声波平均波速值为5480m/s，波速最大值为6173m/s，波速最小值为4329m/s，孔口段 2m 范围内个别测试点波速值偏低，其余段波速值无明显变化，松弛深度小于 0.6m；
（2）厂右0+070上游边墙孔测试范围为0.6m~6m，测试范围内声波平均波速值为5298m/s，波速最大值为6000m/s，波速最小值为4710m/s，全段波速值无明显变化，松弛深度小于 0.6m；
（3）厂右0+130上游边墙孔测试范围为0.6m~6m，测试范围内声波平均波速值为5435m/s，波速最大值为6061m/s，波速最小值为5051m/s，全段波速值无明显变化，松弛深度小于 0.6m；
（4）厂右0+020下游边墙孔测试范围为0.6m~6m，测试范围内声波平均波速值为3746m/s，波速最大值为5556m/s，波速最小值为2096m/s，测试范围内在4m处波速明显下降，松弛深度为4.0m；
（5）厂右0+070下游边墙孔测试范围为0.6m~6m，测试范围内声波平均波速值为4575m/s，波速最大值为6173m/s，波速最小值为1996 m/s，测试范围内在2.5m处波速明显下降，松弛深度为2.5m；
（6）厂右0+130下游边墙孔测试范围为0.6m~6m，测试范围内声波平均波速值为4131m/s，波速最大值为6173m/s，波速最小值为2483m/s，测试范围内在3.8m处波速明显下降，松弛深度为3.8m；
4 结语
通过工程实例可知，在检测洞室围岩松弛圈深度时，单孔声波法是一种高效、经济、可行的方法。洞室围岩松弛圈是确定岩体稳定性及支护设计的重要参数，特别是锚喷结构支护中，要根据围岩松弛圈深度来设计锚固的深度。因此，围岩松弛圈的测定对于地下洞室合理而有效的支护具有十分重要的意义[3]。
参考文献：
[1]李维树.隔河岩电站洞群围岩松动圈检测及其厚度分析[J].长江科学院院报，1995 (02) ：5.
[2]张帅，刘强.杨房沟水电站地下厂房顶层围岩松弛圈分析与预测[J].水电与新能源，2018 ,32 (10)：1-4+8.
[3]孙治新，赵秋，赵洪鹏.应用干孔声波法测试隧洞围岩松弛圈[J].水利水电工程设计,2019 ,38 (01)：36-37+56.
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