王孝起，魏树满，刘康和
(水利部天津水利水电勘测设计研究院，天津300222)
摘 要：为改善基础岩体的力学性能，增强坝基整体性，减少沉陷变形，提高坝基防渗能力，需要对坝基岩体进行固结灌浆处理，其灌浆质量的检查成为重要的课题。利用物探技术对坝基灌浆质量进行检测，可取得较为全面的技术资料，为灌浆质量的评价提供科学依据。以黄河沙坡头水利枢纽工程为实例，介绍了物探技术在岩体固结灌浆试验效果评价中的应用及其成果分析。
关键词：坝基岩体；固结灌浆；声波测井；地震CT；成果分析
1前言
当坝基岩体存在破碎或局部的不连续架空裂隙时，破坏了岩体的均一性，不利于建坝。为了改善基础岩石的力学性能，增强坝基整体性，减少沉陷变形，需要对坝基岩体进行灌浆处理。利用物探弹性波测试技术，对坝基岩体灌浆质量进行全面检测，为坝基岩体灌后质量的评价和利用提供科学依据。该技术作为工程质量检测的重要手段，以其简便、快速、经济等优点，受到工程技术人员的青睐和重视，并在工程质量检测中，通过对岩土体的原位对比测试，了解岩土体结构性状，计算岩土体的动力学参数，以便对工程质量进行分析和评价，得到愈来愈广泛的应用，使其在工程质量检测中不断得到总结、完善、提高和发展。
2工程概况
黄河沙坡头水利枢纽位于黄河干流上，南依香山山脉北麓，北邻腾格里沙漠南缘，东北部为卫宁盆地。行政隶属宁夏回族自治区中卫县。坝址距中卫县城约20 km，北距包兰铁路2.5 km；区内交通以陆路为主较方便。该枢纽是一项以灌溉、发电为主的综合利用工程。总库容0.26亿 m3，总装机容量11.6万 kW，灌溉面积8.95万 hm2。
枢纽主要由主坝和副坝两部分组成，其中主坝拟选坝型为混凝土闸坝，最大坝高37.6 m；副坝位于黄河左岸Ⅰ级阶地，拟建坝型为土石坝，坝高5 m左右，坝长1 km以上。此外，左岸还分布有导流明渠、交通桥、水源地等。
3坝区地质情况简介
区内地势南西高而北东低，相对高差500～1 000 m。黄河自西向东流经坝址区，河谷呈不对称“U”形谷。坝址左岸地势相对平缓，为黄河Ⅰ级阶地，岸边有美利渠与黄河平行展布，副坝和水源地则位于腾格里沙漠南缘；右岸为香山山脉北麓，岸边有羚羊角渠与黄河平行展布，羚羊角渠南侧地形较陡，且冲沟发育。坝址区附近有石炭系、第三系、第四系地层发育。
主坝坝基地层岩性为石炭系(C)灰质泥岩、杂色泥岩、炭质页岩，夹有砂岩、灰岩透镜体。受多期构造运动影响，岩体中隐微裂隙发育，多呈鳞片状。
右坝肩灌浆区所涉及的地层岩性主要为砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、页岩、炭质页岩等。岩层倾向南东，倾角较大。
副坝、导流明渠、交通桥及水源地部位分布着厚层第四系松散堆积物，上部为风积砂，下部则为厚层砂砾石层；基岩为第三系上新统临夏组(N2l)的棕红色、紫红色砂质粘土岩，局部夹有砾岩。
4物探方法
(1)声波测井：以岩土体的弹性特征为基础，通过测定岩土体的声波传播速度及其它声学特点（如声波传播幅度、频率及衰减等）的不同，达到研究地层特性的目的。
实测工作在钻孔内进行，且由下而上逐点测试，测试点间距0.2 m。
声波测井流程为Ⅰ序(选择G2、G4孔)、Ⅱ序(选择G6、G8孔)、Ⅲ序(G9、G10孔)灌浆孔的灌前测试和灌后及J1检查孔测试，具体布置见图1；
(2)地震波CT技术：以岩土体的弹性特征为基础，通过测定孔间岩土体的地震波传播速度，进行地震波CT成像分析，达到对孔间岩土体的研究和评价之目的。
坝址右坝肩岩体灌浆区地震波CT测试是在W1和W2钻孔中进行的。每次序CT剖面测试时，首先在W1孔0.0～24.0 m激发，在W2孔0.0～20.0 m段接收，然后互换在W2孔0.0～24.0 m激发，在W1孔0.0～20.0 m段接收。激发震源为雷管，激发间距为1.0 m，接收道间距2.0 m。
W1～W2钻孔间岩体地震波CT测试流程为Ⅰ序孔灌前、Ⅱ序孔灌后(龄期15 d)、Ⅲ序孔灌后(龄期18 d)波速对穿测试。
5资料解释与成果分析
5.1声波测井
根据野外实测数据，分别按（1）、（2）式计算两接收换能器间岩体的纵波速度Vp、灌浆波速提高率R(记录点为两接收换能器的中点)。
(1)岩体纵波速度Vp：
式中Vp为岩体的纵波速度(m/s)；L为两接收换能器间距(m)；△t为两接收换能器间声波旅行时差(s)；
(2)灌浆波速提高率R：
式中R为灌浆波速提高率；Vp1为灌浆前岩体纵波速度(m/s)；Vp2为灌浆后岩体纵波速度(m/s)。
由野外实测获得的声波速度，经统计分析可求得不同灌序的测试孔在灌前、灌后的声速参数统计值见表1。
为了解岩体声速值的灌后情况，将灌前、灌后声速成果，按不同波速段进行百分概率统计出灌前、灌后岩体声速频态曲线，见图2。
由表1知：各序孔灌后岩体声速平均值相对灌前均有较大提高，灌后岩体波速离差系数也相对灌前较小，通过灌浆处理，岩体的声波速度升高，且离散度变小，说明岩体强度提高，整体性变得均一（尤其对多裂隙低波速岩体更为明显）。
由图2知：各序孔灌后岩体声速频态曲线相对灌前均向高速段明显偏移，且灌后岩体声速频态曲线相对灌前岩体声速频态曲线既规整又圆滑（尤其是低波速段岩体更为显著）。
综合分析灌浆孔及检查孔声波检测成果可知，每序孔灌后波速与灌前波速相比均有提高。平均提高率为11.5%～25.7%，最大提高率达52%。J1检查孔测试结果与其较近的G9、G10孔相比，整体波速提高也较明显；
5.2地震波CT测试
在外业实测的地震波CT原始记录上，读取每一炮点的每一接收道的直达波初至时间。应用“WYS97工程CT软件”进行处理，从而获得W1～W2间每一成像单元的波速值，然后利用SURFER等值线处理软件，绘制出Ⅰ序孔灌前、Ⅱ序、Ⅲ序孔灌后W1～W2间波速等值线图，见图3。
处理时，采用直射线联合迭代法，岩体空间成像网格单元划分为0.5 m×0.5 m，迭代次数一般为15～20次，计算残差小于3.0。
结合W1～W2钻孔间岩体地质情况，分析Ⅰ序孔灌前W1～W2钻孔间岩体波速等值线(见图3(a))分布规律可知，岩体的波速及其等值线形状主要由岩性和岩层倾向控制。孔深小于3.0 m，岩性主要是泥岩和页岩，其岩体平均波速值较低，其值为1 560 m/s；孔深大于3.0 m，岩性主要为砂岩夹页岩、泥质粉砂岩等，其岩体平均波速值均相对较高，其值为2 230～2 820 m/s。波速大于2 600 m/s的封闭等值线形状主要是由W1孔向W2孔倾斜分布，与岩性及岩层倾向基本一致。
Ⅱ序孔灌后W1～W2钻孔间岩体波速等值线(见图3(b))与Ⅰ序孔灌前的分布规律基本一致，但波速等值线有“上抬”趋势，且波速大于2 600 m/s的封闭等值线的倾斜度变缓。孔深小于3.0 m，岩体平均波速值为1 640 m/s；孔深大于3.0 m，岩体平均波速值为2 420～2 880 m/s。相对Ⅰ序孔灌前整体波速平均提高率为3.6%。
Ⅲ序孔灌后W1～W2钻孔间岩体波速值变化不大(见图3(c))，相对Ⅰ序孔灌前整体波速平均提高率为4.0%，相对Ⅱ序孔灌后整体波速其平均提高率为0.4%。但W1～W2钻孔间岩体波速等值线的分布规律，与Ⅰ序孔灌前和Ⅱ序孔灌后相比发生了改变，波速等值线的形状由Ⅰ序孔灌前的倾斜分布变为近水平状分布，说明Ⅲ序孔灌后岩体的整体强度得到改善。
6结论
(1)灌浆孔声波测井和W1～W2钻孔间地震波CT测试，的波速均有提高这一现象表明，灌浆试验区内的岩体具有一定的可灌性；
(2)Ⅰ序、Ⅱ序、Ⅲ序孔灌后岩体的弹性波速均有提高及灌后W1～W2钻孔间地震波CT测试的波速等值线形状发生变化表明，灌浆试验区内的岩体，在灌浆后岩体的整体强度得到改善；
(3)对比声波测井和地震波CT测试结果可知，声波测井的波速提高率普遍高于地震波CT波速提高率。分析其原因认为：除两者的震源扰动机制、波源频率、测段长度的不同以及岩体具有的低通滤波作用等因素影响外，声波测井均在原灌浆孔进行，由于灰浆充填，使孔壁岩体变得光滑、完整，从而提高了测试结果；而地震波CT测试是在W1～W2钻孔岩体之间进行，灰浆对孔壁的充填，对其测试结果影响不大。说明地震波CT测试更能客观地评价灌浆试验的灌浆效果。
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