官地电站地下洞室群物探检测技术论文4.docx

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官地电站地下洞室群物探检测技术论文4

官地水电站地下洞室群物探检测技术

阮丁延

（四川二滩建设咨询有限公司）

摘要本文介绍官地电站地下洞室群多种物探技术的综合应用，为动态设计与安全施工提供了强有力的技术支持，积累了丰富的实践经验，可为类似工程借鉴。

关键词地下洞室群物探综合应用

1概况

官地水电站装机2400MW（4600MW），地下发电厂房系统位于坝轴线下游右岸山体内，由引水洞（压力管道）、主副厂房、主变室、尾调室、尾水洞等近60条隧洞立体交叉，构成错综复杂的地下洞室群。

官地水电站地下洞室群出露上二叠统玄武岩组（P2β），岩石坚硬性脆，大量成岩原生节理和多次构造作用，使区内岩体错动带发育、节理裂隙广布。

地下厂房三大洞室围岩主要为Ⅱ、Ⅲ类，成洞条件较好。

但洞室多，规模大，布置复杂，缓倾错动带和构造裂隙随机分布，大致平行于边墙的陡倾裂隙区段性发育，局部存在不稳定块体，影响三大洞室边墙及顶拱的局部稳定。

为了探测不良地质体分布，掌握岩体质量状况，评价工程施工质量，官地水电站地下厂房洞室群物探检测采用多种测试方法，包括单孔声波、钻孔全景图像、地震层析成像、地质雷达等，其中单孔声波和钻孔全景图像主要用于围岩爆破松驰深度和隧洞固结灌浆质量的检测，地震层析成像方法主要用于地下洞室群间岩墙、岩柱岩体质量检测；地质雷达检测主要用于隧洞回填灌浆效果和混凝土质量检测。

通过一系列物探检测与综合应用，为地下洞室群动态设计和安全施工提供了强有力的技术支持，积累了丰富实践经验。

2洞室围岩爆破松驰深度检测

2.1引水发电系统地下洞室群围岩爆破松驰圈

（1）爆破松驰深度检测方法

官地水电站地下洞室群围岩爆破松驰卸荷深度的物探检测采用单孔声波法。

其方法是沿着地下厂房、主变室、尾水调压室、引水隧洞、尾水隧洞等洞室轴线，选定多条典型检测断面，每个断面布置若于个测试孔，每个测试孔自孔底向孔口采用一发双收方式检测孔内各测点岩石弹性声波速度，最后根据单孔岩体声波波速曲线分布规律和波速突变界线，确定单孔岩体爆破松驰深度。

对多个测试孔单孔岩石爆破松驰深度的空间分布研究与综合，就可确定某个洞室围岩爆破卸荷松驰圈厚度。

进一步结合地质勘测成果，还可分辨出不同类别岩体的松驰深度。

官地水电站地下洞室群围岩爆破松驰卸荷深度的单孔声波法测线布置见表2.1-1，具体布设情况如下：

对于地下厂房，按照安装间、1#~4#机组、副厂房各布1个、共6个检测断面。

每个断面布置14个声波检测孔，其中顶拱2个，为上斜孔，孔深9m，上斜角度30o～45o；上下游边墙各6个，为下斜孔，孔深20m，孔径大于50mm，下斜角度5o～10o。

对于主变室，按每50m布置1个声波检测断面、共布置3个断面。

每一断面布置6个声波检测孔，上下游边墙各布置3个，均为下斜孔，孔深为9m，孔径大于50mm，下斜角度5o～10o。

对于尾水调压室，也按每50m布置1个声波检测断面、共布置4个断面。

每一断面布置12个声波检测孔，上下游边墙各布置6个，均为下斜孔，孔深15m，孔径大于50mm，下斜角度5o～10o。

对于1#～4#压力管道，在每条隧洞上平段和下平段共布设3个声波检测断面。

每一断面布置4个声波检测孔，分布在两侧边墙上。

每个声波检测孔为下斜孔，孔深为9m，孔径大于50mm，下斜角度5o～10o。

对于1#～2#尾水洞，在主洞布设4个断面、2条支洞各布1个断面、共6条声波检测断面。

每一断面布置6个声波检测孔，分布在两侧边墙上。

每个声波检测孔为下斜孔，孔深为9m，孔径大于50mm，下斜角度5o～10o。

表2.1-1地下洞室群围岩松驰深度单孔声波法测线布置

工程部位

地下厂房

主变室

尾水调压室

压力管道

尾水洞

检测断面（条）

6

3

4

4×3

2×6

检测孔数（个）

6×14

3×6

4×12

4×3×4

2×6×6

孔深

（m）

顶拱

9.0

边墙

20.0

9.0

15.0

9.0

9.0

（2）地下洞室群围岩爆破松驰深度检测成果

官地水电站地下洞室群因开挖爆破和地应力释放造成围岩松驰，其松驰圈厚度根据单孔声波法检测成果如表2.1-2所示。

表2.1-2洞室围岩爆破松驰深度检测成果

检测部位

围岩松驰平均深度（m）

松驰圈岩体声波速度（m/s）

Ⅱ

Ⅲ

Ⅱ

Ⅲ

地下厂房

0.6～1.1

0.9～3.3

2799-5772

4213

2280-4868

3276

主变室

0.0～1.0

0.5～1.7

4128-5011

4516

3188-4930

3643

尾水调压室

0.6～1.7

0.7～2.1

3682-4808

4262

2264-3622

3312

1#压力管道

0.7～1.5

0.9～2.3

3156-4092

3715

2987-3805

3478

2#压力管道

0.6～2.8

2451-4309

3224

3#压力管道

0.0～1.3

0.6～3.0

3504-5186

4325

2332-3589

3138

4#压力管道

0.7～2.7

2519-4451

3617

1#尾水洞

0.5～1.8

0.7～4.5

3528-4501

3816

2472-4717

3524

2#尾水洞

0.5～3.1

2282-4396

3527

平均值

0.0～1.8

0.5～4.5

3700～4500

3100～3600

从表2.2-2可以看出，官地水电站地下洞室群玄武岩围岩松驰深度一般为0.5～3.0m，其中Ⅱ类围岩洞段松驰圈厚度0.0～1.8m，松驰圈岩体平均声波波速为3700～4500m/s；Ⅲ类围岩洞段松驰圈厚度0.5～3.3m，局部受节理裂隙和/或断层错动带影响达4.5～6.7m，松驰圈岩体平均声波波速为3100～3600m/s。

2.2地下厂房洞室围岩松驰圈的长效观测

（1）长效观测方法

为了准确分析评价岩体松驰卸荷随时间的变化规律，按照设计技术要求，对地下厂房6个检测断面选定2级开挖层、3个高程（EL1234.00m、EL1229.00m、EL1223.00m）、16个声波孔进行长期观测孔观测。

具体观测方法是，主副厂房上、下游边墙开挖到长观孔位置后，及时进行观测孔的造孔和第一次单孔声波测试，其后，每半个月按照第一次测试的方法和要求进行多次定期观测，直至3个月后停止观测。

（2）地下厂房洞室围岩松驰圈的长效观测成果

通过2级开挖层、3个高程、16个声波长期观测孔观测成果统计，官地水电站地下厂房围岩声波时效特性如表2.2-1～表2.2-3。

从表2.2-1可以看出，随着开挖暴露、地应力释放和应力调整的进行，地下厂房洞周岩体力学性能不断降低，声波波速不断衰减，且洞周松驰圈和局部裂隙发育地段波速衰减率大，平均值达14.5~17.2%，松驰圈向内的较完整-完整岩体声波衰减率小，平均值仅5.1~7.6%。

这表明长观孔声波波速时效性特性主要表现在围岩的浅层，对深层岩体影响较小，地下厂房长观孔多次观测声波曲线形态基本一致也得到印证。

表2.2-1地下厂房不同高程不同性状岩体松驰卸荷时间效应

检测部位

高程

检测时段

松驰圈岩体声波衰减率（%）

松驰圈向内岩体声波衰减率（%）

局部裂隙发育段

较完整-完整岩体

EL1234.0m

2008.4.15.

-8.15.

8.8-23.3

14.5

10.5-15.6

14.3

2.4-10.6

5.1

EL1229.0m

2008.7.8.

-11.10.

11.1-19.3

16.4

12.0-19.1

14.7

6.0-9.9

7.1

EL1223.0m

2008.9.28.

-12.5.

13.9-23.5

17.2

13.9-21.2

17.3

4.8-10.7

7.6

从表2.2-2和表2.2-3还可以看出，第一长观检测间隔期（即厂房边墙开挖暴露半个月至1个月），孔口松驰段和局部裂隙发育地段的岩体波速衰减量占总衰减量的54~81%，平均达68%。

因此，地下厂房边墙开挖后，特别是1个月以内，及时进行系统锚喷支护，对于约束边墙浅表层松驰圈岩体变形是有利的，对于防止局部破碎岩体性状恶化、进而提高边墙稳定性也是有利的。

表2.2-2地下厂房不同时间不同性状岩体松驰卸荷时间效应

不同性状岩体

松驰圈

松驰圈向内岩体

局部裂隙发育段

较完整-完整岩体

声波总衰减率（A）（%）

9.6-15.2

17.2

13.9-21.2

17.3

4.8-10.7

7.6

第一间隔期声波衰减率（A1）（%）.

2.8-15.7

11.7

6.6-14.5

10.3

1.2-4.1

2.51

第一间隔期声波衰减比例（A1/A）（%）

68.0

59.5

33.0

表2.2-3地下厂房不同时间不同深度岩体松驰卸荷时间效应

岩体不同深度（m）

0.0-2.0

2.0-4.0

4.0-6.0

6.0-21.0

声波总衰减率（A）（%）

6.5-29.0

15.7

5.1-15.2

10.3

7.4-10.8

8.3

5.5-8.1

6.7

第一间隔期声波衰减率（A1）（%）

0.4-20.0

.8.2

2.3-7.1

3.4

1.4-4.0

2.7

1.1-3.3

2.0

第一间隔期声波衰减比例（A1/A）（%）

52.0

33.0

33.0

30.0

3尾水调压室超前地质物探测试

尾水调压室顶拱层中导洞开挖揭示出fxt01错动带，随着顶拱层两侧扩挖，fxt01错动带全部暴露。

其产状为N20°~30°E/SE∠10°~25°，出露在厂横0-048~厂横0+142的顶拱、拱座，延伸长度大于190m，错动带波状起伏，带宽10~50cm，由压碎岩、糜棱角砾岩、石英碎块、断层泥组成，断层次生泥连续分布，一般厚1~10cm。

根据断面擦痕和切错关系，fxt01错动带水平错距25~30cm。

由于该错动带规模大，延伸长，产状平缓，错动破碎带宽，带内普遍夹泥，岩石力学性状差，与其他节理裂隙在尾调室不同洞段组合可形成不稳定块体而发生掉块和塌方，对尾调室顶拱和边墙的稳定造成较大威胁，错动带fxt01分布见图3.1-1。

图3.1-1尾水调压室顶拱fxt01错动带地质素描图

为了查明已在顶拱和上下游拱座大范围出露的缓倾角错动带fxt01沿走向和倾向的延伸情况，在第一层底板EL1242.00m靠下游边墙厂横0+035.00～厂横0+120.00一线，布置4个垂直向下、孔深9m的测试孔，和在下游边墙EL1243.00m、厂横0+035.00～厂横0+120.00一线，布置4个孔深15m的水平测试孔，采用单孔声波测试和钻孔全景图像方法进行超前地质物探勘测。

经物探检测，在垂直孔向下0.00～1.00m追踪到近水平产出、宽约1.0m的fxt01错动带，其岩体破碎，孔壁掉块，波速在3000～3500m/s之间；在水平孔孔内7.0～14.3m一段也追踪到fxt01错动带和其他宽大裂隙，其波速为2500～4000m/s。

为了探明尾水调压室顶拱向上岩体是否存在长大缓倾角错动带等地质不良结构面，在第一开挖层顶拱中心线厂横0-052.00～厂横0+155.00之间，布置8个垂直向上、孔深9m的测试孔，和利用厂横0+088.50～厂横0+127.00顶拱至下游拱座间的11个预应力锚索孔，采用单孔声波测试和钻孔全景图像方法进行超前地质物探勘测。

经物探检测，尾水调压室顶拱向上9～15m范围内岩体未见大的破碎带、错动带、严重夹泥裂隙、宽大张裂隙等不良地质构造。

通过上述超前地质物探检测，为尾水调压室加固设计提供了可靠依据，并指导了开挖支护施工。

4地下洞室岩柱间地震层析测试

为了查明地下洞室群岩墙、岩柱岩体质量，针对洞室地质条件复杂、岩体裂隙发育、洞室交叉及岩墙薄弱等敏感部位，布置一定数量地震层析成像（CT）检测工作，其中尾水调压室隔墙布置1组水平向成像剖面，4条母线洞间布置3组水平向成像剖面，4条尾水支洞间布置3组水平向成像剖面，母线洞与尾水支洞间布置4组垂直向成像剖面，共11组地震层析成像检测剖面。

地震层析成像（CT）采用国内先进的24道浅层数字地震仪，具有信号增强、延时、内外触发、前置放大、滤波、数字采样等功能；最小采样间隔不大于0.05ms，记录长度为每道样点不小于1024点，频响范围2Hz~2000Hz；接收检波器各道之间固有频率相差小于10%，相位差小于1ms，绝缘电阻大于10MΩ；地震记录道一致性要求为各道之间相位差小于1.5ms、各道之间振幅差小于15%；震源为锤击震源，能激发满足方法要求的主频地震脉冲，能量可控、保证地震记录初至清晰，且震源操作方便、安全可靠、重复性好。

CT图像采用等值线、灰度、色谱等图示方法，结合地质资料，分析地质异常体空间分布及变化情况。

通过11组地震层析成像检测剖面测试，较好地探明了地下洞室群岩墙、岩柱岩体质量。

下面以尾水连接洞和压力管道水平向地震层析检测为例，介绍地震层析检测应用成果。

4.1尾水连接洞间和尾水支洞间岩体水平向地震层析成像检测

地震层析成像（CT）检测成果表明，1#～4#尾水连接洞相邻洞壁间、2-1#尾水支洞与2-2#尾水支洞洞壁间的岩墙岩体地震波波速总体普遍较高，均一性较好，80～85%成像区域围岩岩体地震波波速在4500m/s以上，反映岩体整体完整性好。

而低波速带波速介于3000～4500m/s之间，分布在自激发或接收边墙向岩体内1～10m深度范围内，系洞周围岩受爆破卸荷松驰与断层错动裂隙的双重影响造成的。

同时，低波速带的波速介于3000～4500m/s之间，不是很低，反映其岩体性状和完整性不是太差，通过固结灌浆可提高岩体完整性和力学性能指标，能满足设计技术要求。

4.2压力管道上平段、下平段岩体水平向地震层析成像检测

（1）1#～4#压力管道上平段相邻洞壁间岩体地震层析成像（CT）测试成果见图4.2-1。

从图4.2-1可以看出，成像区域内岩体地震波速较高，均一性较好，80%成像区域围岩岩体地震波波速在4000m/s以上，反映岩体整体完整性较好。

而低波速带波速介于3500～4000m/s之间，其主要分布在从2#压力管道左边墙K0+018.00～K0+040.00区段向左（即向1#～2#压力管道间岩墙里）20.0m图4.2-11#～4#压力管道上平段地质层析成像

范围内，到3#压力管道右边墙K0+031.00～K0+049.00区段向右（即向3#～4#压力管道间岩墙里）16.5m范围内，也就是主要分布在垂直压力管道轴线约72.3m、平行压力管道轴线22.0m的岩体内。

进一步分析可以看出，低波速带等速线展布方向或近垂直压力管道轴线，或与压力管道轴线呈50o相交，反映这些低波速带主要是由近垂直压力管道轴线和与压力管道轴线呈50o相交的两组断裂错动带造成的。

根据地质素描，1#～4#压力管道上平段主要为Ⅲ类围岩，Ⅱ类围岩零星分布，Ⅳ类围岩位于1#压力管道洞口和F2断层带。

1#～4#压力管道上平段相邻洞壁间岩体地震层析成像（CT）测试成果与地质素描成果一致，80%测试区地震波波速4000m/s以上的地震层析成像反映了Ⅲ类围岩的地震波特性，低波速带则反映着围岩爆破松驰、断裂错动带及Ⅳ类围岩的位置。

（2）1#～4#压力管道下平段相邻洞壁间岩体地震层析成像（CT）测试成果见图4.2-2。

从图4.2-2可以看出，成像区域内岩体地震波速总体差异性不大，80～85%成像区域围岩岩体地震波波速在4200m/s以上，反映岩体整体完整性较好。

而低波速带波速介于3500～4000m/s之间，其在1#～2#压力管道间和3#～4#压力管道间分布较图4.2-21#～4#压力管道下平段地质层析成像

分散，在2#～3#压力管道间相对集中。

（3）尽管地质素描反映1#～4#压力管道上平段、下平段岩体都以Ⅲ类围岩为主，Ⅱ类围岩局部分布，总体质量大体相当。

但从地震层析成像波速等值线图可以看出，1#～4#压力管道下平段岩体质量明显好于1#～4#压力管道上平段。

同时，1#～4#压力管道上平段和下平段岩体也都可以通过固结灌浆提高岩体完整性和力学性能指标，能够满足设计技术要求。

5隧洞灌浆质量的物探检测

5.1隧洞帷幕灌浆与固结灌浆质量的声波测试和钻孔全景图像

（1）隧洞帷幕灌浆与固结灌浆质量的物探检测方法

厂前防渗帷幕灌浆质量检测采用单孔声波和钻孔全景图像物探方法。

灌前检测利用部分Ⅰ序孔和先导孔，灌后检测利用检查孔。

单孔声波和钻孔全景图像测试数量占灌浆孔总数的比例均为10%。

隧洞固结灌浆质量检测以声波测试为主，对重要部位开展少量的钻孔全景图像测试。

灌浆前检测利用部分Ⅰ序孔和先导孔，灌后检测利用检查孔。

物探测试孔数量占灌浆孔总数的比例分别为：

单孔声波10%、钻孔全景图像1～3%

单孔声波检测采用国内先进的WSD-2A型数字声波仪，该声波仪具有数字采集和存储功能，最小采样间隔不大于0.1µs，采样长度不小于1024点，频响范围10Hz～500kHz，声时检测精度±0.1µs。

单孔声波检测应在无金属套管、有水耦合的钻孔中进行，探头采用一发双收装置，发射与两个接收换能器距离分别为30cm和50cm，检测宜从孔底向孔口、按点距0.2m逐步进行。

灌浆质量声波资料分析应将同一位置灌前和灌后检测数据对比，计算岩体声波波速提高率和低波速比例降低率。

（2）厂区帷幕灌浆质量的物探检测成果

地下厂房上游侧防渗帷幕灌浆位于1#～3#防渗排水廊道内，为单排近垂直帷幕，幕体轴线半环绕地下厂房，幕体自EL1254.0m至EL1183.0m、深达71.0m，帷幕孔孔距2.5m，分三序加密施工。

厂前防渗帷幕灌浆质量检测采用单孔声波和钻孔全景图像物探方法，其检测成果见表5.1-1。

从表5.1-1可以看出，厂区帷幕灌浆具有平均单位注灰量较大（255~271Kg/m）、灌后岩体声波平均波速提高较小（4%）、低速波比例明显降低（大于14%）、裂隙水泥膜充填率较高（大于75%）等特点。

经分析认为，灌后岩体平均波速提高较小是因为灌区岩体为坚硬玄武岩，声波波速在6000m/s以上，通过灌浆提高岩体整体波速是有限的。

而灌后低速波比例明显降低、裂隙水泥膜充填率较高，说明岩体可灌性好、灌浆效果显著，结合检查孔压水试验成果，厂区帷幕灌浆质量满足规程规范和设计技术要求。

表5.1-1厂区帷幕灌浆质量物探检测成果

工程部位

平均注灰量Kg/m

平均波速变化

低于5000m/s所占比例（％）

灌后水泥膜充填率（％）

灌前（m/s）

灌后（m/s）

提高率％

灌前

灌后

降低率

1#廊道

240-376

271

5818-6059

5950

6125-6246

6198

2.8-5.3

4.0

7.8-35.7

16.6

0-4.3

1.7

14.9

80～85

2#廊道

223-338

255

5680-6093

5788

6033-6187

6035

2.6-6.2

4.3

11-30.4

19.6

2.5-8.9

5.2

14.4

75～80

（3）隧洞固结灌浆质量的物探检测成果

官地水电站引水发电系统隧洞固结灌浆主要布置在1#～4#压力管道、1#～4#尾水连接洞和1#、2#尾水洞，固结灌浆孔一般孔深6～7m，Ⅳ类围岩为9m，间排距3m×3m，分二序加密施工。

隧洞固结灌浆质量物探检测也采用单孔声波和钻孔全景图像物探方法，其检测成果见表5.1-2。

从表5.1-2可以看出，隧洞固结灌浆与帷幕灌浆类似，具有平均单位注灰量较大（248~275Kg/m）、灌后岩体声波平均波速提高较小（4.3～5.9%）、低速波比例明显降低（12.0~16.2%）、裂隙水泥膜充填率较高（65~80%）等特点。

表5.1-2隧洞固结灌浆质量物探检测成果

工程部位

平均注灰量Kg/m

平均波速变化

低于5000m/s所占比例（％）

灌后水泥膜充填率（％）

灌前（m/s）

灌后（m/s）

提高率％

灌前

灌后

降低率

1#压力管道

211-354

248

5288-5812

5559

5571-6098

5796

3.1-5.4

4.3

8.9-29.4

17.0

2.1-7.6

5.0

12.0

70～80

2#压力管道

235-388

275

5081-5648

5397

5557-5939

5693

1.5-12.3

5.5

8.2-50.0

22.3

1.6-24.4

8.4

13.9

75

1#尾水洞

209-362

264

5276-5832

5462

5523-6246

5784

1.8-16.1

5.9

2.3-57.9

19.3

0-15.0

3.1

16.2

65～80

5.2隧洞回填灌浆质量的雷达测试

官地水电站隧洞回填灌浆质量的雷达测试，采用美国GSSI公司SIR系列地质雷达，配置400-900MHz雷达天线，确保有效探测深度不小于3.0m。

雷达测试方法采取电磁波脉冲雷达剖面法。

现场检测是在隧洞顶拱到拱肩范围，平行洞轴线布置3～5条测线，采样点距以保证同一异常的反映不少于3个连续测点为前提在0.2～1.0m之间选择，在出现异常洞段需加密测线、重复观测。

根据雷达图像特征，分析判断混凝土衬砌内部的质量情况，了解脱空位置及范围。

下面以1#压力管道雷达图像特征介绍其应用情况。

（1）混凝土密实度成果分析

根据混凝土在雷达图像上反映特征，混凝土胶结质量可分为密实和不密实二个等级，其划分标准如表5.2-1所示。

表5.2-1混凝土质量在雷达图像上表现特征

胶结质量

定义

雷达图像表现特征

密实

混凝土胶结较好，振捣均匀，材质

均一。

电磁波能量衰减慢且规律性强，反射能量分布均匀，同相轴连续性较好，波形幅度低，图像清晰稳定。

不密实

混凝土密实度差，振捣不均匀，局部

骨料架空，可能存在蜂窝、离析现象。

电磁波能量局部出现离散现象，反射能量分布不均匀，同相轴不连续，波形杂乱。

从1#压力管道上平段K0+000～K0+110区段和下弯段K0+233～K0+251区段的地质雷达图像看，雷达检测资料较好，图像清晰度高。

顶拱及拱肩测线上地质雷达图像总体电磁波能量衰减较慢，反射能量分布基本均匀，波形幅度低，同相轴较连续，图像清晰稳定。

这表明上述测试段内混凝土总体振捣较均匀，胶结

图5.2-1K0+067~K0+072段地质雷达图像

密实，质量符合设计要求。

但上平段K0+69.2～K0+69.7区间、深度0.76～0.84m处雷达电磁波能量局部离散，同相轴不连续，存在混凝土不密实现象，见图5.2-1。

（2）回填灌浆质量（混凝土与围岩接触情况）分析

根据混凝土与围岩接触情况在雷达图像上反映特征，混凝土与围岩接触状况可分为胶结紧密、轻微脱空、脱空、空腔等四种情况，各种接触状况在雷达图像上表现特征见表5.2-2。

表5.2-2混凝土质量在雷达图像上表现特征

接触情况

定义

雷达图像表现特征

胶结紧密

混凝土与围岩胶结紧密

同相轴连续，电磁波反射能量弱。

轻微脱空

脱空高度≤5c