阿海水电站层状岩体波速各向异性研究

余良学，詹建平，杨朝辉

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司)

1 引言

阿海水电站工程区岩体层状特征明显，本次研究岩性主要为层状钙质长石石英砂岩，含炭质钙质粉砂岩、泥质粉砂岩呈互层状夹中厚层状砂岩、生物碎屑岩，薄层层厚0.1～1m不等，岩体受挤压强烈，泥质粉砂岩相对破碎，层间挤压紧密。具体岩体特征参见图1。

图1 阿海水电站工程区典型层状岩体图

为研究层状岩体在各种角度下物理力学性质，在平洞洞壁选取15个测试区进行穿透声波测试，预期从声波波速得出层状岩体的各向异性特征。

2 测试方法

2.1 选取测试区原则

（1）代表性。本次研究目的是层状岩体的各向异性，选取的测试区要包含工程区各种层状岩体：薄层状、中厚层状、互层状等，各种岩体的比例要基本相当。

（2）完整性。由于需要研究的主要是微新岩体各向异性，要剔除地质作用影响，选取的测试区就要岩体完整，使测试结果不受构造等造成的岩体破碎影响。

（3）方向性。为了测试到各种角度下的岩体波速，测试区选取要避开岩层面与钻孔垂直的地方，这种地方测试只能得到“零”角度下的波速。

在上述原则下，此次研究共选取了15个测试区布置钻孔，典型的测试区见图1。需要说明的是，得益于实际工程条件，平洞开挖结果显示，布置测试区的洞壁上，岩层倾向几乎与洞壁呈直角相交，这避免了对岩层倾向面与测试钻孔交角的研究，简化了数据测试与分析的难度。

2.2 测试过程控制

波速各向异性测试采用的是穿透声波法。测线布置见图2：每一个测试区一般布置6个钻孔，上、下平行的两排孔相邻孔孔距一般为2m，两排孔间距依据平洞实际情况取最大间距布置，一般在1.2～1.4m之间。第一排三个孔从左至右标号为1号孔、2号孔、3号孔，第二排孔从左至右依次标号为4号孔、5号孔、6号孔，测线1—3和测线4—6方向与洞径方向平行。当测线1—6和测线3—4间声波不能穿透时，在两测线交点处布置7号孔进行加密测试。

造孔要求：

（1） 钻孔方向应在基本垂直洞壁的基础上统一向下呈5°倾斜。

（2） 所有钻孔要保持平行。

（3） 钻孔规格：深度为1.5m，直径为42mm。

（4） 完成的钻孔应进行冲洗，清除孔内的沉渣。

图2 阿海水电站岩体波速各向异性测试测线布置示意图

测线原则上尽可能多角度布置（获取大量样本），远距离测试（减少测距影响），测试点距10cm。孔斜测量采用1.5m的平直长杆，将杆直插入孔中1m，测量杆顶距离与孔口杆距，依据梯形校正实际测距。各测线与岩体层理夹角于现场用地质罗盘量出。

2.3 基础数据处理

完成测距校正后，计算各测点波速，每条测线均绘制孔深—波速曲线。每条测线只对应一个夹角，所以只采用一个代表性波速，这个波速取值依据如下原则。

（1）考虑爆破和开挖引起的洞壁松弛，依据本工程实测围岩松弛带一般小于60cm，通常舍去孔口50cm内数据。

（2）考虑测距校正对钻孔深处误差较大，通常舍去孔底40cm内数据。

（3）一般取中间平直段数据的平均值。

（4）对于中间段数据跳跃较大时，考虑受构造等地质作用影响，取大值。

3 数据分析

3.1 建立数学模型

根据工程条件，本次测试不需要考虑岩层倾向与测试钻孔交角，认为它们呈平行状态，这种情况下，只需要考虑测线与岩层夹角和波速的关系。

层状岩体中，对岩体波速产生影响的因素主要是层间空隙和部分低速岩体（泥质粉砂岩、生物碎屑岩），层间空隙与岩体孔隙类似。孔隙率和岩体完整系数有关，一般来说完整性越差，孔隙率越大，如砂层（极软岩、极破碎）大于5%，破碎软岩3%～5%，完整硬岩小于3%。

针对本工程岩体特点，对层间空隙和部分低速岩体用一个变量统一描述，取孔隙率3%进行数学建模。但层间空隙对波速影响又不完全等同孔隙率，要考虑波动传播过程中遵循的最短路径原则，既孔隙率对波速贡献上要加一个小于1的影响因子。结合实际测试情况，取完整岩体波速5.50km/s，空隙波速0.34km/s，测距1m，孔隙率影响因子0.32，即可得出层状岩体波速与夹角关系的数学模型，采用二次多项式建模，见图3。

图3 层状岩体波速与夹角关系的数学模型图

3.2 实测数据分析

严格按前述规则，本次共采集到167对 （夹角与波速）有效数据，绘制成散点图见图4。考虑各测区岩体破碎程度不一致，数据离散性较大，不利于对数据进行规律性总结，对实测数据进行归一化，取全部167个波速数据的平均值5.11km/s为基点，以每个测区平均波速为调节值，进行归一化处理，结果见图5。对比归一化前后数据，可以看出，归一化后变化最明显的是40°前数据有明显的聚合特征，可推测出大角度相交时，波速受角度影响较大，但无明显规律。

图4 层状岩体波速与夹角的散点图

图5 归一化后层状岩体波速与夹角的散点图

影响测试结果的因素有：角度测量误差、测距误差、地质作用、仪器系统误差和读数误差等多种，单个测试数据通常在工程上都不具有意义，只有统计学规律才具有确实意义。考虑现场对测线与岩层夹角测量误差控制在5°以内，同时统计样本总数较少的综合因素，以夹角10°为统计期间，分别对归一化前后数据进行平均统计，统计成果见图6和图7。

图6 层状岩体波速与夹角平均值拟合曲线图

图7 归一化后层状岩体波速与夹角平均值拟合曲线图

从图6可以看出，归一化前数据统计拟合结果呈三次多项式，明显违背了理论数学模型，其结果受地质作用影响较大，不适用于描述完整岩体的各向异性特征。

对比图7和图3可以看出，归一化后数据拟合结果与理论模型有较好的对应关系，更加真实地反映了本工程岩体的各向异性特征。本工程岩体波速各向异性（夹角—波速）关系基本符合二次多项式规律，平行岩层与垂直岩层波速在完整岩体中相差约0.5km/s。由于归一化基点选取的是所有数据的平均值，反推平行岩层波速约5.5km/s，这与工程实际有差异，依据前期勘测大量钻孔数据统计结果，新鲜完整岩块波速取值5.80km/s，可以得出，垂直岩层方向波速为5.3km/s。

4 结论

阿海水电站工程区以砂岩为主的层状岩体，波速各向异性特征明显，波速与岩层夹角呈二次多项式函数关系，平行岩层波速比垂直岩层方向高0.5km/s左右。新鲜完整岩块波速取值5.80km/s的情况下，垂直岩层方向波速为5.3km/s。