周黎明, 王法剛, 肖國(guó)強(qiáng), 付代光, 羅 榮

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

卡里巴電站南岸擴(kuò)機(jī)工程巖體特性綜合測(cè)井試驗(yàn)

周黎明, 王法剛, 肖國(guó)強(qiáng), 付代光, 羅 榮

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

利用測(cè)井技術(shù)研究水電工程巖體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量已被證明為一種可靠的方法。為評(píng)價(jià)卡里巴電站南岸擴(kuò)機(jī)工程Sd01部位、進(jìn)水口閘門井和進(jìn)水口上游圍堰巖體地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)特性，基于聲學(xué)與光學(xué)測(cè)井技術(shù)開展了相關(guān)部位的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，獲得了上述部位的覆蓋層厚度、基巖風(fēng)化特征、基巖裂隙發(fā)育情況和基巖波速分布特性。試驗(yàn)結(jié)果表明:上述部位的水位分別為11.7，13.1，14.1～16.5 m；平均波速分別為3 200，3 500，2 000 m/s；覆蓋層厚度分別為21，26，>30 m;Sd01部位和閘門井巖體較完整，主要裂隙統(tǒng)計(jì)分別為12條和11條；上游圍堰巖體較破碎，強(qiáng)風(fēng)化。

卡里巴電站；綜合測(cè)井；巖體結(jié)構(gòu)；聲學(xué)測(cè)井；光學(xué)測(cè)井

1 研究背景

卡里巴水電站位于非洲津巴布韋與贊比亞交界的贊比西河中游卡里巴峽谷。卡里巴南岸擴(kuò)建工程主體建筑物包括進(jìn)水口、引水隧洞、地下廠房、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾水出口、地面主變和開關(guān)站。贊比西河穿過廣闊的平原，然后進(jìn)入卡里巴峽谷，峽谷全長(zhǎng)約 26 km。兩岸山體雄厚，高出河水面183～488 m，兩岸自然邊坡坡度一般為30°～40°，電站各工程部位的人工邊坡較陡，一般為65°～75°，目前可見到的人工邊坡(如公路邊坡、出水口邊坡)高度一般為15～30 m，有些部位已進(jìn)行了漿砌石貼坡(如南岸大部分邊坡)或混凝土擋墻(如兩岸尾水出口)加固，南岸尾水洞上部公路邊坡在漿砌石貼坡基礎(chǔ)上采用錨索加固。壩址區(qū)河谷較寬，河道順直。

利用測(cè)井技術(shù)研究水電工程巖體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量已被證明為一種可靠的方法。譚顯江等[1]在水電工程中成功應(yīng)用了高清鉆孔電視技術(shù)；張旭等[2]、鄭應(yīng)格[3]、杜彥軍[4]、付代光等[5]開展了綜合測(cè)井技術(shù)及應(yīng)用研究，取得較好的效果；張東明等[6]、孔廣勝[7]利用鉆孔電視進(jìn)行了巖體穩(wěn)定性和巖體風(fēng)化程度的研究。為評(píng)價(jià)進(jìn)水口上游圍堰、進(jìn)水口閘門井和Sd01部位圍巖地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)特性，在指定區(qū)域開展基于聲學(xué)和光學(xué)技術(shù)的綜合測(cè)井試驗(yàn)。試驗(yàn)孔編號(hào)分別為BH05,BH12,BH04,BH04-1。鉆孔BH05,BH12深度均為60 m，鉆孔BH04,BH04-1深度均為40 m，鉆孔具體位置如圖1。

圖1 鉆孔布置示意圖Fig.1 Layout of boreholes

2 工程地質(zhì)條件

引水明渠段為人工棄渣形成的平臺(tái)，寬10～30 m，根據(jù)BH03和BH04鉆孔揭露，人工棄渣厚度11.5～12 m。平臺(tái)臨水庫(kù)一側(cè)邊坡自然坡度35°～45°，平臺(tái)南側(cè)邊坡自然坡度29°～43°，局部陡立，達(dá)70°以上；隧洞進(jìn)口部位自然岸坡28°～45°，邊坡開挖相對(duì)于洞底高程高差>55 m。根據(jù)BH05鉆孔揭露的地層情況推測(cè)，明渠段及進(jìn)水口邊坡上部覆蓋層厚7～12 m，下部強(qiáng)風(fēng)化云母片麻巖厚12～15 m，其下為中風(fēng)化石英巖。覆蓋層主要由崩坡積夾人工堆積的塊碎石組成，結(jié)構(gòu)松散。

引水洞明渠渠底基礎(chǔ)建在中風(fēng)化巖體上，局部位于強(qiáng)風(fēng)化巖體上，采取工程處理措施，對(duì)強(qiáng)風(fēng)化地基加固；明渠南側(cè)邊坡巖體由3部分組成，表部為厚5～10 m的人工堆積塊碎石土，堆積松散，其下為強(qiáng)風(fēng)化石英黑云母片麻巖，垂直厚度15～24 m，邊坡坡腳巖體為中風(fēng)化石英巖。邊坡巖體中發(fā)育NE30°NW∠55°(L29)裂隙以及NW298°～335°SW∠82°～88°(L41，L42，L43)陡傾角裂隙，二者與石英黑云母片麻巖片麻理裂隙相互切割，易形成不穩(wěn)定塊體。明渠北側(cè)邊坡上部由結(jié)構(gòu)松散的人工堆積塊碎石土組成，厚度10～12 m，其下為強(qiáng)風(fēng)化石英黑云母片麻巖(靠近明渠上游側(cè)為強(qiáng)-全風(fēng)化云母片麻巖)，片麻巖在庫(kù)水經(jīng)年浸泡下嚴(yán)重軟化，開挖過程中應(yīng)及時(shí)支護(hù)封閉，盡量避免長(zhǎng)時(shí)間暴露于地表；進(jìn)水口基坑上游緊鄰Sd01松動(dòng)巖體，開挖過程中需對(duì)Sd01松動(dòng)巖體采取必要的工程處理措施；加之引水明渠緊鄰水庫(kù)，地下水豐富，覆蓋層為強(qiáng)透水，強(qiáng)風(fēng)化巖體滲透率>11 Lu，屬中等以上透水，中風(fēng)化巖體滲透率為4.4～10.4 Lu，為中等透水-弱透水，必須進(jìn)行防排水設(shè)計(jì)。

圖2 單孔聲波測(cè)試示意Fig.2 Schematic diagram of single-hole acoustic velocity test

引水洞進(jìn)水口邊坡巖體從上至下亦由人工堆積塊碎石土、強(qiáng)風(fēng)化石英黑云母片麻巖和石英巖、中風(fēng)化石英巖組成，強(qiáng)風(fēng)化黑云母片麻巖中片麻理裂隙發(fā)育。巖體中裂隙以順坡向陡傾裂隙為主，如L04產(chǎn)狀NE67°NW∠82°，L05產(chǎn)狀NE70°NW∠72°，局部發(fā)育順坡向中緩傾角裂隙L3，產(chǎn)狀NE35°NW∠35°。裂隙相互切割，組成不穩(wěn)定塊體，施工中易坍塌滑落；引水洞進(jìn)口閘門豎井塔基為強(qiáng)風(fēng)化石英黑云母片麻巖，其地基允許承載力值<1 MPa。建議引水明渠及進(jìn)水口邊坡開挖坡比為：覆蓋層1∶1～1∶1.25，強(qiáng)風(fēng)化巖體1∶0.75～1∶1，中風(fēng)化巖體1∶0.5～1∶0.75。

3 方法與原理

3.1 聲學(xué)測(cè)井

聲學(xué)測(cè)井中的單孔聲波法測(cè)試采用一發(fā)雙收裝置，探測(cè)部分由1個(gè)發(fā)射換能器和2個(gè)接收換能器組成。地面部分由脈沖信號(hào)源和記錄裝置組成。理論基礎(chǔ)是聲波傳播的折射原理，即發(fā)射換能器發(fā)射脈沖超聲波信號(hào)，該信號(hào)在水和巖體界面發(fā)生折射，并被2個(gè)接收換能器所接收(圖2)。

根據(jù)接收換能器接收到的縱波的初至?xí)r間和2個(gè)接收換能器之間的距離，計(jì)算出該測(cè)點(diǎn)的巖體縱波波速。測(cè)試時(shí)，水作為耦合劑，每間隔0.2 m為一測(cè)段。采樣間隔可調(diào)，測(cè)試過程中，保證較小采樣間隔。根據(jù)2個(gè)接收換能器初至波到達(dá)時(shí)間t1,t2，計(jì)算測(cè)點(diǎn)波速VP，即

(1)

式中L為2個(gè)接收換能器之間的距離。利用巖體各深度測(cè)點(diǎn)波速值，繪制波速隨深度變化的關(guān)系曲線。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以推斷鉆孔周邊的巖體力學(xué)性狀，尤其對(duì)緩傾角節(jié)理裂隙反映特別敏感。

3.2 光學(xué)鉆孔錄像原理

光學(xué)成像系統(tǒng)可在空氣或清水介質(zhì)的鉆孔中工作，可給出高分辨率的定向“展開”井壁圖像。工作原理是在全柱面數(shù)字鉆孔電視系統(tǒng)探頭內(nèi)部有一圓臺(tái)型錐鏡O′O″，它將環(huán)行鉆孔壁A′B′C′D′圍巖情況經(jīng)錐鏡反射到錐鏡正上方的高清晰數(shù)字?jǐn)z像頭上，如圖3(a)所示?？妆谠跀z像頭上成的像為一個(gè)同心圓環(huán)，見圖3(b)。把圓環(huán)按成圖時(shí)刻的數(shù)字羅盤所記錄的角度差值還原展開，再附加上成圖時(shí)刻深度記數(shù)器所記錄的深度信息，就可以得到環(huán)行鉆孔壁A′B′C′D′的平面展開圖，將鉆孔壁的平面展開圖按深度拼接就可以得到全孔壁的展開圖，也可將平面展開圖卷曲還原成鉆孔壁復(fù)原圖。探頭采集的圖片和錄像直接存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)里，通過解釋軟件就可以分析鉆孔的情況。

圖3 光學(xué)測(cè)井成像示意 Fig.3 Schematic diagram of imaging principle by optical logging

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 聲波測(cè)井結(jié)果

通過對(duì)單孔聲波的測(cè)試數(shù)據(jù)處理得到波速值，根據(jù)波速值繪制波速沿孔深分布的曲線圖。其中BH04-1鉆孔測(cè)試深度為20.8 m，整個(gè)測(cè)試區(qū)間聲波測(cè)試結(jié)果均低于1 500 m/s，說(shuō)明孔壁破碎，未做波速曲線與統(tǒng)計(jì)圖。圖4為典型測(cè)試成果曲線。

圖4 波速-孔深聲波曲線Fig.4 Curves of acoustic velocity vs. hole depth

上述3個(gè)鉆孔所在部位的巖體聲波波速統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

圖5 聲波波速統(tǒng)計(jì)分布Fig.5 Statistical distribution of single-hole acoustic velocity

對(duì)位于進(jìn)水口閘門井部位的BH05孔和Sd01部位的BH12孔進(jìn)行的聲波試驗(yàn)結(jié)果為：閘門井處巖體波速平均值約為3 500 m/s，波速主要分布在3 000～5 000 m/s；低速區(qū)巖體波速主要分布在1 700～3 000 m/s。進(jìn)水口閘門井部位覆蓋層厚度約為26 m；Sd01部位巖體波速平均值約為3 200 m/s，覆蓋層厚度為21 m。

對(duì)位于進(jìn)水口上游圍堰部位的BH04孔和BH04-1孔進(jìn)行的聲波試驗(yàn)結(jié)果為：BH04-1鉆孔測(cè)試深度為20.8 m，整個(gè)測(cè)試區(qū)間聲波測(cè)試結(jié)果均低于1 500 m/s，說(shuō)明孔壁十分破碎；BH04孔平均波速約為2 000 m/s，波速主要分布在3 000 m/s以下，巖體低速區(qū)分布在1 500～2 000 m/s。進(jìn)水口上游圍堰部位覆蓋層厚度>30 m。

4.2 光學(xué)測(cè)井成像結(jié)果

光學(xué)測(cè)井成像典型結(jié)果見圖6。

BH05孔測(cè)試深度51.9 m，套管6.8 m，水位13.1 m；BH12孔測(cè)試深度39.8 m，套管9.5 m，水位11.7 m；BH04孔測(cè)試深度26.7 m，套管8.3 m，水位14.1 m，孔內(nèi)破碎，后因掃孔所用水泥護(hù)壁過多，孔壁表面被水泥覆蓋，未進(jìn)行鉆孔成果統(tǒng)計(jì)；BH04-1孔測(cè)試深度16.5 m，套管0.35 m，水位14 m，0～8 m孔壁破碎，為人工堆積塊碎石，夾強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，8.7 m以下為基巖。

圖6 光學(xué)測(cè)井成像圖Fig.6 Borehole images of optical logging

5 結(jié) 論

本文研究結(jié)果表明，聲波和光學(xué)的綜合測(cè)井技術(shù)在檢測(cè)卡里巴水電站南岸工程巖體結(jié)構(gòu)特性方面是實(shí)用有效的。具體結(jié)論如下：

(1) 進(jìn)水口閘門井部位水位13.1 m，孔壁較完整，巖體波速相對(duì)較高，平均波速為3 500 m/s左右，局部存在裂隙，主要裂隙共計(jì)11條，覆蓋層厚度約為26 m。

(2) Sd01部位水位11.7 m，巖體平均波速約為3 200 m/s，主要裂隙12條，局部存在未填充腔洞，覆蓋層厚度約為21 m。

(3) 進(jìn)水口上游圍堰水位為14.1～16.5 m，巖體較破碎，強(qiáng)風(fēng)化，波速相對(duì)較低，平均波速約為2 000 m/s，覆蓋層厚度>30 m，其中表層人工堆石厚度約8.5 m。

[1] 譚顯江，張建清，劉方文，等. 高清數(shù)字鉆孔電視技術(shù)研發(fā)及其在水電工程中的應(yīng)用[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2012, 29(8):62-66.

[2] 張 旭，劉 偉，代 偉. 地球物理綜合測(cè)井技術(shù)在云桂線富寧隧道勘察中的應(yīng)用[J]. 云南大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(增2):252-255.

[3] 鄭應(yīng)閣.綜合測(cè)井在洛寧抽水蓄能電站勘察中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2008, 27(4): 107-108.

[4]杜彥軍. 綜合測(cè)井技術(shù)在太行山隧道勘察中的應(yīng)用[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào),2006,8(5):77-81.

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[6] 張東明，齊消寒，尹光志，等. 鉆孔電視在地下工程圍巖穩(wěn)定性計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，38(6)：28-32.

[7] 孔廣勝.利用鉆孔超聲成像的圖像特征進(jìn)行巖石風(fēng)化程度分類[J]. 物探與化探,2005，(4)：367-373.

(編輯：占學(xué)軍)

Experimental Investigations of Rock Mass for South Bank ExpansionProject of Kariba Power Station by Comprehensive Logging

ZHOU Li-ming, WANG Fa-gang, XIAO Guo-qiang, FU Dai-guang, LUO Rong

(Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China)

Well logging technology has been proved to be a reliable method to researching the rock mass structure and quality in hydropower project. In order to estimate the geological conditions and structural characteristics of rock mass, we took the south bank expansion project of Kariba power station as an example and carried out rock mass test at position Sd01, upstream cofferdam of water inlet and gate shaft of water inlet. By adopting acoustic and optical logging technology, we conducted in-site test and obtained the thickness of covering layer, weathering degree of bedrock, fissures development degree, and acoustic velocity of rock mass. The experimental results show that the water level at these places is 11.7, 13.1, 14.1-16.5 m,respectively, and average wave velocity is 3 200, 3 500, 2 000 m/s ,respectively,and the thickness of the covering layer is 21, 26 m, and above 30 m. Furthermore, the rock mass at Sd01 site and the gate shaft is relatively complete, with 12 and 11 fractures,whereas the rock mass of upstream cofferdam is broken and strongly weathered.

Kariba power station; comprehensive logging; rock mass structure; acoustic logging; optical logging

2016-03-03；

2016-03-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41202223，51409013)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CKSF2016045/YT)

周黎明(1977-)，男，吉林輝南人，高級(jí)工程師，博士，主要從事巖土工程地球物理技術(shù)方面的研究工作,(電話)027-82927247(電子信箱)brian5396@126.com。

10.11988/ckyyb.20160174

2016,33(12):109-112

TU459.3

A

1001-5485(2016)12-0109-04