柱狀節理玄武巖硐室圍巖各向異性相對松弛度評判方法
【專利摘要】本發明涉及柱狀節理玄武巖硐室圍巖各向異性相對松弛度評判方法。發明目的是提供柱狀節理玄武巖硐室圍巖各向異性相對松弛度評判方法，快速準確的判斷出圍巖各向異性相對松弛厚度。發明的技術方案：1、在硐室某斷面的頂板、底板和兩側邊墻上均鉆設一組測試鉆孔；2、跨孔法進行波速測試，以距離鉆孔底部2m范圍內的測試波速值為原始未擾動柱狀節理玄武巖波速Vpo，鉆孔其余范圍內按不同深度統計實測波速；3、利用Kvb＝(Vpm/Vpo)2＝0.75～0.45分別求得頂板、底板和兩側邊墻的松弛擾動區波速Vpm，然后以Vpm與步驟2所得對應方向的實測波速匹配，得各向異性相對松弛厚度。發明用于水工各向異性圍巖硐室工程領域。
【專利說明】柱狀節理玄武巖硐室圍巖各向異性相對松弛度評判方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種柱狀節理玄武巖硐室圍巖各向異性相對松弛程度的波速定量評判方法，主要適用于水工各向異性圍巖硐室工程領域。
【背景技術】
[0002]我國西南水電開發區域廣泛分布柱狀節理玄武巖體，如我國巨型水電站白鶴灘、溪洛渡及二灘水電站等均有涉及，特別是在建的金沙江白鶴灘水電站，柱狀節理玄武巖已成為該水電工程主要的水工隧洞圍巖及大壩的建基巖體之一。在工程中，對于此類各向異性顯著的巖體如假定為各向同性進行研究，勢必造成較大誤差，因此應結合柱狀節理玄武巖原位測試成果依據各向異性理論進行硐室圍巖分析和設計。
[0003]根據白鶴灘水電站壩址區柱狀節理玄武巖硐室的中心孔及承壓板原位載荷測試，表現出顯著的各向異性，具體為硐室左右邊墻水平方向變形模量值大于硐室頂底板鉛直方向變形模量，這主要是由復雜的硐室圍巖構造地應力場和不均勻密集分布的柱狀節理及微裂隙造成。判定硐室圍巖分類及松弛時常采用波速物探方法，對于各向同性及近似各向同性巖體由于圍巖四周介質均勻且性質一致，可采用不同方向圍巖波速小于或等于某一定值進行判斷松弛，但對于破碎的各向異性柱狀節理玄武圍巖則顯出不足。
[0004]柱狀節理玄武巖由于節理影響，本身存在各向異性，開挖擾動后，臨空面卸荷會發生圍巖松弛，其硐室圍巖開挖后，上下底板和左右邊墻松弛厚度不等，亦具有各向異性，以波速進行評判時往往存在以下誤區:
[0005]首先，未擾動的柱狀節理玄武巖本身屬于破碎巖體，開挖卸荷后節理面張開滑移，加劇了破碎程度，以波速進行評判圍巖松弛時，不應在不同方向均以同一波速大小為標準(如以玄武巖塊波速大小為標準)，這就忽視了原始破碎程度的影響，也未能考慮原始圍巖各向異性的影響，無法體現出爆破開挖后圍巖較原始圍巖的松弛程度，即無法得出開挖后圍巖與原始圍巖相比的松弛區域，只能得出開挖后圍巖與完整玄武巖塊相比的松弛區域。
[0006]其次，也不能以波速絕對值來評判，假定波速測試鉆孔5m深度范圍內，硐室頂底板巖體未擾動前破碎程度就高，平均波速低(假定初始值5000m/s)，硐室開挖后如果頂底板保護措施較好，對其擾動較低，松弛程度不大，但如以絕對值來評判，其波速依然很小(假定開挖后為4500m/s)，會得出硐室頂底板受開挖影響大，且松弛區厚度大的結論(實際波速相比原始圍巖只降低了 10%)。同理，如果硐室左右邊墻受爆破開挖影響大，但波速初始值就高(假定初始值6500m/s)，雖然開挖后波速絕對值仍較大(假定開挖后5000m/s)，會得出左右邊墻松弛程度不大的結論(相比原始圍巖實際波速值降低了 23.1% )。與原始圍巖相比，由于左右邊墻波速降低幅度較頂板和底板更大，導致圍巖物理力學特性較原始圍巖劣化程度更大，故左右邊墻松弛程度較頂板和底板大。
【發明內容】
[0007]本發明要解決的技術問題是:針對上述存在的問題提供一種柱狀節理玄武巖硐室圍巖各向異性相對松弛度評判方法，以便快速準確的判斷出圍巖各向異性相對松弛厚度。
[0008]本發明所采用的技術方案是:柱狀節理玄武巖硐室圍巖各向異性相對松弛度評判方法，其特征在于，步驟如下:
[0009]S1、在硐室的某斷面處，頂板、底板和兩側邊墻上均鉆設一組波速測試鉆孔，各組波速測試鉆孔均勻分布，且伸入原始未擾動巖體的深度不小于2m ；
[0010]S2、采用跨孔法分別對各組波速測試鉆孔進行波速測試，以距離波速測試鉆孔底部2m范圍內的測試波速統計值為原始未擾動柱狀節理玄武巖波速Vp。，波速測試鉆孔其余范圍內按照不同深度統計其實測波速；
[0011]S3、利用公式Kvb = (Vpm/Vp。)2 = 0.75?0.45分別求得頂板、底板和兩側邊墻的松弛擾動區波速vpm，然后以該松弛擾動區波速Vpm與步驟S2所得對應方向的實測波速進行匹配，從而得到柱狀節理玄武巖硐室圍巖各向異性相對松弛厚度。
[0012]每組波速測試鉆孔均由2個或3個均勻布置的鉆孔組成。
[0013]本發明的有益效果是:本發明引入柱狀節理玄武巖松弛系數Kvb (取值0.75-0.45，根據不同的硐室安全使用等級及圍巖質量等級采用不同的松弛系數)，定義為Kvb = (Vpm/Vpo)2,將采用該公式計算出的松弛擾動區波速Vpm與對應方向的實測波速進行匹配，從而得到相對于原始巖體的硐室圍巖開挖松弛厚度，為柱狀節理玄武巖硐室圍巖錨固支護或灌漿提供可靠的依據，以期圍巖物理力學性狀接近或達到原始未擾動巖體力學物理狀態。此外，用松弛系數Kvb評價硐室各向異性圍巖相對松弛具有清晰的物理概念和定量描述的優勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明硐室某斷面波速測試及分析示意圖。
【具體實施方式】
[0015]本實施例結合圖1進行說明，在某柱狀節理玄武巖硐室I某斷面上，頂板、底板、兩側邊墻(包括左邊墻和右邊墻)巖體原始性狀及開挖后性狀均為各向異性。
[0016]本實施例具體步驟如下:
[0017]S1、在硐室I的某斷面處，根據柱狀節理玄武巖各向異性物理力學特性，在其頂板、底板和兩側邊墻上各鉆設三個波速測試鉆孔2 ;位于同一方向(頂板、底板、左邊墻或右邊墻)上的三個波速測試鉆孔2均勻分布，并且孔深要求較深(一般為1m左右)，伸入原始未擾動巖體的深度不小于2m(本實施例鉆孔伸入原始未擾動巖體的深度剛好為2m)，以便統計原始未擾動巖體波速；
[0018]S2、采用跨孔法對頂板上的三個波速測試鉆孔2進行波速測試，以距離波速測試鉆孔2底部2m范圍內的測試波速統計值為頂板的原始未擾動柱狀節理玄武巖波速Vptjl，波速測試鉆孔2其余范圍內按照不同深度進行統計分析，得到頂板測試鉆孔2松弛擾動區不同深度的實測波速Vpml ;然后按照同樣的原理和方法分別得到底板的原始未擾動柱狀節理玄武巖波速Vpt52、底板測試鉆孔2松弛擾動區不同深度的實測波速Vpm2，左邊墻的原始未擾動柱狀節理玄武巖波速Vptj3、左邊墻測試鉆孔2松弛擾動區不同深度的實測波速Vpm3，右邊墻的原始未擾動柱狀節理玄武巖波速Vptj4、右邊墻測試鉆孔2松弛擾動區不同深度的實測波速Vpm4 ;測試時，頂板、底板、左邊墻和右邊墻的測試順序可隨機調整；同時為獲取整個硐室沿縱向進深的各向異性松弛范圍，可根據設計需要，在沿硐室縱向進深方向的以一定間距布置多個測孔，即在不同樁號位置布置測孔，以獲取整條隧洞的松弛圈范圍；
[0019]S3、根據巖體完整性系數Kv概念(巖體波速與巖塊波速比值的平方)，引入柱狀節理玄武巖松弛系數Kvb(根據不同的硐室安全使用等級及圍巖質量等級，可采用不同的松弛系數Kvb，可將Kvb松弛標準適當降低或提高，以此判定相對松弛厚度)，定義為Kvb = (Vpm/Vpo)2,即為柱狀節理玄武巖松弛擾動區波速Vpm與未擾動柱狀節理玄武巖波速vp。比值的平方；巖體完整性系數&概念中，KV〈0.75即為較完整巖體，Κν〈0.45即為較破碎巖體，故以Kvb=0.75?0.45為標準，分別求得不同方向Kvb = 0.75?0.45時的松弛擾動區波速Vpm對應深度，以此判定柱狀節理玄武巖各向異性相對松弛厚度；
[0020]本實施例依據步驟S2所得統計值，利用公式Kvbi = (Vpmi/VpJ2分別求得頂板的柱狀節理玄武巖松弛系數Kvbl、底板的柱狀節理玄武巖松弛系數Kvb2、左邊墻的柱狀節理玄武巖松弛系數Kvb3和右邊墻的柱狀節理玄武巖松弛系數1(_，1 = 1，2，3，4，分別代表位置為硐室頂板、底板、左邊墻及右邊墻，以獲取柱狀節理硐室圍巖各向異性松弛程度；然后根據實施例圍巖質量等級和安全使用等級，綜合取Kvb = 0.6為松弛與未松弛分界指標；利用公式Kvbi = (VpmiApoi)2 = 0.6分別求得頂板的松弛擾動區波速V ‘pml，然后將該松弛擾動區波速V ‘pml與步驟S2所得頂板測試鉆孔2松弛擾動區不同深度的實測波速Vpml進行匹配，最終求得頂板相對松弛厚度為3m ;然后采用相同的方法獲得底板相對松弛厚度為2.4m，左邊墻相對松弛厚度為1.5m，右邊墻相對松弛厚度為2.lm，顯示出了明顯的各向異性特征。
[0021]本實施例提出對柱狀節理圍巖相對松弛的判定，可作為柱狀節理各向異性圍巖相對松弛程度判定的定量指標，可為柱狀節理硐室圍巖錨固和支護提供參考依據。
[0022]本發明亦可擴展為以未錨固(灌漿)前圍巖波速為基準，通過判定錨固(灌漿)后圍巖波速相對增大比率來評判圍巖錨固(灌漿)效果，所采用測試方法和原理亦是相同。
【權利要求】
1.一種柱狀節理玄武巖硐室圍巖各向異性相對松弛度評判方法，其特征在于，步驟如下: 51、在硐室(I)的某斷面處，頂板、底板和兩側邊墻上均鉆設一組波速測試鉆孔(2)，各組波速測試鉆孔(2)均勻分布，且伸入原始未擾動巖體的深度不小于2m; 52、采用跨孔法分別對各組波速測試鉆孔(2)進行波速測試，以距離波速測試鉆孔(2)底部2m范圍內的測試波速統計值為原始未擾動柱狀節理玄武巖波速Vp。，波速測試鉆孔(2)其余范圍內按照不同深度統計其實測波速； 53、利用公式Kvb= (Vpm/Vpo)2 = 0.75?0.45分別求得頂板、底板和兩側邊墻的松弛擾動區波速Vpm，然后以該松弛擾動區波速Vpm與步驟S2所得對應方向的實測波速進行匹配，從而得到柱狀節理玄武巖硐室圍巖各向異性相對松弛厚度。
2.根據權利要求1所述的柱狀節理玄武巖硐室圍巖各向異性相對松弛度評判方法，其特征在于:每組波速測試鉆孔(2)均由2個或3個均勻布置的鉆孔組成。
【文檔編號】G01B15/02GK104236489SQ201410479182
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月18日 優先權日:2014年9月18日
【發明者】單治鋼, 狄圣杰 申請人:中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司