CN110794039B - 利用岩体波速计算帷幕灌浆岩体裂隙充填率的方法 - Google Patents

利用岩体波速计算帷幕灌浆岩体裂隙充填率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用岩体波速计算帷幕灌浆岩体裂隙充填率的方法，包括如下步骤：步骤一、利用岩体二相关系推导出灌浆后岩体裂隙充填比率计算公式，步骤二、将测试的灌前岩体波速数据按从小到大排序，并统计各波速数据的数量，计算各波速值所占比率；步骤三、使用岩体波速线性分级结合泊松分布概率密度函数构建岩体波速泊松分布概率密度公式，拟合灌前岩体波速比率数据，得到工区岩块波速值；步骤四、将各速度参数代入步骤一公式中，计算岩体裂隙充填比率。本发明只根据工区帷幕灌浆前、后岩体波速值计算水利工程中帷幕灌浆后岩体裂隙充填率，既可为评价帷幕灌浆质量提供量化指标，也可减少工地现场试验工作量，显著提高工效。

Description

利用岩体波速计算帷幕灌浆岩体裂隙充填率的方法
技术领域
本发明涉及工程检测技术领域，具体是一种利用岩体波速计算帷幕灌浆岩体裂隙充填率的方法。
背景技术
目前在水电工程帷幕灌浆施工质量检测中，规程、规范中规定以压水试验透水率作为量化指标，存在指标单一的缺点。
压水试验涉及设备多(钻机、水泵、压水仪器、压力计、流量计等)、试验时间长、成本高。在实际检测工作中会辅助以物探检测，但各种物探检测方法通常检测介质(岩体)的物性参数值(如波速、电阻率等)，无法量化为灌浆施工质量具体参数，只能作为辅助手段，无法发挥出物探检测信价比高、效率高的优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的帷幕灌浆质量评价指标——岩体裂隙充填率，并提供该指标计算方法，根据工区岩体在灌浆前、后声波速度计算岩体裂隙充填率。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种利用岩体波速计算帷幕灌浆岩体裂隙充填率的方法，包括如下步骤：
步骤一、利用岩体二相关系推导出灌浆后岩体裂隙充填比率计算公式(式4):
Figure GDA0003317949960000011
式中：Vr代表工区岩块波速；Vw代表水的波速；Vc代表水泥的波速；Vq代表灌前岩体平均波速；Vh代表灌后岩体平均波速；L代表岩体长度；Lw代表裂缝宽度；Lr代表岩块宽度；Lc代表水泥充填裂缝宽度；Lw/L代表岩体裂隙比率；Lc/Lw代表灌浆后裂缝充填比率；
步骤二、将测试的灌前岩体波速数据按从小到大排序，并统计各波速数据的数量，计算各波速值所占比率,计算工区灌浆前、后岩体波速平均值,并绘制灌前岩体波速比率曲线；
步骤三、使用岩体波速线性分级结合泊松分布概率密度函数构建岩体波速泊松分布概率密度公式，拟合灌前岩体波速比率数据，得到工区岩块波速值；
步骤四、将步骤三所得工区岩块波速值以及其他各速度参数代入步骤一中推导的灌浆后岩体裂隙充填比率计算公式(4)，计算整个工区灌浆岩体裂隙充填率。
进一步的，步骤一具体为：
根据路程、速度关系，即式(1)，推导出岩体中裂隙比率，见式(2)：
Figure GDA0003317949960000021
Figure GDA0003317949960000022
灌浆后，岩体裂隙内部分充填浆体，根据路程、速度关系，即式(3)，联合式(2)，推导出灌浆后裂隙充填比率，见式(4)：
Figure GDA0003317949960000023
Figure GDA0003317949960000024
进一步的，步骤三具体为：
利用步骤二绘制的灌前岩体波速比率曲线与常见泊松分布曲线呈镜像相似性,将公式(6)所示岩体波速线性分级关系代入公式(5)所示泊松分布概率密度函数，构造公式(7)所示岩体波速泊松分布概率密度关系式，用岩体波速泊松分布概率密度公式对灌前岩体波速进行拟合，在拟合误差最小时，确定工区岩块波速值:
Figure GDA0003317949960000025
k＝-(V-Vr)/σ (6)
Figure GDA0003317949960000031
式中：P(X＝k)代表均匀时间、空间内某事件X发生k次的概率；
k代表次数；λ代表泊松分布期望值；V代表工区岩体波速；Vr代表工区岩块波速；σ代表波速分级值；P(V)代表工区单位空间内岩体波速为V的概率。
本发明的优点是：
1.目前了解灌浆后岩体裂隙充填情况通常手段为钻孔取芯和孔内电视观测，钻孔过程对岩体扰动严重，岩体在裂隙处容易出现断裂，断裂后互相摩擦、碰撞，造成裂隙内充填的水泥与岩体脱落、磨碎后随循环水流失，造成取芯后难于观察到岩体裂隙中灌浆后充填的水泥。孔内电视观测孔壁时也会因为钻头与孔壁摩擦造成孔壁岩体裂隙处充填的水泥破碎随循环水流失，难于准确统计裂隙填充情况。本发明通过测量岩体波速在灌浆前、后的变化计算裂隙充填情况，避免了钻孔取芯与孔内电视观测的缺点，提供更准确的灌浆后岩体裂隙充填计算方法。
2.本发明提供了一种可以评价帷幕灌浆施工质量的可量化的指标——岩体裂隙充填率，岩体裂隙充填率与透水率结合可以综合评价帷幕灌浆施工质量，在丰满水电站全面治理(重建)工程大坝帷幕灌浆工程物探检测等水利工程中得到应用、验证。
3.本发明利用岩体二相性推导岩体灌浆裂隙充填率计算公式。岩体波速线性分级结合泊松分布概率密度公式构建岩体波速泊松分布概率密度公式，将工区灌浆前岩体波速与泊松分布结合，计算出工区岩块波速及工区岩体波速泊松分布的期望值、岩体波速分级值等反应工区灌前岩体波速的统计参数。
4.本发明工区岩块波速值的确定建立在数理统计基础上，灌前岩体波速测试值越多，结果越能真实放映工区岩体实际情况。本发明可随着参与计算的岩体波速值的增多，及时修正。工区岩块波速值的确定无需取样、制样等现场测试，避免了因试样失去围压、取样位置、取样数量等诸多可能影响准确测定岩块波速值的因素。
5.本发明计算方法实用简便，计算迅速，易于推广普及。经过多个工区的实际应用，及与钻探取芯结果及其他物探方法(钻孔电视孔内观测)进行相互对比验证，本发明计算灌浆后岩体裂隙充填率比钻探取芯法高16％～35％，比孔内电视观测法高11％～26％，更能真实反映灌浆后岩体裂隙充填情况。
附图说明
图1是本发明利用岩体波速计算帷幕灌浆岩体裂隙充填率的方法的工作示意图；
图2是本发明实施例中岩体二相示意图，其中图2(a)为灌浆前，图2(b)为灌浆后；
图3是本发明实施例中灌浆前、后岩体波速比率曲线图；
图4是本发明实施例中灌浆前岩体波速比率与常见泊松分布比率图，其中图4(a)为灌浆前岩体波速比率，图4(b)为泊松分布比率；
图5是本发明实施例中岩体波速泊松拟合曲线与灌前岩体波速测试曲线对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种利用岩体波速计算帷幕灌浆岩体裂隙充填率的方法，包括如下步骤：
步骤一、利用岩体二相关系推导灌浆后岩体裂隙充填比率计算公式。
钻孔声波测试时，灌浆前孔壁周围可视为岩块及结构面、裂隙构成，裂隙中填充水；灌浆后孔壁周围可视为岩块及结构面、裂隙(局部被水泥充填，未被水泥充填部分则填充水)，如图1所示。
参考土力学中土的三相图，把灌浆前地下岩体视为岩块与水的二相，做二相图如图2(a)所示。
根据路程、速度关系，即式(1)，可以推导岩体中裂隙比率，见式(2)。
Figure GDA0003317949960000051
Figure GDA0003317949960000052
灌浆后，岩体裂隙内部分充填浆体，如图2(b)所示。根据路程、速度关系，即式(3)，联合式(2)，推导出灌浆后裂隙充填比率，见式(4)。
Figure GDA0003317949960000053
Figure GDA0003317949960000054
式中：Vr代表工区岩块波速；Vw代表水的波速；Vc代表水泥的波速；Vq代表灌前岩体平均波速；Vh代表灌后岩体平均波速；L代表岩体长度；Lw代表裂缝宽度；Lr代表岩块宽度；Lc代表水泥充填裂缝宽度；Lw/L代表岩体裂隙比率；Lc/Lw代表灌浆后裂缝充填比率。
步骤二、将测试的灌前岩体波速数据按从小到大排序，并统计各波速数据的数量，计算各波速值所占比率，如表1所示，计算工区灌浆前、后岩体波速平均值,并绘制灌前岩体波速比率曲线，见图3。
工区岩性为变质砾岩，灌浆为Ⅲ序施工，灌浆孔距2m，灌浆压力3MPa。工区灌浆前岩体波速检测采用先导孔，共测试25个孔，7370个测试点，工区灌浆前岩体波速平均值Vq为5267m/s；灌浆后岩体波速检测位于灌浆孔中间(距灌前测试先导孔1m)，灌浆后共测试24个孔，7129个测试点，灌后岩体波速平均值Vh为5430m/s。
表1灌前岩体声波速度统计表
Figure GDA0003317949960000055
Figure GDA0003317949960000061
步骤三、利用步骤二所得灌前岩体波速比率曲线与常见泊松分布曲线呈镜像相似性(见图4)，将公式(6)所示岩体波速线性分级关系代入公式(5)所示泊松分布概率密度函数，构造公式(7)所示岩体波速泊松分布概率密度关系式，对灌前岩体波速测试比率数据进行拟合，在拟合误差最小时，确定工区岩块波速值。
Figure GDA0003317949960000062
k＝-(V-Vr)/σ (6)
Figure GDA0003317949960000063
式中：P(X＝k)代表均匀时间、空间内某事件X发生k次的概率；k代表次数；λ代表泊松分布期望值；V代表工区岩体波速；Vr代表工区岩块波速；σ代表波速分级值；P(V)代表工区单位空间内岩体波速为V的概率。
在均匀空间、时间范围内，随机事件发生概率符合泊松分布规律。岩体本身的结构面、裂隙分布不规则；测试孔在沿工区灌浆轴线水平方向大致均匀分布；帷幕灌浆深度与地质条件、设计防渗标准等原因深浅不同，测试点在灌浆轴线竖直方向也大致均匀分布，故工区灌前岩体波速比率符合泊松分布规律。灌后工区岩体波速受灌浆浆体填充，比率曲线产生变形(见图3)，与泊松分布有一定差异。
对灌前岩体声波速度按式(7)进行拟合，当λ＝2.3，Vr＝5590m/s，σ＝130m/s时，误差最小。拟合波速值见表2，拟合波速概率曲线见图5。
表2泊松拟合岩体声波速度值表
Figure GDA0003317949960000064
Figure GDA0003317949960000071
步骤四、将步骤三所得工区岩块波速值以及其他各速度参数代入步骤一中推导的灌浆后岩体裂隙充填比率计算公式(4)，计算整个工区灌浆岩体裂隙充填率。
水的波速VW取1450m/s，水泥的波速VC取3720m/s(现场灌浆压力下制作水泥试块测试结果)，拟合岩块波速Vr取5590m/s，灌前岩体平均波速Vq＝5267m/s，灌后岩体平均波速Vh＝5430m/s，计算灌浆后工区岩体裂隙充填比率为63.1％。岩体波速计算该工区帷幕灌浆后63.1％岩体裂隙空间被水泥充填，该工区钻孔取芯统计裂隙充填率为34.2％，该工区钻孔电视孔内观测裂隙充填率为47.0％。
当计算灌浆前、后岩体波速测试是同一孔时，根据同一测点灌浆前、后波速值计算该点灌浆后岩体裂隙充填率。当灌前岩体波速值大于拟合岩块波速值时，则认为该点岩体完整无裂隙；当裂隙充填率计算值大于100％时，检查该点灌浆前、后岩体波速测试值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种利用岩体波速计算帷幕灌浆岩体裂隙充填率的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、利用岩体二相关系推导出灌浆后岩体裂隙充填比率计算公式(4):
Figure FDA0003317949950000011
式中：Vr代表工区岩块波速；Vw代表水的波速；Vc代表水泥的波速；Vq代表灌前岩体平均波速；Vh代表灌后岩体平均波速；Lw代表裂缝宽度；Lc代表水泥充填裂缝宽度；裂隙比率Lc/Lw代表灌浆后裂缝充填比率；
步骤二、将测试的灌前岩体波速数据按从小到大排序，并统计各波速数据的数量，计算各波速值所占比率,计算工区灌浆前、后岩体波速平均值,并绘制灌前岩体波速比率曲线；
步骤三、使用岩体波速线性分级结合泊松分布概率密度函数构建岩体波速泊松分布概率密度公式，拟合灌前岩体波速比率数据，得到工区岩块波速值；
步骤四、将步骤三所得工区岩块波速值以及其他各速度参数代入步骤一中推导的灌浆后岩体裂隙充填比率计算公式(4)，计算整个工区灌浆岩体裂隙充填率；
步骤一具体为：
根据路程、速度关系，即式(1)，推导出岩体中裂隙比率，见式(2)：
Figure FDA0003317949950000012
Figure FDA0003317949950000013
灌浆后，岩体裂隙内部分充填浆体，根据路程、速度关系，即式(3)，联合式(2)，推导出灌浆后裂隙充填比率，见式(4)：
Figure FDA0003317949950000021
Figure FDA0003317949950000022
其中，L代表岩体长度；Lr代表岩块宽度；Lw/L代表岩体裂隙比率；
步骤三具体为：
利用步骤二绘制的灌前岩体波速比率曲线与常见泊松分布曲线呈镜像相似性,将公式(6)所示岩体波速线性分级关系代入公式(5)所示泊松分布概率密度函数，构造公式(7)所示岩体波速泊松分布概率密度关系式，用岩体波速泊松分布概率密度公式对灌前岩体波速进行拟合，在拟合误差最小时，确定工区岩块波速值:
Figure FDA0003317949950000023
k＝-(V-Vr)/σ (6)
Figure FDA0003317949950000024
式中：P(X＝k)代表均匀时间、空间内某事件X发生k次的概率；
k代表次数；λ代表泊松分布期望值；V代表工区岩体波速；Vr代表工区岩块波速；σ代表波速分级值；P(V)代表工区单位空间内岩体波速为V的概率。
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