CN112923879A - 一种利用声波速度评价洞室围岩松弛厚度及等级的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用声波速度评价洞室围岩松弛厚度及等级的方法，制作各单孔声波速度值随孔深变化的表格并绘制声波速度值随孔深变化的曲线，统计洞室各单孔声波速度平均值；按与单孔声波速度平均值等速度值的第一个测点所对应的孔深，初步确定松弛岩体与原岩的界限，再结合地质情况分析声波速度曲线的趋势即可综合确定洞室围岩松弛圈厚度；分别统计各单孔松弛岩体和原岩的声波速度平均值，计算声波速度衰减率和松弛岩体完整性系数；用波速衰减率、松弛岩体完整性系数评价岩体松弛等级。具有快速、准确、相对定量优势，适用于单孔、跨孔声波测试方法，可推广至不同领域洞室松弛圈确定、建基岩体爆破影响深度、岩体卸荷深度及等级等方面评价。

Description

一种利用声波速度评价洞室围岩松弛厚度及等级的方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程洞室围岩稳定性的评价和洞室支护方式，具体说，是一种利用声波速度评价洞室围岩松弛厚度及等级的方法。

背景技术

通常洞室岩体松弛圈的特征为岩体结构松弛，松弛层之外应力集中并成为洞室的持力层，持力层之外为应力过渡带并最终过渡到原始应力状态。不同应力带其物性参数多具明显的差异，从而为诸多物探方法提供了基本前提。

就弹性波法测试松弛圈厚度而言，松弛层表现为低速区，持力层表现为高速区，初始应力区波速为正常值，通过测试分析沿垂直腰墙、洞顶、顶角、洞底等方向一定深度岩体速度的变化规律即可确定松弛圈厚度。

众所周知，单孔、跨孔声波测试是评价松弛圈最有效的方法。其判断松弛圈厚度的方法主要有：

⑴常规方法是根据声波速度随孔深变化的趋势判断应力下降带、上升带和原始应力带，其应力下降带即为松弛圈。

⑵取岩体开挖前原始状态的波速作为标准波速，则低于该波速的部位为松弛层。若无法获得标准波速，当存在一个或多个峰值时说明在该处存在应力集中区，峰值波速甚至会超过原岩波速，通常以最高的峰值点对应的测点深度作为松弛层边界，最终通过各点的松弛深度确定松弛圈。

⑶声速低限值判断法，此种方法通过对实测数据的统计分析，求出速度均值、标准差、异常判断临界值，进而确定声速低限值。

⑷用波速方法判断松弛圈。测试同部位岩体的爆后波速V_p2与爆前波速V_p1，计算其衰减率η＝(V_p1-V_p2)/V_p1×100％，若η大于10％，则判断爆破破坏了岩体；当η小于等于10％时，说明爆破是安全的。

⑸依据松弛圈的形成原理，提出了基于完整性系数的松弛圈判别准则和测试方法。

上述方法⑴、⑵均存在一定的模糊性和经验性且常规法多按声波速度曲线第一峰值点或第一半幅值点确定松弛与未松弛的界限，有时造成错判(错判率大致20％)；方法⑶经过多孔验证所判断的松弛圈显著偏小、明显失真；方法⑷对于洞室不具有操作性；方法⑸需要测试岩块速度进而确定完整性系数，其时效性失真且大量实测成果证明孔内声波速度多大于岩块速度；上述5种方法不仅存在上述缺陷，且未能对洞室围岩松驰等级进行评价。

本发明利用声波速度平均值、波速衰减率和岩体完整性系数并结合声波速度曲线趋势和地质情况综合确定洞室岩体松弛圈厚度、评价洞室岩体松弛等级与常规方法相比具有快速、准确、相对定量之优势，适用于单孔、跨孔声波测试方法，可推广至各类洞室岩体松弛圈确定、建基岩体爆破影响深度、岩体卸荷深度及等级等方面的评价应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用声波速度评价洞室围岩松弛厚度及等级的方法，快速、准确确定洞室岩体松弛圈厚度、评价洞室岩体松弛等级，客观评价了水利水电工程洞室围岩稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种利用声波速度评价洞室围岩松弛厚度及等级的方法，包括以下步骤：

A.制作各单孔声波速度值随孔深变化的表格并绘制声波速度值随孔深变化的曲线，统计洞室各单孔声波速度平均值；按与单孔声波速度平均值等速度值的第一个测点所对应的孔深，初步确定松弛岩体与原岩的界限，再结合地质情况分析声波速度曲线的趋势即可综合确定洞室围岩松弛圈厚度；

B.分别统计各单孔松弛岩体和原岩的声波速度平均值，计算声波速度衰减率η和松弛岩体完整性系数K_v；用波速衰减率η、松弛岩体完整性系数K_v评价岩体松弛等级，对比下表：

岩体松驰等级评价取两个指标中松驰等级评价最高者，其中，岩体松驰等级由高到低的顺序：严重松弛—明显松弛—中等松弛—轻微松弛—未松弛。

所述步骤B中：

波速衰减率η＝(V_p1-V_p2)/V_p1×100％………………(1)

V_p1：单孔原岩波速均值，m/s；V_p2：松弛岩体波速均值，m/s；

松弛岩体完整性系数K_v＝(V_p2/V_pr)²…………………………(2)

V_pr：新鲜完整岩体的声波速度，m/s。

本发明的有益效果是：与常规方法相比具有快速、准确、相对定量之优势，适用于单孔、跨孔声波测试方法，可推广至各类洞室岩体松弛圈确定、建基岩体爆破影响深度、岩体卸荷深度及等级等方面的评价应用。

附图说明

图1是采用本发明的方法实施例中Ⅱ-1-8底孔声波测试成果曲线。

图2是采用本发明的方法实施例中Ⅱ类围岩2个断面共12个孔综合平均声波测试成果曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的利用声波速度评价洞室围岩松弛厚度及等级的方法，包括以下步骤：

A.制作各单孔声波速度值随孔深变化的表格并绘制声波速度值随孔深变化的曲线，统计洞室各单孔声波速度平均值；按与单孔声波速度平均值等速度值的第一个测点所对应的孔深，初步确定松弛岩体与原岩的界限，再结合地质情况分析声波速度曲线的趋势即可综合确定洞室围岩松弛圈厚度；

B.分别统计各单孔松弛岩体和原岩的声波速度平均值，计算声波速度衰减率η和松弛岩体完整性系数K_v；用波速衰减率η、松弛岩体完整性系数K_v评价岩体松弛等级，对比下表：

岩体松驰等级	波速衰减率η	松驰岩体完整性系数K<sub>v</sub>
			未松弛	η＜5％	K<sub>v</sub>＞0.90
轻微松弛	5％≤η＜15％	0.90≥K<sub>v</sub>＞0.72
			中等松弛	15％≤η＜25％	0.72≥K<sub>v</sub>＞0.56
明显松弛	25％≤η＜35％	0.56≥K<sub>v</sub>＞0.42
			严重松弛	η≥35	K<sub>v</sub>≤0.42

岩体松驰等级评价取两个指标中松驰等级评价最高者，其中，岩体松驰等级由高到低的顺序：严重松弛—明显松弛—中等松弛—轻微松弛—未松弛。

所述步骤B中：

波速衰减率η＝(V_p1-V_p2)/V_p1×100％………………(1)

V_p1：单孔原岩波速均值，m/s；V_p2：松弛岩体波速均值，m/s；

松弛岩体完整性系数K_v＝(V_p2/V_pr)²…………………………(2)

V_pr：新鲜完整岩体的声波速度，m/s。

下面结合某水利水电工程洞室松弛圈测试对本发明作进一步说明：

⑴工程概况

某水电站工程引水隧洞全长2500m，隧洞断面采用平底马蹄形，洞高和宽7.0～9.3m；隧洞沿线地面高程380～480m，埋深为40～130m；基岩为上元古界巨厚层、厚层砂岩，呈单斜构造。

采用单孔声波测试引水隧洞松弛圈厚度和等级，布置6个断面，单一断面布置4～8个钻孔，单孔深3.6～13.2m，计35个孔、合计孔深283m。

⑴成果分析

①图1是Ⅱ类岩体、1号断面、8号孔(底孔)的声波测试成果曲线。

按照常规方法确定该孔岩体松弛厚度为0.8m。声波速度均值法统计分析：该孔声波速度均值5310m/s、综合确定岩体松弛厚度为3.0m；0.2～3.0m松弛岩体声波速度均值4780m/s、3.0～10.0m原岩声波速度均值5530m/s、计算波速衰减率η＝14％；测区新鲜完整岩体的声波速度取5680m/s、计算松弛岩体完整性系数K_v＝0.71。综合确定该孔岩体松弛厚度为3.0m、属于中等松弛。

②图2是Ⅱ类围岩2个断面共12个孔综合平均声波测试成果曲线.

综合声波速度均值4650m/s、综合确定岩体松弛厚度均值1.4m；0.1～1.4m松弛岩体声波速度均值4220m/s、1.4～11.0m原岩声波速度均值4720m/s、计算波速衰减率为11％；新鲜完整岩体的声波速度取5680m/s、计算松弛岩体完整性系数K_v＝0.55。综合确定12个钻孔岩体松弛厚度范围值、均值相应为0.2～3.5、1.4m、属于明显松弛。

常规法确定12个钻孔岩体松弛厚度范围值、均值分别为0～2.6、0.8m。

在应用时，应结合地质情况确定钻孔深度，一般孔深为3～15m且反应原岩的深度≥1m。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (2)

1.一种利用声波速度评价洞室围岩松弛厚度及等级的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.制作各单孔声波速度值随孔深变化的表格并绘制声波速度值随孔深变化的曲线，统计洞室各单孔声波速度平均值；按与单孔声波速度平均值等速度值的第一个测点所对应的孔深，初步确定松弛岩体与原岩的界限，再结合地质情况分析声波速度曲线的趋势即可综合确定洞室围岩松弛圈厚度；

B.分别统计各单孔松弛岩体和原岩的声波速度平均值，计算声波速度衰减率η和松弛岩体完整性系数K_v；用波速衰减率η、松弛岩体完整性系数K_v评价岩体松弛等级，对比下表：

岩体松驰等级 波速衰减率η 松驰岩体完整性系数K_v 未松弛 η＜5％ K_v＞0.90 轻微松弛 5％≤η＜15％ 0.90≥K_v＞0.72 中等松弛 15％≤η＜25％ 0.72≥K_v＞0.56 明显松弛 25％≤η＜35％ 0.56≥K_v＞0.42 严重松弛 η≥35 K_v≤0.42

岩体松驰等级评价取两个指标中松驰等级评价最高者，其中，岩体松驰等级由高到低的顺序：严重松弛—明显松弛—中等松弛—轻微松弛—未松弛。

2.根据权利要求1所述利用声波速度评价洞室围岩松弛厚度及等级的方法，其特征在于，所述步骤B中：

波速衰减率η＝(V_p1-V_p2)/V_p1×100％………………(1)

V_p1：单孔原岩波速均值，m/s；V_p2：松弛岩体波速均值，m/s；

松弛岩体完整性系数K_v＝(V_p2/V_pr)²…………………………(2)

V_pr：新鲜完整岩体的声波速度，m/s。

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