柱状节理玄武岩硐室围岩各向异性相对松弛度评判方法
【专利摘要】本发明涉及柱状节理玄武岩硐室围岩各向异性相对松弛度评判方法。发明目的是提供柱状节理玄武岩硐室围岩各向异性相对松弛度评判方法，快速准确的判断出围岩各向异性相对松弛厚度。发明的技术方案：1、在硐室某断面的顶板、底板和两侧边墙上均钻设一组测试钻孔；2、跨孔法进行波速测试，以距离钻孔底部2m范围内的测试波速值为原始未扰动柱状节理玄武岩波速Vpo，钻孔其余范围内按不同深度统计实测波速；3、利用Kvb＝(Vpm/Vpo)2＝0.75～0.45分别求得顶板、底板和两侧边墙的松弛扰动区波速Vpm，然后以Vpm与步骤2所得对应方向的实测波速匹配，得各向异性相对松弛厚度。发明用于水工各向异性围岩硐室工程领域。
【专利说明】柱状节理玄武岩硐室围岩各向异性相对松弛度评判方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种柱状节理玄武岩硐室围岩各向异性相对松弛程度的波速定量评判方法，主要适用于水工各向异性围岩硐室工程领域。
【背景技术】
[0002]我国西南水电开发区域广泛分布柱状节理玄武岩体，如我国巨型水电站白鹤滩、溪洛渡及二滩水电站等均有涉及，特别是在建的金沙江白鹤滩水电站，柱状节理玄武岩已成为该水电工程主要的水工隧洞围岩及大坝的建基岩体之一。在工程中，对于此类各向异性显著的岩体如假定为各向同性进行研究，势必造成较大误差，因此应结合柱状节理玄武岩原位测试成果依据各向异性理论进行硐室围岩分析和设计。
[0003]根据白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩硐室的中心孔及承压板原位载荷测试，表现出显著的各向异性，具体为硐室左右边墙水平方向变形模量值大于硐室顶底板铅直方向变形模量，这主要是由复杂的硐室围岩构造地应力场和不均匀密集分布的柱状节理及微裂隙造成。判定硐室围岩分类及松弛时常采用波速物探方法，对于各向同性及近似各向同性岩体由于围岩四周介质均匀且性质一致，可采用不同方向围岩波速小于或等于某一定值进行判断松弛，但对于破碎的各向异性柱状节理玄武围岩则显出不足。
[0004]柱状节理玄武岩由于节理影响，本身存在各向异性，开挖扰动后，临空面卸荷会发生围岩松弛，其硐室围岩开挖后，上下底板和左右边墙松弛厚度不等，亦具有各向异性，以波速进行评判时往往存在以下误区:
[0005]首先，未扰动的柱状节理玄武岩本身属于破碎岩体，开挖卸荷后节理面张开滑移，加剧了破碎程度，以波速进行评判围岩松弛时，不应在不同方向均以同一波速大小为标准(如以玄武岩块波速大小为标准)，这就忽视了原始破碎程度的影响，也未能考虑原始围岩各向异性的影响，无法体现出爆破开挖后围岩较原始围岩的松弛程度，即无法得出开挖后围岩与原始围岩相比的松弛区域，只能得出开挖后围岩与完整玄武岩块相比的松弛区域。
[0006]其次，也不能以波速绝对值来评判，假定波速测试钻孔5m深度范围内，硐室顶底板岩体未扰动前破碎程度就高，平均波速低(假定初始值5000m/s)，硐室开挖后如果顶底板保护措施较好，对其扰动较低，松弛程度不大，但如以绝对值来评判，其波速依然很小(假定开挖后为4500m/s)，会得出硐室顶底板受开挖影响大，且松弛区厚度大的结论(实际波速相比原始围岩只降低了 10%)。同理，如果硐室左右边墙受爆破开挖影响大，但波速初始值就高(假定初始值6500m/s)，虽然开挖后波速绝对值仍较大(假定开挖后5000m/s)，会得出左右边墙松弛程度不大的结论(相比原始围岩实际波速值降低了 23.1% )。与原始围岩相比，由于左右边墙波速降低幅度较顶板和底板更大，导致围岩物理力学特性较原始围岩劣化程度更大，故左右边墙松弛程度较顶板和底板大。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是:针对上述存在的问题提供一种柱状节理玄武岩硐室围岩各向异性相对松弛度评判方法，以便快速准确的判断出围岩各向异性相对松弛厚度。
[0008]本发明所采用的技术方案是:柱状节理玄武岩硐室围岩各向异性相对松弛度评判方法，其特征在于，步骤如下:
[0009]S1、在硐室的某断面处，顶板、底板和两侧边墙上均钻设一组波速测试钻孔，各组波速测试钻孔均匀分布，且伸入原始未扰动岩体的深度不小于2m ；
[0010]S2、采用跨孔法分别对各组波速测试钻孔进行波速测试，以距离波速测试钻孔底部2m范围内的测试波速统计值为原始未扰动柱状节理玄武岩波速Vp。，波速测试钻孔其余范围内按照不同深度统计其实测波速；
[0011]S3、利用公式Kvb = (Vpm/Vp。)2 = 0.75?0.45分别求得顶板、底板和两侧边墙的松弛扰动区波速vpm，然后以该松弛扰动区波速Vpm与步骤S2所得对应方向的实测波速进行匹配，从而得到柱状节理玄武岩硐室围岩各向异性相对松弛厚度。
[0012]每组波速测试钻孔均由2个或3个均匀布置的钻孔组成。
[0013]本发明的有益效果是:本发明引入柱状节理玄武岩松弛系数Kvb (取值0.75-0.45，根据不同的硐室安全使用等级及围岩质量等级采用不同的松弛系数)，定义为Kvb = (Vpm/Vpo)2,将采用该公式计算出的松弛扰动区波速Vpm与对应方向的实测波速进行匹配，从而得到相对于原始岩体的硐室围岩开挖松弛厚度，为柱状节理玄武岩硐室围岩锚固支护或灌浆提供可靠的依据，以期围岩物理力学性状接近或达到原始未扰动岩体力学物理状态。此外，用松弛系数Kvb评价硐室各向异性围岩相对松弛具有清晰的物理概念和定量描述的优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明硐室某断面波速测试及分析示意图。
【具体实施方式】
[0015]本实施例结合图1进行说明，在某柱状节理玄武岩硐室I某断面上，顶板、底板、两侧边墙(包括左边墙和右边墙)岩体原始性状及开挖后性状均为各向异性。
[0016]本实施例具体步骤如下:
[0017]S1、在硐室I的某断面处，根据柱状节理玄武岩各向异性物理力学特性，在其顶板、底板和两侧边墙上各钻设三个波速测试钻孔2 ;位于同一方向(顶板、底板、左边墙或右边墙)上的三个波速测试钻孔2均匀分布，并且孔深要求较深(一般为1m左右)，伸入原始未扰动岩体的深度不小于2m(本实施例钻孔伸入原始未扰动岩体的深度刚好为2m)，以便统计原始未扰动岩体波速；
[0018]S2、采用跨孔法对顶板上的三个波速测试钻孔2进行波速测试，以距离波速测试钻孔2底部2m范围内的测试波速统计值为顶板的原始未扰动柱状节理玄武岩波速Vptjl，波速测试钻孔2其余范围内按照不同深度进行统计分析，得到顶板测试钻孔2松弛扰动区不同深度的实测波速Vpml ;然后按照同样的原理和方法分别得到底板的原始未扰动柱状节理玄武岩波速Vpt52、底板测试钻孔2松弛扰动区不同深度的实测波速Vpm2，左边墙的原始未扰动柱状节理玄武岩波速Vptj3、左边墙测试钻孔2松弛扰动区不同深度的实测波速Vpm3，右边墙的原始未扰动柱状节理玄武岩波速Vptj4、右边墙测试钻孔2松弛扰动区不同深度的实测波速Vpm4 ;测试时，顶板、底板、左边墙和右边墙的测试顺序可随机调整；同时为获取整个硐室沿纵向进深的各向异性松弛范围，可根据设计需要，在沿硐室纵向进深方向的以一定间距布置多个测孔，即在不同桩号位置布置测孔，以获取整条隧洞的松弛圈范围；
[0019]S3、根据岩体完整性系数Kv概念(岩体波速与岩块波速比值的平方)，引入柱状节理玄武岩松弛系数Kvb(根据不同的硐室安全使用等级及围岩质量等级，可采用不同的松弛系数Kvb，可将Kvb松弛标准适当降低或提高，以此判定相对松弛厚度)，定义为Kvb = (Vpm/Vpo)2,即为柱状节理玄武岩松弛扰动区波速Vpm与未扰动柱状节理玄武岩波速vp。比值的平方；岩体完整性系数&概念中，KV〈0.75即为较完整岩体，Κν〈0.45即为较破碎岩体，故以Kvb=0.75?0.45为标准，分别求得不同方向Kvb = 0.75?0.45时的松弛扰动区波速Vpm对应深度，以此判定柱状节理玄武岩各向异性相对松弛厚度；
[0020]本实施例依据步骤S2所得统计值，利用公式Kvbi = (Vpmi/VpJ2分别求得顶板的柱状节理玄武岩松弛系数Kvbl、底板的柱状节理玄武岩松弛系数Kvb2、左边墙的柱状节理玄武岩松弛系数Kvb3和右边墙的柱状节理玄武岩松弛系数1(_，1 = 1，2，3，4，分别代表位置为硐室顶板、底板、左边墙及右边墙，以获取柱状节理硐室围岩各向异性松弛程度；然后根据实施例围岩质量等级和安全使用等级，综合取Kvb = 0.6为松弛与未松弛分界指标；利用公式Kvbi = (VpmiApoi)2 = 0.6分别求得顶板的松弛扰动区波速V ‘pml，然后将该松弛扰动区波速V ‘pml与步骤S2所得顶板测试钻孔2松弛扰动区不同深度的实测波速Vpml进行匹配，最终求得顶板相对松弛厚度为3m ;然后采用相同的方法获得底板相对松弛厚度为2.4m，左边墙相对松弛厚度为1.5m，右边墙相对松弛厚度为2.lm，显示出了明显的各向异性特征。
[0021]本实施例提出对柱状节理围岩相对松弛的判定，可作为柱状节理各向异性围岩相对松弛程度判定的定量指标，可为柱状节理硐室围岩锚固和支护提供参考依据。
[0022]本发明亦可扩展为以未锚固(灌浆)前围岩波速为基准，通过判定锚固(灌浆)后围岩波速相对增大比率来评判围岩锚固(灌浆)效果，所采用测试方法和原理亦是相同。
【权利要求】
1.一种柱状节理玄武岩硐室围岩各向异性相对松弛度评判方法，其特征在于，步骤如下: 51、在硐室(I)的某断面处，顶板、底板和两侧边墙上均钻设一组波速测试钻孔(2)，各组波速测试钻孔(2)均匀分布，且伸入原始未扰动岩体的深度不小于2m; 52、采用跨孔法分别对各组波速测试钻孔(2)进行波速测试，以距离波速测试钻孔(2)底部2m范围内的测试波速统计值为原始未扰动柱状节理玄武岩波速Vp。，波速测试钻孔(2)其余范围内按照不同深度统计其实测波速； 53、利用公式Kvb= (Vpm/Vpo)2 = 0.75?0.45分别求得顶板、底板和两侧边墙的松弛扰动区波速Vpm，然后以该松弛扰动区波速Vpm与步骤S2所得对应方向的实测波速进行匹配，从而得到柱状节理玄武岩硐室围岩各向异性相对松弛厚度。
2.根据权利要求1所述的柱状节理玄武岩硐室围岩各向异性相对松弛度评判方法，其特征在于:每组波速测试钻孔(2)均由2个或3个均匀布置的钻孔组成。
【文档编号】G01B15/02GK104236489SQ201410479182
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】单治钢, 狄圣杰 申请人:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司