利用钻孔声波测井确定薄层状岩体RQD分级指标

董育烦

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司

孟永旭

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司

巴刚

福建华东岩土工程有限公司

朱盛延

福建华东岩土工程有限公司

1 引言

利用钻孔RQD值评价岩体完整程度是工程中常用的方法，工程中比较通用的分级标准是以25%为一级，将岩体完整程度分为完整、较完整、完整性差、较破碎、破碎5级。该分级标准对于花岗岩、灰岩等块状岩体较为合适，但对于板岩、泥岩等薄层状岩体适用性不强，由于薄层状岩体易沿层面破碎，根据该标准，大部分划分为较破碎-破碎岩体，而对应的声波测井波速值往往比较高，两者对应关系较差。通用标准也不利于将工程可利用岩体与不利岩体区分，工程意义相对较差。

本文依托西部某水电工程，建立了一种利用钻孔声波测井确定薄层状岩体RQD分级指标的方法。该方法的基本思路是利用声波测井波速值计算各钻进回次岩体完整性系数，确定岩体完整程度，再根据完整程度分类统计对应回次段的RQD值，从而得出薄层状岩体的RQD分级指标。

2 工程背景

某水电站位于云南省红河流域，坝址基岩以志留系板岩、变质砂岩为主，岩体结构以薄层-互层状结构为主，薄层状岩体单层厚度一般不大于10cm。岩性包括板岩类及变质砂岩，共2大类5种岩性，其中，板岩包括灰色板岩、条带板岩、斜条带板岩及砂质板岩4种，变质砂岩类仅为变质砂岩1种。坝址区地层为单斜地层，倾上游微偏左岸，岩层产状一般N80°～85°W NE∠60°～70°，局部受断层、小褶皱影响，产状稍有变化。受多期构造运动的作用，坝址内断层、层内错动带及节理较为发育，坝址在结构面发育特征上与区域构造发育特征基本一致，优势方向为NWW-NW，次为NNE向。坝址岩体风化普遍较深，强风化深度：左岸4.8～34m；右岸5.1～21.9m。弱风化上段深度：左岸2.3～59.6m；右岸9.7～65.3m。弱风化下段深度：左岸8.4～66.0m；右岸16.4～70.4m。河床部位无强风化岩体分布，以弱风化下段～微风化岩体为主，弱风化下段岩体深度12.2～20.5m。坝址两岸强卸荷深度：左岸4～55.5m，右岸4～82m。弱卸荷深度：左岸11.5～74m，右岸25～89.5m。

两岸及河床地质勘探完成52个钻孔，选取了其中的10个钻孔进行了声波测井，大部分孔段岩性为板岩。

3 RQD值及波速值测定

3.1 RQD值计算

按照RQD值定义要求，采用75cm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，每个钻进回次中大于或等于10cm的柱状岩芯的长度之和与每回次总进尺之比即为RQD值，以百分数表示，计算公式见式（1）。根据1989年Deere修正建议，岩芯长度的统计应以中心线的长度为准，对钻机机械破碎的岩芯应视同连续岩芯计算岩芯长度。

3.2 声波测井

钻孔中岩体弹性纵波波速V_pm测试采用一发双收的方式，即两个固定间距的径向振动检波器的上方是能够产生波动的激发换能器（激振器）。波速测试时，位于激振器之下的两个检波器先后拾取到上方传播下来的波动，利用上下两个检波器记录到的波动的时差和两个检波器之间的距离即可计算出两个检波器之间孔壁岩土体的波速。孔中波速测试时一般采用从下往上测，测点间距一般为20～50cm。数据处理采用计算机自动分析，计算机对上下两道波形进行互相关分析，搜索最大互相关条件下两道波形同相位点之间的时间差，进而求得相应深度位置处两固定间距径向振动检波器之间孔壁岩体的弹性纵波波速V_pm。本文工程中使用WSD-2A型声波仪测定岩体弹性波波速值，该声波仪使用一发双收换能器，主频30kHz，频宽10～60kHz。

3.3 岩石波速测定

岩石弹性纵波波速测试采用对测法，即取钻孔中胶结致密且裂隙不发育的岩芯作为测试岩样，并将岩芯两端修平，然后将平面换然器用石膏或黄油固定在岩芯两端，通过声波仪接收声波沿一定长度岩样传播波动时差及量取的岩样长度可求得岩石的弹性纵波波速V_pr。本文工程同样使用WSD-2A声波仪测定岩石波速，使用平面换能器，主频50kHz。

经测定，板岩类新鲜完整岩石的波速值如下：灰色板岩V_pr=5600m/s；条带板岩V_pr=5000m/s；砂质板岩V_pr=5500m/s。

4 分析数据筛选

根据获得的RQD值及声波测井波速值，初步分析对应回次段两者的相关性，选择具有代表性的样本数据。分析发现，部分孔段RQD值与波速值对应性较差，主要有两种原因：一种是夹层的影响，本文工程中的板岩中夹有变质砂岩，变质砂岩为互层-中厚层岩体，更符合块状岩体的特征，这类岩体的相应孔段测试数据应剔除；另一种原因是硬性紧闭结构面的影响，硬性紧闭结构发育孔段，虽然岩体较为破碎，RQD值较低，但岩体波速值较高，造成RQD值与波速值对应较差，对于此类，应在分析判断的基础上适当剔除部分数据。

选择相关性较好的试验数据，将相关性较差的部分数据剔除，典型钻孔声波测井波速值与RQD值对应关系见图1。经筛选，在10组钻孔数据中共选取出7组相关性较好的数据。

图1 典型钻孔的波速值与RQD值对应关系

5 RQD分级指标

首先，根据孔深关系，计算每个钻进回次段岩体的加权平均波速值，再结合相应岩性新鲜岩石波速值数据，利用下式计算对应回次段岩体完整性系数

式中 V_pm为岩体弹性纵波速度；V_pr为岩石弹性纵波速度。

水电规范中已明确规定了完整性指数（K_v）与定性划分的岩体完整程度的存在对应关系，见表1。根据表1，利用式（2）计算得到完整系数确定对应回次的完整程度，再以完整程度为分类类别，对各类完整程度（完整、较完整、完整性差、较破碎、破碎）的RQD值进行统计，包括最大值、最小值、平均值。由于分析数据已经过筛选，得到的岩体完整程度与RQD值具有较好的对应关系。经过统计，本文工程7个钻孔各完整程度RQD值统计成果见表2。

表1 岩体完整性指数（K_v）与定性完整程度对应关系

表2 某水电工程7个钻孔RQD值分段统计成果

由统计成果可见，完整岩体的RQD值58.3%～75.2%，平均值65.5%；较完整岩体的RQD值24.6%～76.1%，平均值48.1%；完整性差岩体的RQD值60%～0%，平均值34.5%；较破碎岩体的RQD值45.5%～0%，平均值10.3%；破碎岩体的RQD值23.1%～0%，平均值3.6%。

上述统计结果表明，不同完整程度岩体的RQD值差异明显，相邻类别的岩体差异为6%～24%左右，同类岩体的最大值与最小值差异也较大，特别是完整性差、较破碎及破碎岩体RQD最小值均为0%，与最大值差异较大，这也反映出薄层状岩体较易破碎的特征。

在表2 统计成果的基础上，结合工程经验，建立薄层状岩体RQD值分级指标，见表3。工程实践表明，对于薄层状岩体，该分类方法较通用标准更为合适，与岩体波速、岩体质量类别对应程度较高。

表3 薄层状岩体完整程度RQD值分级指标

6 结论与建议

本文利用声波测井波速值计算岩体完整性系数，确定岩体完整程度，根据相应孔段的完整程度与RQD值关系，统计得出薄层状岩体的RQD分级指标。该分级方法与通用分级标准相比，对薄层状岩体的适用性更好，体现了岩体的完整程度的差别，为工程岩体的合理利用提供了依据。

由于岩体弹性波波速值不仅与岩体的完整程度有关，还与岩体的风化程度、卸荷程度、结构面的紧密程度等因素有关，本文基于声波测井确定RQD值分级指标的方法还需要工程实践加以完善和验证，建议以本文统计分析方法为基础，在地质定性判断的基础上，综合确定RQD值分级指标。

参考文献

［1］ 中华人民共和国建设部.GB 50287—2006水力发电工程勘察规范［S］.北京：中国计划出版，2006.

［2］ 中华人民共和国建设部.GB 50021—2001岩土工程勘察规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

［3］ 陆兆溱.工程地质学［M］.2版.北京：中国水利水电出版社，2001.

［4］ US Army Corps of Engineers,(EM 1110—1804)Geotechnical Investigations［S］,2001.