一發(fā)雙收巖體超聲波檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

申進(jìn)，錢偉安

（1重慶市涪陵區(qū)教育基建后勤中心，重慶 408000；2重慶偉東工程勘察設(shè)計(jì)技術(shù)服務(wù)有限公司，重慶 404300）

0 引言

我國巖體聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究是從上世紀(jì)六十年代中期開始的，它的起步借鑒了金屬超聲波檢測(cè)和水生探測(cè)技術(shù)，巖體聲波測(cè)試技術(shù)是以聲波在巖體中的傳播特性與巖體的物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)性為基礎(chǔ)，通過測(cè)定聲波在巖體中的傳播特性參數(shù)，為評(píng)價(jià)工程巖體力學(xué)性質(zhì)提供依據(jù)。該技術(shù)在巖石工程中應(yīng)用廣泛，主要有工程巖體質(zhì)量分級(jí)、圍巖松動(dòng)圈測(cè)定、大壩基礎(chǔ)灌漿效果檢測(cè)、巖體動(dòng)靜彈模對(duì)比、建基面基巖質(zhì)量評(píng)價(jià)和驗(yàn)收、爆破開挖影響范圍檢測(cè)、測(cè)定風(fēng)化系數(shù)、完整性系數(shù)和各項(xiàng)異性系數(shù)、斷層和巖溶等地質(zhì)缺陷探查等。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)聲波測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了大量的研究與應(yīng)用。朱煥春等[1]對(duì)某高邊坡巖體進(jìn)行聲波測(cè)試發(fā)現(xiàn)，因控制性因素差異，邊坡巖體松弛深度不同，可分為表層松弛、淺層松弛和深層松弛。馬榮田等[2]對(duì)某大型礦山地下巷道圍巖進(jìn)行了聲波測(cè)試，得到了圍巖巖體聲波的數(shù)字特征值。沈昌賢等[3]對(duì)金堆城露天礦邊坡巖體進(jìn)行聲波測(cè)試，揭示了邊坡巖體的松弛范圍及其分布規(guī)律，為凹陷露天礦邊坡形狀優(yōu)化提供了依據(jù)。孫清祥等[4]通過對(duì)會(huì)澤鉛鋅礦一號(hào)礦體不同水平不同區(qū)域的工程巖體進(jìn)行聲波速度測(cè)試，得出了不同部位工程地質(zhì)巖組的巖體聲波速度及傳播特征。張新鵬[5]建立了開裂巖體厚度與劣化程度的數(shù)學(xué)模型，為保護(hù)花山巖提供了可靠的理論依據(jù)。張澤林等[6]對(duì)某地巖體進(jìn)行聲波測(cè)試，分析其裂隙系數(shù)、完整系數(shù)和風(fēng)化系數(shù)，并劃分風(fēng)化帶，認(rèn)為現(xiàn)在開挖形成的建基面是能夠滿足雙曲薄拱壩的建壩需求的。李建林等[7]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開挖邊坡卸倚巖體不同距離的聲波進(jìn)行測(cè)試，劃分了邊坡開挖后巖體不同的卸荷區(qū)域，確定了各卸荷區(qū)巖體宏觀力學(xué)參數(shù)。閆長斌等[8]針對(duì)傅立葉分析的缺陷，運(yùn)用小波（包）變換方法，對(duì)聲波測(cè)試信號(hào)的頻譜特征進(jìn)行分解分析。胡可等[9]基于聲波巖體損傷定義，利用錘擊疊加作震源對(duì)臺(tái)階爆破鉆鑿的炮孔進(jìn)行了聲波測(cè)試試驗(yàn)，研究了爆區(qū)附近巖體的損傷。王新杰等[10]通過鉆孔聲波測(cè)井和室內(nèi)巖性測(cè)試，計(jì)算了庫址巖體聲波速度和巖體動(dòng)力學(xué)參數(shù)、評(píng)價(jià)了巖體穩(wěn)定性、分析了庫址全區(qū)縱波速度場(chǎng)分布特征，對(duì)庫址巖體安全性進(jìn)行了分析，為石油儲(chǔ)備庫的建設(shè)提供依據(jù)。韓震等[11]探討了巖體超聲波測(cè)試探頭耦合方法的改進(jìn)，提出了一種三膠囊超聲波探頭耦合方法。

以上學(xué)者對(duì)巖體聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究及應(yīng)用，本文采用巖體聲波測(cè)試技術(shù)對(duì)某工程巖體ZK1、ZK2、ZK6、ZK11、ZK13、ZK17等48個(gè)勘察鉆孔進(jìn)行一發(fā)雙收超聲波檢測(cè)，研究結(jié)果可為某工程場(chǎng)地地層巖體穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 工程概況

根據(jù)鉆探資料，在鉆探深度范圍內(nèi)，擬建某工程場(chǎng)地地層。該工程毗鄰城市交通干道，周邊配套設(shè)施較為完善，規(guī)劃區(qū)西側(cè)為現(xiàn)狀解放中路，南面為現(xiàn)狀紅旗中路，北臨現(xiàn)狀步行街，距離廣場(chǎng)及縣政府直線距離不超過1km，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，擬建場(chǎng)地交通條件良好。根據(jù)巖體的風(fēng)化程度、力學(xué)性質(zhì)，將巖體劃分為中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖巖體基本質(zhì)量單元。泥質(zhì)白云巖呈灰色、灰黑色，薄～中厚層，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面泥質(zhì)充填，局部方解石脈充填，脈寬1～5mm。巖芯呈塊狀、短柱狀、長柱狀，取芯率多在25%～55%以上，RQD值多在15%～45%。由于受區(qū)域構(gòu)造的影響，場(chǎng)地內(nèi)巖石張性節(jié)理發(fā)育，巖石破碎；且場(chǎng)地原始地形為巖溶地貌，石芽、溶溝、溶槽、溶蝕裂隙等巖溶現(xiàn)象較發(fā)育，基巖面起伏較大。

2 巖體聲波測(cè)試技術(shù)

2.1 基本原理

巖體聲波測(cè)試技術(shù)研究橫波和縱波在巖體內(nèi)部的傳播速度及規(guī)律，從而推斷巖體相關(guān)的物理力學(xué)狀態(tài)，為評(píng)價(jià)工程巖體質(zhì)量提供依據(jù)。在實(shí)際工程中，將巖體視為各項(xiàng)同性的連續(xù)介質(zhì)，聲波是一種彈性波，將巖體視為彈性體，且聲波在巖體中服從彈性波傳播規(guī)律。巖體內(nèi)部縱波波速和橫波波速可表示如下：

式中：E為巖體彈性模量；μ為巖體泊松比；ρ為巖體密度。

2.2 測(cè)試裝置

測(cè)試裝置：記錄處理系統(tǒng)、井下?lián)Q能器和地面控制儀。

地面控制儀器為RSM-SY5智能聲波儀，主要指標(biāo)為：（1）前置程控放大器；（2）發(fā)射電壓：300/800V可選；（3）發(fā)射脈寬：0.1、0.2 ……10、20……（μs）；（4）可程控帶寬：1～500kHz；（5）采樣間隔：0.1～6553μs；（6） 每道采用長度：0.5K、1K、2K、4K、8K、16K可選；（7）串口通訊口；（8）～220伏AC或+12伏DC交直流電源電壓。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為便攜式筆記本電腦，該系統(tǒng)能采集、儲(chǔ)存和分析數(shù)據(jù)。

為了接受到巖體中的滑行波，必須消除聲波發(fā)生探頭與接受探頭之間在水中的直達(dá)波，主要措施為：利用巖體波速大于水的波速原理，選擇發(fā)生與接受探頭之間的合適距離；兩探頭間安裝濾波器；延長直達(dá)波的到達(dá)時(shí)間；該試驗(yàn)過程中使用FSS-20型聲波檢測(cè)換能器，頻率為20kHz，直徑為50mm，發(fā)射至接收一距離為30cm，接收一至接收二距離為20cm。測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如圖1所示，圖中F為發(fā)射換能器，S1為第一個(gè)接收換能器，S2為第二個(gè)接收換能器。

2.3 測(cè)試方法

圖1 聲波測(cè)井系統(tǒng)示意圖

單孔聲波測(cè)試采用一發(fā)雙收井下?lián)Q能器，在鉆孔內(nèi)沿井壁發(fā)射、接收聲波信息。測(cè)井時(shí)換能器下至井底或置于井口，按測(cè)井點(diǎn)距向上或向下測(cè)試，計(jì)算機(jī)進(jìn)行聲波數(shù)據(jù)的采集與儲(chǔ)存，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理提取縱波，根據(jù)采集到的波形計(jì)算縱波波速。聲波測(cè)井首先按照測(cè)定聲波在鉆孔巖壁上傳播的時(shí)間，結(jié)合式（5）計(jì)算巖體聲波波速，并對(duì)巖體聲波進(jìn)行整理分析，得出巖體動(dòng)力學(xué)參數(shù)。該系統(tǒng)主要由井下?lián)Q能器、地面控制儀器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，如圖1所示。探頭的工作原理如圖2所示。

圖2 探頭工作原理

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中采用一發(fā)雙收裝置的測(cè)井換能器，發(fā)射換能器F發(fā)射的聲波，通過直線FS1S2和折線FABS1、FACS2到達(dá)接收換能器S1和S2，而巖體聲波儀檢測(cè)到的是沿巖壁滑行的折射波首波。因此，BC段的巖體波速即可按式（5）計(jì)算：

式中：△L為兩接收換能器間的距離；tFS、tFS為兩接收換能12器接收到的滑行波時(shí)間。

因?yàn)樗且环N不可壓縮不可剪切的介質(zhì)，采用該聲波測(cè)試系統(tǒng)無法檢測(cè)巖體的橫波波速，但可采用鉆孔巖芯試樣測(cè)試橫波波速?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)過程中，通常將一發(fā)雙收換能器置于孔底，由下往上進(jìn)行測(cè)試，但遇到聲波波速異常處，需進(jìn)行多次測(cè)試。

表1 鉆孔聲波測(cè)試分段結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

本次測(cè)試采用一發(fā)雙收的測(cè)試方法，考慮到接收一到接收二的間距為20cm，而測(cè)試是通過兩個(gè)接收探頭的距離與接收的時(shí)間差來得到巖體的波速，為了得到整個(gè)鉆孔的巖體波速，本次測(cè)試采用的測(cè)距為20cm，采用清水耦合，實(shí)現(xiàn)聲波在巖體小范圍內(nèi)傳播時(shí)間的測(cè)量。由于塌孔、沉淀物堵塞等原因，探頭不能完全放至孔底，故孔底部分巖體不能進(jìn)行測(cè)試。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的波形曲線，按照如下步驟進(jìn)行分析：

1）根據(jù)雙收探頭接收到發(fā)射探頭發(fā)射的信號(hào)，分別確定兩個(gè)接收探頭接收波形的初至?xí)r間，由式（5）確定兩個(gè)接收探頭之間巖體周圍的波速，將此波速作為兩接收探頭中心點(diǎn)的巖體波速。雙收探頭接收到的典型曲線如圖3所示。

2）將每點(diǎn)測(cè)試到的波形分別進(jìn)行初至?xí)r間的確定，從而確定整個(gè)鉆孔巖體的波速，將所有的波速繪制成巖體波速隨深度變化的曲線，如圖4所示。

3）根據(jù)鉆孔聲波測(cè)試所繪制的巖體波速曲線，對(duì)巖體波速進(jìn)行分段處理。巖體的質(zhì)量好壞、風(fēng)化程度、軟弱結(jié)構(gòu)面的位置會(huì)有所不同，具體表現(xiàn)在波速上就是波速的大小變化。因此，為了對(duì)巖體進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，必須根據(jù)波速的變化曲線，將曲線劃分為若干段，尤其應(yīng)該指出波速偏低的區(qū)域。

鉆孔聲波測(cè)試分段結(jié)果如表1所示。

由表1可知，通過對(duì)48個(gè)鉆孔進(jìn)行聲波測(cè)試，可知地層巖體的縱波平均波速為2747 m/s，最小波速為2222 m/s，最大波速為3226 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為130 m/s，變異系數(shù)為0.047。

3.2 室內(nèi)試件波速測(cè)試

采用RSM-SY5型智能聲波儀外加縱波換能器對(duì)12個(gè)飽水狀態(tài)下的泥質(zhì)白云巖試樣進(jìn)行縱波測(cè)試，場(chǎng)區(qū)主要巖石單元為泥質(zhì)白云巖，本次僅對(duì)泥質(zhì)白云巖取樣，如表2所示。

由表2可知，巖石飽和狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度最小值為29.2 MPa，最大值為31.7 MPa，平均值為30.25 MPa，屬較硬巖。巖塊最大波速為4828 m/s，最小波速為4105 m/s，平均波速為4364 m/s。

圖3 典型波形圖

圖4 波速-深度圖

表2 泥質(zhì)白云巖抗壓強(qiáng)度及波速

3.3 巖體完整程度評(píng)價(jià)

由表1和表2測(cè)試結(jié)果可知，地層巖體的縱波波速平均波速為2747 m/s，最小波速為2222 m/s，最大波速為3226 m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為130m/s，變異系數(shù)為0.047。巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為30.25 MPa，屬較硬巖。巖塊最大波速為4828 m/s，最小波速為4105 m/s，平均波速為4364 m/s。

巖體完整性指數(shù)公式：

式中：Vmp為巖體縱波波速；Vrp為巖塊縱波波速。

由式（6）計(jì)算得，Kw=0.32，其巖體完整性等級(jí)為破碎，該場(chǎng)地巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

4 結(jié)語

巖體聲波測(cè)試技術(shù)是以聲波在巖體中的傳播特性與巖體的物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)性為基礎(chǔ)，通過測(cè)定聲波在巖體中的傳播特性參數(shù)，為評(píng)價(jià)工程巖體力學(xué)性質(zhì)提供依據(jù)。本文介紹了巖體聲波測(cè)試基本原理和方法，采用聲波測(cè)試技術(shù)對(duì)某工程巖體ZK1、ZK2、ZK6、ZK11、ZK13、ZK17等48個(gè)勘察鉆孔進(jìn)行了一發(fā)雙收超聲波檢測(cè)，其研究結(jié)果可為該工程場(chǎng)地地層巖體穩(wěn)定性提供依據(jù)。