超聲波測(cè)試技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

顧維舉

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

超聲波測(cè)試技術(shù)在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

顧維舉

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

介紹了超聲波測(cè)試技術(shù)的原理、在水庫勘察中的應(yīng)用、野外測(cè)試方法和測(cè)試成果分析等，測(cè)試目的是通過測(cè)試巖體中聲波的傳播速度來確定巖體完整性和風(fēng)化程度、構(gòu)造破碎帶的位置等，取得了良好的效果。

超聲波檢測(cè)原理；聲波野外測(cè)試；巖體完整性系數(shù)；基巖風(fēng)化程度，構(gòu)造破碎帶劃分

聲波測(cè)試工程區(qū)位于云南省沾益縣滇東高原，具高原山地與斷拗（陷）盆地相間的地貌特征。地形多為山地、丘陵及壩子組成，喀斯特地貌發(fā)育。地勢(shì)大致西北高東南低，由西北向東南傾斜。區(qū)域內(nèi)發(fā)育的地層為地臺(tái)型海相和陸相沉積巖。從老到新有：泥盆系、石炭系、二疊系及第四系，其中以泥盆系宰格組D3z、石炭系C2、C3、二疊系梁山組P1l、棲霞組P1q出露范圍較大，為庫區(qū)和壩址區(qū)的主要地層。本次聲波測(cè)試采用一發(fā)雙收系統(tǒng)，目的是通過測(cè)試巖體中聲波的傳播速度來確定基巖風(fēng)化程度、構(gòu)造破碎帶的位置等。

1 鉆孔聲波測(cè)試原理和應(yīng)用范圍

聲波測(cè)試是彈性波測(cè)試方法中的一種，其理論基礎(chǔ)建立在固體介質(zhì)中彈性波的傳播理論上，該方法是以人工激振的方法向介質(zhì)（巖石、巖體、混凝土構(gòu)筑物）發(fā)射聲波，在一定的空間距離上接收介質(zhì)物理特性調(diào)制的聲波，通過觀測(cè)和分析聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度、振幅、頻率等聲學(xué)參數(shù)，解決一系列巖土工程中的有關(guān)問題。超聲波測(cè)試在地質(zhì)勘察中得到廣泛應(yīng)用，如巖體、土體結(jié)構(gòu)特征評(píng)價(jià)及強(qiáng)度分類；巖體、土體的彈性力學(xué)參數(shù)、靜力學(xué)參數(shù)測(cè)定；巖體巖面爆破、灌漿等施工質(zhì)量的檢查等，如圖1。

圖1 聲波測(cè)試原理

2 聲波野外測(cè)試

九龍水庫地質(zhì)勘察鉆孔聲波測(cè)試共測(cè)試了17個(gè)鉆孔，基巖測(cè)試總長(zhǎng)618m，觀測(cè)點(diǎn)3090個(gè)，所用儀器為國(guó)產(chǎn)RSMSY6型聲波測(cè)試儀，探頭為一發(fā)雙收式，聲波測(cè)試時(shí)，把探頭放入鉆孔中的測(cè)試位置，儀器的發(fā)射機(jī)通過發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，經(jīng)水的耦合，到達(dá)井壁沿井壁傳到兩接收換能器Ⅰ和Ⅱ，其初至?xí)r間分別為t1（μs），和t2（μs），這樣根據(jù)兩接收探頭的距離，按式（1）算出測(cè)試點(diǎn)處的波速Vp。

式中 Vp為巖石波速；L1為兩接收換能器間距；△T為波傳播的初至?xí)r間差。

測(cè)試時(shí)把探頭放入井底，然后自下而上逐點(diǎn)觀測(cè)，測(cè)試點(diǎn)距為0.2m，如圖2。

圖2 測(cè)試工作方法

3 聲波室內(nèi)測(cè)試

對(duì)取樣做室內(nèi)試驗(yàn)的鉆孔巖樣 （斷面已打磨水平）抽取42塊，用RSMSY6聲波儀及平面換能器進(jìn)行了室內(nèi)巖塊聲波試驗(yàn)，部分鉆孔巖塊的試驗(yàn)成果如表1。

表1 鉆孔巖塊室內(nèi)聲波測(cè)試成果

續(xù)表1

4 巖體完整性的判別

用表1的測(cè)試結(jié)果，取用中厚層灰?guī)r試塊測(cè)試值較高幾個(gè)巖樣試塊的縱波波速的平均值5700m/s，作為新鮮完整巖樣的縱波波速Vpr，根據(jù)式（2）計(jì)算出測(cè)試段巖體的完整性系數(shù)：

式中 Kv為巖體完整性系數(shù)；Vp為測(cè)試段巖體的縱波波速；Vpr為相對(duì)新鮮完整巖樣的縱波波速。

利用巖體完整性系數(shù)分類表，對(duì)聲波測(cè)試鉆孔的巖體進(jìn)行完整程度分類，如表2。

表2 巖體完整性系數(shù)分類

5 利用聲波縱波波速劃分巖體風(fēng)化帶界限

利用聲波波速值劃分風(fēng)化程度與地質(zhì)目力鑒別風(fēng)化程度大致相同，其中有些巖體目力鑒別為弱風(fēng)化，聲波劃分為強(qiáng)風(fēng)化。

綜合地質(zhì)資料及本次測(cè)試的結(jié)果，利用公式（2）計(jì)算得出波速值劃分巖體風(fēng)化帶的標(biāo)準(zhǔn)，如表3。

表3 聲波縱波波速劃分巖體風(fēng)化帶界限

在所測(cè)試17個(gè)鉆孔中，所測(cè)試段地質(zhì)值班人員目力鑒定的風(fēng)化界限與聲波值分類確定的界限大致相同，除JL3-11、JL3-21、JL4-4、JL4-5鉆孔巖體相對(duì)較完整程度高，其他鉆孔較破碎處較多，最多為14處。地質(zhì)值班人員目力鑒定的風(fēng)化層次只能由強(qiáng)風(fēng)化巖到弱風(fēng)化巖，在弱風(fēng)化巖中雖然有破碎的巖體也不再定為強(qiáng)風(fēng)化巖，但是聲波值是對(duì)巖體完整性的客觀反映，在弱風(fēng)化巖體中如果存在節(jié)理裂隙較發(fā)育的破碎帶時(shí)，波速值一般與強(qiáng)風(fēng)化的波速值一樣低，這就存在利用波速值判定風(fēng)化強(qiáng)度時(shí)弱風(fēng)化帶中存在強(qiáng)風(fēng)化的現(xiàn)象。同樣也存在地質(zhì)值班人員目力鑒定的風(fēng)化層為強(qiáng)風(fēng)化或弱風(fēng)化，但是根據(jù)波速值判定為弱風(fēng)化或微風(fēng)化的現(xiàn)象。

6 鉆孔聲波測(cè)試成果

本次共測(cè)試了17個(gè)鉆孔，列出其中一個(gè)孔的成果，如表4。

表4 JL3-1號(hào)孔聲波測(cè)試成果

續(xù)表4

7 結(jié)語

（1）本次測(cè)試基本達(dá)到了預(yù)期目的，利用縱波波速對(duì)建筑物區(qū)的基巖進(jìn)行了風(fēng)化程度的劃分，其結(jié)果與地質(zhì)值班人員目力鑒別大致相同，但每個(gè)鉆孔都有幾處或者多處不一致的地方，這主要是由于聲波波速值是由巖體的巖性、風(fēng)化程度、完整程度等多種因素決定的。

（2）從聲波波速值隨鉆孔深度變化的曲線圖上看到：一般情況巖芯獲得率、RQD值高的縱波波速值一般偏高。而巖芯獲得率、RQD值較低的部分及構(gòu)造、裂隙明顯張裂地段，一般會(huì)有較低的縱波波速值出現(xiàn)。

（3）巖體聲波測(cè)試對(duì)巖體中較大的裂隙等反映明顯，可以給地質(zhì)、設(shè)計(jì)提供進(jìn)一步的佐證。

［1］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.曲靖市沾益縣九龍水庫可行性研究階段鉆孔聲波測(cè)試物探成果報(bào)告［R］.2014.

［2］錢紹瑚.地震勘探［M］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1989.

［3］GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［4］楚澤函.聲波測(cè)井原理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1987.

［5］孫成棟.巖石聲學(xué)測(cè)試［M］.北京：地質(zhì)出版社，1981.

Application of ultrasonic testing technology in the reservoir exploration

GU Wei-ju
（Hebei Research Institute of Investigation＆ Design of Water Conservancy＆ Hydropower,Tianjin 300250,China）

This paper briefly introduces the principle of ultrasonic testing technology and its application in reservoir exploration， field test method and test result analysis and so on， the test purpose is to pass the test of rock mass in the speed of sound waves to determine the degree of rock weathering， the location of the tectonic fracture zone， etc.， the reservoir prospecting work has played a good effect.

principle of ultrasonic detection； acoustic field test； coefficient of rock mass integrity； bedrock weathering degree，the division of tectonic fracture zone

P64；TV698.1+5

B

1672-9900（2015）06-0066-03

2015-09-06

顧維舉（1979-），男（漢族），河北棗強(qiáng)人，工程師，主要從事工程物探勘察工作，（Tel）13752432016。