聲波測井技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

邱 鍇

(寧夏公路勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司,銀川 750001)

聲波測井技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

邱 鍇

(寧夏公路勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司,銀川 750001)

水利水電工程勘測方法多種多樣，隨著科技的不斷發(fā)展及應(yīng)用，中國的水利水電勘測水平也得到了相應(yīng)的提高。眾所周知，中國地質(zhì)條件復(fù)雜，水文狀況多樣，且不同因素處于一種不斷變化的狀態(tài)之中，因此需根據(jù)具體情況采用不同的物勘方法。文章結(jié)合工程實例，著重分析了聲波測井技術(shù)(一發(fā)雙收型)在水利工程中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：聲波測井；一發(fā)雙收聲波；物探

0 前 言

聲波測井技術(shù)早于20世紀(jì)中葉就已出現(xiàn)，經(jīng)過了半個多世紀(jì)的發(fā)展，而今已成為了物探測井技術(shù)當(dāng)中最流行、最重要的測井方法之一。中國聲波測井技術(shù)較國外而言，在測井儀器方面存在一定差距，但是在測井資料處理和信號處理方面卻獨(dú)具特色[1]。一發(fā)雙收聲波測井儀是一種單發(fā)射，雙接收的測井儀，這種儀器由聲系、隔聲體及電子線路3個部分組成，其中，1個發(fā)射換能器T和2個接收器R1和R2組成聲系系統(tǒng)[2]。由接收器接收聲波在地層及泥漿中的傳播時間差值來分析巖性的變化，是一發(fā)雙收聲波測井的基本原理，現(xiàn)今在水利水電、公路、煤田、石油以及爆破等工程中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著效果[3-8]。

1 方法原理

彈性波測試分聲波類和地震類2種。其中聲波法主要包括[9-10]單孔聲波、穿透聲波、表面 聲波、聲波反射、脈沖回波法和全波列測井。單孔聲波測試反映了沿孔深方向孔壁附近巖體波速值的變化情況。垂直孔測試波對緩傾角裂隙反應(yīng)較靈敏，是一種反映微觀、局部現(xiàn)象的測試結(jié)果。一發(fā)雙收測井儀則是利用聲波在一定的距離沿井壁滑行的時間來測試巖體的聲波速度，由于接收換能器R1和R2都接收信號，故可將其視作折射波法[11-13]。計算公式如下：

(1)

式中:Vp為孔壁介質(zhì)聲速；t1為發(fā)射換能器T傳播至R1的聲波傳播時間；t2為T傳播到R2的聲波傳播時間。因巖性不同，聲波速度也不同，即使是同一種巖性的巖體，也會因為其完整狀態(tài)、風(fēng)化程度的不同從而導(dǎo)致聲波傳播速度不同。由此可見，縱波速度Vp是判斷巖體完整性與風(fēng)化程度的重要參數(shù)之一。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某水庫位于威寧縣羊街鎮(zhèn)二道壩村附近的新龍河上。主選壩址位于東經(jīng)104°18′11″，北緯27°07′34″附近，壩址附近河床高程約為1 750.00 m，庫區(qū)長約8 km，水庫匯流面積為360 km2，規(guī)劃水庫正常蓄水位1 810.00 m，總庫容3 500萬m3，可供水量3 780萬m3。工程主要建筑物包括擋水壩、泄水建筑物、輸水建筑物等(若附帶有發(fā)電廠，則還有電站引水系統(tǒng)及廠房建筑物等)。擋水壩初擬壩高65 m，比選壩型為混凝土重力壩與當(dāng)?shù)夭牧蠅?；泄水建筑物擬采用溢洪道或結(jié)合導(dǎo)流洞布置；初步設(shè)計輸水線路長約30 km，采用管道式輸水，約有2.5 km的輸水隧洞。

庫區(qū)內(nèi)植被茂密，河道灘地植被以耕地和煙草為主，兩側(cè)山上以松樹和雜樹為主。居民點附近有過河簡易獨(dú)木橋，沿河道左岸有一條寬約2 m的鄉(xiāng)村路。該水庫主要任務(wù)為向3.5萬居民提供生產(chǎn)生活供水，灌溉面積16.7萬hm2(2.5萬畝)(灌區(qū)主要為橫跨威寧、赫章兩縣的草海灌區(qū))，防洪保護(hù)人口6.21萬人，恢復(fù)和保護(hù)耕地2.15萬hm2(3.22萬畝)。水庫建成后覆蓋的威寧、赫章灌區(qū)分別距水庫約3 km和8 km。

2.2 地質(zhì)概況

壩址附近河床高程約為1 750.00 m，山勢陡峭。河道水面寬約20 m，水深約1 m，河水流速較快。

該水庫壩址區(qū)地層為侏羅系中統(tǒng)郎岱群(J2ln1)泥巖、頁巖夾砂巖，侏羅系下統(tǒng)龍頭山群(J1l)泥巖、頁巖夾砂巖，三疊系上統(tǒng)(T3)泥巖、頁巖夾砂巖，頂部有一層灰?guī)r透鏡體。

擬選下壩址處地層為J2ln1砂巖及泥巖，壩肩為中厚層砂巖，工程地質(zhì)條件較好。比選上壩址在上游1.4 km處，地層為三疊系(T2g1-2)灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r。

根據(jù)GB18306—2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.1g，相應(yīng)于地震基本烈度為Ⅶ度。

2.3 地球物理特性

被探測體的物性差異是地球物理勘探的基礎(chǔ)，通常體現(xiàn)在巖體的磁、電、波速等物性參數(shù)。本次聲波測試主要查明薄層灰?guī)r中軟弱夾層(夾泥)的分布情況及厚度；初步查明巖體風(fēng)化帶、卸荷帶的分布規(guī)律和厚度；測定壩址區(qū)巖體彈性參數(shù)。

3 工作步驟與結(jié)果分析

3.1 測試工作步驟

壩址區(qū)共測試5個鉆孔，如前所述，除巖性外、巖體風(fēng)化程度、結(jié)構(gòu)面等對其聲波速度值影響也很大。聲波測井在裸孔含水段自下而上逐點進(jìn)行，測點距0.2 m，孔內(nèi)裝置為一發(fā)雙收換能器(35 kHz)。換能器與孔壁巖體間以井液(清水)耦合。

測試工作具體可分為以下6個步驟：① 若鉆孔內(nèi)無水或水位不能抬起，則需要注入清水至套管以上；② 在進(jìn)行測試前對聲波儀及換能器進(jìn)行檢查，確定其能正常工作；③ 將換能器勻速降入孔底，記錄放置深度，一般情況，探頭所在位置略小于孔深；④ 將換能器1個發(fā)射接頭與2個接收接頭分別對應(yīng)聲波儀的“發(fā)射”、“接收1”、“接收2”接好；⑤ 設(shè)置采集參數(shù)，開始采樣，從孔底自下而上采集數(shù)據(jù)，聲波儀記錄信號并判讀初至?xí)r間；⑥ 綜合分析處理信號資料，得出巖體的縱波波速。

3.2 巖體完整性、風(fēng)化程度的劃分

為獲得巖石聲波速度，對不同巖性的微新巖芯進(jìn)行聲波測試(對穿法，50 kHz平面換能器，換能器與巖芯試件以黃油耦合)。因測試時巖芯試件為無圍壓且非飽和狀態(tài)，測試面多不平整，實測巖芯聲速值多小于孔內(nèi)新鮮完整巖體聲速。結(jié)合聲波測井資料分析后，各巖性巖塊聲速綜合背景值見表1。依據(jù)此值，在評定巖體完整性、劃分風(fēng)化程度時對各巖性的完整性指數(shù)Kv和風(fēng)化波速比Kw的值分別進(jìn)行計算。

表1 巖塊聲速取值表

(1) 評定巖體完整性：依據(jù)DL/T5010—2005《水電水利工程物探規(guī)程》，結(jié)合巖心測試所取得的巖塊聲波速度Vpr計算巖體完整系數(shù)Kv，由此判斷巖體完整性。具體評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。完整性系數(shù)Kv用式(2)計算：

(2)

式中：Vp為風(fēng)化巖體縱波速度,m/s；Vpr為完整巖體縱波速度,m/s。

(2) 劃分風(fēng)化程度：一般情況，工程上對巖石的風(fēng)化程度采用風(fēng)化系數(shù)Kf、風(fēng)化波速比Kw及野外地質(zhì)特征來劃分。依據(jù)DL/T5010—2005《水電水利工程物探規(guī)程》，結(jié)合實測風(fēng)化巖石的聲波速度Vpr計算巖體風(fēng)化波速比Kw，由此判斷巖體的風(fēng)化程度。,具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。風(fēng)化波速比Kw用式(3)計算：

(3)

表3 巖體風(fēng)化分帶表

3.3 曲線解釋與測試成果

3.3.1 上壩址區(qū)

(1) ESZK1鉆孔：該孔聲波測試段為21.80～59.60 m，測段內(nèi)巖體主要為微新灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r。其中：高程1 743.44 m(孔深31.30 m)以上，聲波速度范圍值為5 100～6 490 m/s，平均值為6 070 m/s，完整性系數(shù)范圍值為0.64～1.00，平均值0.91，屬于完整巖體；高程1 743.44～1 737.44 m(孔深31.30～37.30 m)，巖體聲波速度范圍值為2 690～5 490 m/s，平均值為4 510 m/s，完整性系數(shù)范圍值為0.18～0.75，平均值為0.50，屬于完整性差巖體；高程1 737.44 m(孔深37.30 m)以下，聲波速度范圍值為3 520～6 490 m/s，平均值為5 490 m/s，完整性系數(shù)范圍值為0.31～1.00，平均值為0.75，屬于較完整巖體；此外，在孔深57.90～58.50 m處有一低速夾層，聲波速度范圍值為2 720～3 880 m/s，平均值為3 330 m/s，完整性系數(shù)平均值為0.27，巖體較破碎。

(2) ESZK2鉆孔：該孔聲波測試段為4.20～70.00 m，測段內(nèi)巖體主要為弱～微新灰?guī)r。測試范圍內(nèi)，4.20～23.50 m聲波速度范圍值為3 130～6 450 m/s，平均值為5 110 m/s，完整性系數(shù)范圍值為0.24～1.00，平均值為0.65，屬于較完整巖體；23.50～70.00 m聲波速度范圍值為2 820～6 450 m/s，平均值為5 390 m/s，完整性系數(shù)范圍值為0.20～1.00，平均值為0.72，屬于較完整巖體。此外，在孔深22.90～23.50 m、38.70～40.30 m、60.10～61.30 m處分別有低速夾層，其聲波速度范圍值、平均值分別為3 130～3 450 m/s和3 250 m/s、2 820～3 770 m/s和3 320 m/s、3 570～4 350 m/s和4 000 m/s，完整性系數(shù)平均值0.26～0.40，為較破碎～完整性差巖體。上壩址聲波測井成果統(tǒng)計見表4。

表4 上壩址聲波測井成果統(tǒng)計表

3.3.2 下壩址區(qū)

(1) EXZK1鉆孔：聲波測試段為4.00～70.00 m，測段巖體的巖性主要為弱～微新砂巖及少量泥巖。其中：高程1 814.79～1 813.79 m(孔深5.70～6.70 m)，聲波速度范圍值2 020～3 010 m/s，平均值為2 320 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.22～0.49，平均值為0.29，屬于較破碎巖體；高程1 813.79～1 799.39 m(孔深6.70～21.10 m)，聲波速度范圍值2 020～3 970 m/s，平均值為3 390 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.22～0.85，平均值為0.62，屬于較完整巖體；高程1 799.39～1 793.79 m(孔深21.10～26.70 m)，聲波速度范圍值2 120～3 850 m/s，平均值為3 100 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.24～0.80，平均值為0.52，屬于完整性差巖體；高程1 793.79～1 782.39 m(孔深26.70～38.10 m)，聲波速度范圍2 120～3 570 m/s，平均值為2 760 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.24～0.69，平均值為0.41，屬于完整性差巖體；高程1 782.39 m(孔深38.10 m)以下，聲波速度范圍值2 600～4 550 m/s，平均值3 610 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.36～1.00，平均值為0.70，屬于較完整巖體。

(2) EXZK2鉆孔：聲波測試段為5.00～73.60 m，測段巖體巖性主要為弱～微新砂巖及泥巖。其中：在高程1 754.16～1 750.36 m(孔深5.70～9.50 m)，聲波速度范圍值1 840～4 460 m/s，平均值為2 120 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.18～1.00，平均值為0.24，屬于較破碎巖體；高程1 750.36～1 749.16 m(孔深9.50～10.70 m)，聲波速度范圍值2 340～3 170 m/s，平均值為2 720 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.30～0.54，平均值為0.40，屬于完整性差巖體；高程1 749.16～1 736.76 m(孔深10.70～23.10 m)，聲波速度范圍值1 950～4 310 m/s，平均值為3 500 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.21～1.00，平均值為0.66，屬于較完整巖體；高程1 736.76 m(孔深23.10 m)以下，聲波速度范圍值2 530～4 900 m/s，平均值為3 890 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.36～1.00，平均值為0.82，屬于完整巖體。此外，在孔深29.50～31.30 m、38.70～39.50 m、41.10～42.90 m處分別有低速夾層，其聲波速度范圍值、平均值分別為2 360～3 730 m/s和3 150 m/s、2 070～2 870 m/s和2 410 m/s、1 910～2 940 m/s和2120 m/s，完整性系數(shù)平均值的范圍值為0.24～0.53，屬于較破碎～完整性差巖體。

(3) EXZK3鉆孔：聲波測試段為7.00～57.20 m，測段內(nèi)巖體的巖性主要為弱風(fēng)化～微新砂巖及泥巖和泥質(zhì)粉砂巖。其中：高程1 752.66～1 745.66 m(孔深7.90～14.90 m)，聲波速度范圍值1 890～3 210 m/s，平均值為2 420 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.20～0.58，平均值為0.33，屬于完整性差巖體；高程1 745.66～1 734.26 m(孔深14.90～26.30 m)，聲波速度范圍值2 840～4 390 m/s，平均值為3 770 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.44～1.00，平均值為0.77，屬于完整巖體；高程1 734.26～1 718.66 m(孔深26.30～41.90 m)，聲波速度范圍值2 550～4 100 m/s，平均值為3 590 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.35～0.90，平均值為0.69，屬于較完整巖體；高程1 718.66 m(孔深41.90 m)以下，聲波速度范圍值3 290～4 810 m/s，平均值為4 200 m/s，完整性系數(shù)范圍值0.47～0.99，平均值為0.76，屬于完整巖體。此外，在孔深41.90～44.30 m處有一高速夾層，其聲波速度范圍值、平均值分別為4 030～5 950 m/s和5 350 m/s，推測測段內(nèi)巖體有巖性或結(jié)構(gòu)、成分變化。

結(jié)合地質(zhì)鉆孔編錄資料綜合分析可見：上、下壩址各孔巖體聲波波速主要受巖性、風(fēng)化程度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況以及構(gòu)造破碎帶等控制。結(jié)合巖性及風(fēng)化波速比綜合分析聲測結(jié)果可見，上、下壩址各鉆孔聲波測試段內(nèi)巖體風(fēng)化界線與地質(zhì)劃分基本一致。下壩址聲波測井成果統(tǒng)計見表5。

表5 下壩址聲波測井成果統(tǒng)計表

4 結(jié)論與說明

(1) 結(jié)論

通過對該壩址區(qū)進(jìn)行聲波測試，基本探明了各鉆孔聲波速度分布情況，結(jié)論如下:

1) 上壩址ESZK1、ESZK2孔內(nèi)弱、微新巖體界線分別為21.1 m和23.5 m；下壩址EXZK1～EXZK5各孔弱、微新巖體界線分別為8.7、10.7、7.0、14.9和11.9 m。除ESZK1、EXZK3孔測試范圍內(nèi)未見卸荷松動巖體外，各孔卸荷巖體深度基本與微新巖體頂面一致，ESZK2孔卸荷深度約16.7 m。

2) 灰?guī)r中軟弱夾層(夾泥)或破碎巖體分布位置分別為：ESZK1孔，孔深31.3～36.1 m、57.7～58.7 m；ESZK2孔，孔深5.3～5.9 m、7.1～7.9 m、13.6～14.1 m、15.7～16.7 m、22.9～23.5 m、38.7～40.3 m、59.7～61.3 m。此外各孔內(nèi)局部有緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面所致低速巖體存在。

3) 忽略個別跳躍點，巖體波速值相近，速度變化趨勢近一致的測試段可劃分為一層。巖體波速值大致呈淺部低、深部高的趨勢，可說明巖體風(fēng)化程度大致呈隨孔深增加而減弱的趨勢，完整性則逐漸變好。

4) 因本測區(qū)基巖內(nèi)構(gòu)造引發(fā)的結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造破碎帶較發(fā)育，導(dǎo)致個別孔內(nèi)巖體隨孔深增加、縱波速度遞增的趨勢不甚顯著。局部巖體出現(xiàn)低值，推測為軟弱夾層(夾泥)或巖體破碎所致，與鉆探所得結(jié)果基本一致。

(2) 說明

1) 個別孔因水位無法提升等原因測段較短，導(dǎo)致聲波測井未能測到卸荷巖體厚度和(或)風(fēng)化界線。

2) 聲波測井與地質(zhì)鉆探的深度計量間有一定偏差，致使兩者所劃分風(fēng)化界線及破碎巖體分布位置略有偏差。部分巖性測段較短，測得聲速統(tǒng)計意義較弱。

3) 下壩址EXZK3局部泥質(zhì)粉砂巖孔內(nèi)實測聲波值較大，推測有巖性或巖體成分變化不具備代表性，該巖性巖塊聲速取值時未予考慮。

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Application of Acoustic Logging Technology in Water Resources Project

QIU Kai

(Ningxia Highway Survey and Design Institute Co., Ltd., Yinchuan 750001,China)

The investigation methods of water resources and hydropower projects are various. With increasing development and application of science and technology, the investigation level of water resources and hydropower projects in China is improved accordingly. It is well know that in China the geological conditions are complicated, hydrology is various and different factors are always changeable. Therefore, different physical exploration methods shall be applied based on the specific conditions. In combination with engineering practice, in the paper, application of the acoustic logging technology (transceiver type) in water resources projects is analyzed especially.Key words: acoustic logging; transceiver sonic wave; physical exploration

1006—2610(2016)06—0027—04

2016-09-06

邱鍇(1987- )，男，寧夏固原市人，助理工程師，主要從事地球物理與巖土工程方面的工作.

TV223.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.007