聲吶之所以不能用來進行滲流測試之我見

劉建剛，劉明瑋，牛傳業(yè)

（1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 211106；2.江蘇開放大學(xué)建筑工程學(xué)院,江蘇 南京 210036；3.濟寧市自然資源和規(guī)劃局, 山東 濟寧 272100）

1 問題的提出

近年來技術(shù)服務(wù)市場上出現(xiàn)了一個新技術(shù)概念—“聲吶滲流檢測或測井”，有很少量論文發(fā)表，甚至還出現(xiàn)了規(guī)范[1-3]。從波動理論來講，波的傳播速度僅與波的傳播媒介的固有物理特性有關(guān)，而與傳播媒介是否存在運動無關(guān)，如水中的聲波（聲吶波）僅與水的密度、黏滯性有關(guān)，與水流是否運動無關(guān)；在巖土工程勘察技術(shù)上，早就有聲波測井或聲波探測這一技術(shù)，但也只能獲得波在巖土層中的平均傳播速度，用以反映波傳播范圍內(nèi)巖土體的平均強度（巖土體的固有特性），但無法獲得巖土體中地下水的流動速度和流動方向。也就是說，聲吶和滲流在理論上是不存在關(guān)系的，也就談不上聲吶滲流測井或聲吶滲流檢測，即聲吶無法用來進行滲流速度、滲流方向的測試。本文從以下2 個方面來說明用聲吶進行滲流測試存在的嚴重問題。

2 滲流與波動的關(guān)系

聲吶屬于波動理論，滲流屬于地下水動力學(xué)理論。不同的學(xué)科之間進行交叉研究本是值得鼓勵和提倡的，但交叉研究需要2 個不同理論之間有交叉點。交叉點主要體現(xiàn)在刻劃2 個理論的控制方程上有相同的物理量或參數(shù)，否則不存在交叉研究的可能性，他們各自是獨立的、互不相干的，也就不存在檢測和被檢測的關(guān)系。地下水滲流的控制方程就是滲流連續(xù)性方程，見式（1）；滲流連續(xù)性方程應(yīng)用在潛水或承壓水上的水流運動方程是不一樣的，就潛水而言，均質(zhì)各向同性介質(zhì)非穩(wěn)定二維方程為式（2）；而波動理論的控制方程暫且用一維波動方程表達，見式（3）。

式中：H—水頭/m；

μ—給水度；

K—滲透系數(shù)/（m·d-1）；

A—振幅/m；

u—波的傳播速率，與媒介的密度和彈性有關(guān)，固定常數(shù)/（m·d-1）。

顯然，波動方程與滲流方程之間根本不存在可進行交叉研究的物理量或參數(shù)。也就是說，聲吶和滲流本質(zhì)上相互獨立、互不相干，因而不能用聲吶來檢測滲流。

3 聲吶法的原理、計算方法及存在問題

聲吶技術(shù)提出了“獨辟蹊徑”的原理以獲得求解水流流速的計算公式[1-3]：聲波在靜止水體中的傳播速度為一常數(shù)C，當聲波逆流從探頭下端傳感器1 傳送到上端傳感器B 時，其傳播速度被傳感器B 到傳感器1 方向上的水流速度U（由于θ角非常小，幾乎可以忽略不計，因此U實際上相當于垂直方向的水流速度）所減慢，其傳播方程為式（4）；當聲波順流從上端傳感器B 傳送到下端傳感器1 時，傳播速度則被流體流速加快，其傳播方程為式（5）；兩者相減就求得水流速度U的計算公式，見式（6）。如圖1（a）所示。

圖1 計算示意圖Fig.1 Calculation diagram according

式中：TB1（T1B）—從傳感器B（1）到傳感器1（B）的時間/s。

暫且不從波動方程式（3）來說明這個原理是否成立，就按照其邏輯，式（4）和（5）也是不成立的：等式左邊項代表的是探頭L方向（基本是垂直方向）的速度，而等式右邊的第2 項整體代表的是水平X方向的速度，則C也代表了X方向的速度；等號兩邊的量在概念上是完全混淆的，是不等的。

除此以外，式（4）（5）還存在以下問題：

（1）U的方向是人為設(shè)定的聲通道方向，并不是實際的水流方向。實際的水流方向本身是不知道的，假如設(shè)定實際水流方向與探頭的長度方向（鉛直方向）之間的夾角為α，見圖1（b），同樣按照其邏輯來推導(dǎo)，上面的式（4）—（6）就變成了式（7）—（9）：

式中：TAB（TBA）—從傳感器A（B）到傳感器B（A）的時間/s。

式（9）中包含了2 個未知數(shù)：實際水流速度（U'）和水流方向與豎直方向的夾角（α），因而是無法獲得水流速度（U'）的。

（2）式（4）和（5）中的U基本是探頭長度（L）方向上的水流速度，水文地質(zhì)上稱為垂向流。對于地下水流動系統(tǒng)而言，垂向流只在補給區(qū)(源)和排泄區(qū)（匯）有，在徑流區(qū)基本不存在垂向流或小得可以忽略不計，而工程設(shè)計中最關(guān)注的是水平速度。即圖1（b）中的α角在補給區(qū)和排泄區(qū)才是小角度，甚至接近0°，在徑流區(qū)接近水平，不存在垂向流。

（3）地下水本身的水平流沒有被考慮在式（4）和（5）中，僅將探頭上人為設(shè)定的上下接發(fā)收器連線方向的實際垂向流的一個分量含糊其辭地稱為滲流速度，是一種誤導(dǎo)，實際不是工程上需要的水平流速。

（4）式（4）和（5）等號的左邊項和等號右邊的C都接近聲速，聲速大概是340 m/s，而地下水垂向流的速度是厘米/天至米/天這個量級，等號的左邊項和等號右邊項C的測量誤差大概率將覆蓋掉垂向流U的值，計算得到的U很可能是因傳播時間精度問題導(dǎo)致的聲速測量誤差值，不是U的真值。

4 結(jié)論

（1）滲流和聲吶之間不存在耦合關(guān)系，也就不存在檢測和被檢測關(guān)系，即聲吶不能用來進行滲流檢測；

（2）所謂的“聲吶滲流檢測或測井”技術(shù)，只是在探頭的上、下兩端安裝了聲波的接、發(fā)傳感器，通過接、發(fā)的轉(zhuǎn)換計算獲得井（孔）中水流的垂向流速，計算公式不成立，且大概率是聲速測量的誤差值而不是垂向流速的真值，該裝置無法獲得水平向滲流速度、水平流動方向和垂向流。