超聲波測試技術在工程地質勘察中的應用

顧維舉

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

超聲波測試技術在工程地質勘察中的應用

顧維舉

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

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

超聲波檢測原理；聲波野外測試；巖體完整性系數；基巖風化程度，構造破碎帶劃分

聲波測試工程區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，喀斯特地貌發育。地勢大致西北高東南低，由西北向東南傾斜。區域內發育的地層為地臺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，為庫區和壩址區的主要地層。本次聲波測試采用一發雙收系統，目的是通過測試巖體中聲波的傳播速度來確定基巖風化程度、構造破碎帶的位置等。

1 鉆孔聲波測試原理和應用范圍

聲波測試是彈性波測試方法中的一種，其理論基礎建立在固體介質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（巖石、巖體、混凝土構筑物）發射聲波，在一定的空間距離上接收介質物理特性調制的聲波，通過觀測和分析聲波在不同介質中的傳播速度、振幅、頻率等聲學參數，解決一系列巖土工程中的有關問題。超聲波測試在地質勘察中得到廣泛應用，如巖體、土體結構特征評價及強度分類；巖體、土體的彈性力學參數、靜力學參數測定；巖體巖面爆破、灌漿等施工質量的檢查等，如圖1。

圖1 聲波測試原理

2 聲波野外測試

九龍水庫地質勘察鉆孔聲波測試共測試了17個鉆孔，基巖測試總長618m，觀測點3090個，所用儀器為國產RSMSY6型聲波測試儀，探頭為一發雙收式，聲波測試時，把探頭放入鉆孔中的測試位置，儀器的發射機通過發射探頭發射超聲波，經水的耦合，到達井壁沿井壁傳到兩接收換能器Ⅰ和Ⅱ，其初至時間分別為t1（μs），和t2（μs），這樣根據兩接收探頭的距離，按式（1）算出測試點處的波速Vp。

式中 Vp為巖石波速；L1為兩接收換能器間距；△T為波傳播的初至時間差。

測試時把探頭放入井底，然后自下而上逐點觀測，測試點距為0.2m，如圖2。

圖2 測試工作方法

3 聲波室內測試

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

表1 鉆孔巖塊室內聲波測試成果

續表1

4 巖體完整性的判別

用表1的測試結果，取用中厚層灰巖試塊測試值較高幾個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，根據式（2）計算出測試段巖體的完整性系數：

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

利用巖體完整性系數分類表，對聲波測試鉆孔的巖體進行完整程度分類，如表2。

表2 巖體完整性系數分類

5 利用聲波縱波波速劃分巖體風化帶界限

利用聲波波速值劃分風化程度與地質目力鑒別風化程度大致相同，其中有些巖體目力鑒別為弱風化，聲波劃分為強風化。

綜合地質資料及本次測試的結果，利用公式（2）計算得出波速值劃分巖體風化帶的標準，如表3。

表3 聲波縱波波速劃分巖體風化帶界限

在所測試17個鉆孔中，所測試段地質值班人員目力鑒定的風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鉆孔巖體相對較完整程度高，其他鉆孔較破碎處較多，最多為14處。地質值班人員目力鑒定的風化層次只能由強風化巖到弱風化巖，在弱風化巖中雖然有破碎的巖體也不再定為強風化巖，但是聲波值是對巖體完整性的客觀反映，在弱風化巖體中如果存在節理裂隙較發育的破碎帶時，波速值一般與強風化的波速值一樣低，這就存在利用波速值判定風化強度時弱風化帶中存在強風化的現象。同樣也存在地質值班人員目力鑒定的風化層為強風化或弱風化，但是根據波速值判定為弱風化或微風化的現象。

6 鉆孔聲波測試成果

本次共測試了17個鉆孔，列出其中一個孔的成果，如表4。

表4 JL3-1號孔聲波測試成果

續表4

7 結語

（1）本次測試基本達到了預期目的，利用縱波波速對建筑物區的基巖進行了風化程度的劃分，其結果與地質值班人員目力鑒別大致相同，但每個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值較低的部分及構造、裂隙明顯張裂地段，一般會有較低的縱波波速值出現。

（3）巖體聲波測試對巖體中較大的裂隙等反映明顯，可以給地質、設計提供進一步的佐證。

［1］河北省水利水電勘測設計研究院.曲靖市沾益縣九龍水庫可行性研究階段鉆孔聲波測試物探成果報告［R］.2014.

［2］錢紹瑚.地震勘探［M］.北京：中國地質大學出版社，1989.

［3］GB 50021—2001，巖土工程勘察規范［S］.

［4］楚澤函.聲波測井原理［M］.北京：石油工業出版社，1987.

［5］孫成棟.巖石聲學測試［M］.北京：地質出版社，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），河北棗強人，工程師，主要從事工程物探勘察工作，（Tel）13752432016。