飛鳳山滑坡單孔聲波測試異常問題分析

張子森

摘 要：單孔聲波探測是通過探測聲波在巖體內(nèi)的傳播特征來研究巖體性質(zhì)及其完整性的物探方法。由于受到野外工作條件的限制，加之聲波測試人員對測試原理、規(guī)范不了解，局部或整體波速的測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)了異常。這些測試結(jié)果對評價巖體的完整性、質(zhì)量等造成了一定的影響。因此，結(jié)合飛鳳山滑坡勘查的實測聲波和鉆探資料，從測試的操作方法、儀器參數(shù)的選擇、試驗操作、數(shù)據(jù)處理等方面分析了測試異常問題，對相關(guān)問題進行了探討，并提出了相應的解決措施。

關(guān)鍵詞：單孔聲波測試；傳播特征；物探方法；實測聲波

中圖分類號：TV223.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.014

聲波速度是反映巖土體物理力學性質(zhì)的重要參數(shù)指標。單孔聲波測試是巖土工程勘查的重要原位物探測試項目，具有操作方便、安全性高的優(yōu)點，已成為解決巖土工程領域相關(guān)問題的有效手段之一。采用單孔聲波測井，可利用縱波速度確定松動范圍、劃分風化帶、評價巖體的完整性、解釋軟弱夾層或破碎帶、計算巖體相關(guān)的動力學參數(shù)等。

1 項目概況

本次單孔聲波測試異常分析以飛鳳山滑坡勘查為例，項目所在地位于四川省廣元市利州區(qū)八二一廠內(nèi)的擬建飛鳳山低中放固體廢物處置場南側(cè)邊坡。強降雨導致飛鳳山邊坡失穩(wěn)下滑。在對飛鳳山的滑坡勘查工作中，采用單孔聲波測試方法對巖體波速進行了測試，對巖體的完整性、質(zhì)量等相關(guān)工程地質(zhì)問題進行了研究。

在此次單孔聲波測試中，遇到了一些問題，比如采樣參數(shù)設置不合理、因測試孔未清洗而導致耦合水體混雜、人為操作不精確、首波判別不正確等。因此，筆者闡述了單孔聲波測試的原理、異常問題及其處理措施等，并提出了相關(guān)的方法和建議，從而提高勘查水平。

2 單孔聲波的測試原理

聲波在巖體中的傳播遵循彈性波的傳播規(guī)律。聲波在巖體中傳播時，在界面上會產(chǎn)生波的透射、折射和反射現(xiàn)象。

聲波儀由發(fā)射裝置和接收裝置兩部分組成。發(fā)射裝置即發(fā)射換能器（T），接收裝置即接收換能器（R1和R2）。孔內(nèi)滑行波以臨介角i入射井壁，并產(chǎn)生滑行波沿孔內(nèi)耦合劑（水）傳播。由于聲波在鉆孔內(nèi)耦合劑（水）中的速度小于在巖石內(nèi)的傳播速度，因此，滑行波最先到達R1和R2。滑行波形成信號波形的初始起跳一般稱為“初至（首波）“，如圖1所示。

本次飛鳳山滑坡勘查單孔聲波測試使用RSM-SY5（T）一發(fā)雙收聲波檢測儀。R1與R2之間的距離l為0.2 m，T與R1之間的距離L為0.4 m。

3 單孔聲波測試異常問題分析

根據(jù)飛鳳山滑坡勘查多個鉆孔聲波測試結(jié)果分析可知，波速只有在巖體結(jié)構(gòu)與巖性有明顯變化的試段會產(chǎn)生明顯變化，因此，整個測試孔的巖體結(jié)構(gòu)與巖性的明顯變化是局部的。從整體看，在全孔數(shù)據(jù)中有2種異常現(xiàn)象：①波速曲線沿孔深軸整體異位；②波速曲線沿波速軸整體下降或上升。根據(jù)野外實際測試和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理，總結(jié)出了以下4種造成數(shù)據(jù)異常的原因。

3.1 儀器采樣參數(shù)

在測試前，必須進行儀器的校正和參數(shù)設計。一旦設置錯誤或參數(shù)不準確，則造成聲波曲線整體上升或下降；如果移距、增益的設置不合理，則易導致聲波曲線整體上升或下降。

3.1.1 移距

R1與R2間距離即移距，因此，移距應為0.2 m。由于測試者常不了解移距或忽略移距設置，因此，根據(jù)式（1），移距過大或過小都會造成波速曲線整體上升或下降。

3.1.2 增益

增益是波形的放大倍數(shù)。R1和R2各有一個通道，由于通道2傳播的距離遠、受干擾多，一般設置通道2的增益大于通道1.在測試前，應在采樣環(huán)節(jié)觀察波形是否合適。如果波形不合適，則應在參數(shù)設置界面重新設置增益。一旦一個通道的增益過小，則會造成測點首波判讀錯誤，導致聲時差整體變大或變小，進而造成聲波曲線整體上升或下降。

3.2 測試孔耦合劑

根據(jù)聲波測試的折射原理和聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度，一般采用清水作為耦合劑。這就要求在鉆孔鉆進完畢后清洗測試孔。如果洗孔效果較差，則易導致孔內(nèi)進入水與泥漿的混合物。懸浮顆粒物的聲納探測資料表明，懸浮顆粒對聲能有吸收作用，聲能的損耗會導致聲波波速和波幅的降低，進而導致波速普遍偏慢。在本次勘查中，在未洗孔時試驗了一次，洗孔后又試驗了一次，兩次波速曲線的對比如圖2所示。通過洗孔前、后波速曲線的對比可知，洗孔前、后出現(xiàn)了波速曲線整體下降的異常現(xiàn)象。

3.3 人工操作

本次測試裝置的移距為0.2 m，每次采樣獲取的為圖1中l(wèi)長度范圍內(nèi)的巖體波速。當一個測點測試完成后，測試人員需要將測線向上提0.2 m，但測試人員無法保證每次移距均為0.2 m，這樣很可能造成采樣偏差。根據(jù)與巖心資料的對比，在巖體較完整段的波速值比破碎段的低，聲波曲線沿孔深軸的整體移動即曲線異位現(xiàn)象。如果檢測人員的提線速度過快或過慢，或與聲波儀操作人員的步調(diào)不一致，也會造成試驗結(jié)果整體錯位。在ZK22測試完成后發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)與巖心有偏差；重新測試后發(fā)現(xiàn)，第一次波速曲線與第二次波速曲線有明顯的異位現(xiàn)象，如圖3所示。

3.4 試驗數(shù)據(jù)的處理

巖體彈性縱波頻率高、衰減快。在波形曲線上表現(xiàn)為高頻率、低振幅的特點。技術(shù)人員在室內(nèi)用單孔聲波測試軟件對測試數(shù)據(jù)進行處理的關(guān)鍵是對首波的判讀。但巖體欠完整試段波形的首波很難判讀，彈性縱波衰減幅度大，不易識別和觀察，技術(shù)人員常將井液直達波初至誤當作巖體縱波初至拾取。直達波到達接收換能器的時間較晚，導致時差變大，根據(jù)式（1），這樣會造成測試的波速曲線整體下降或在局部段升、降。

4 單孔聲波異常的處理對策

單孔聲波異常的處理對策分為以下4點：①對于儀器參數(shù)的設置，測試人員應深入研究單孔聲波的測試原理和儀器說明書，再根據(jù)地質(zhì)情況設置合理的儀器參數(shù)，以得到精確的縱波速度。②對于測試孔耦合劑，技術(shù)人員應與鉆探人員有效溝通，充分做好試驗前期洗孔工作。如果不具備清洗的清水，則需要等24 h，即孔內(nèi)泥漿等渾濁物沉淀后再測試。③對于野外試驗操作，提線人員應與儀器操作人員密切合作，盡量保證測試一次測完，以確保測試的準確性。④對于室內(nèi)數(shù)據(jù)處理問題，應分清井液直達波與首波，并結(jié)合巖心地質(zhì)資料正確地拾取首波。對于無法判別的首波，應適當放大或縮小波形，并結(jié)合巖心準確地判斷首波位置。

5 結(jié)束語

通過分析單孔聲波的測試原理和飛鳳山滑坡勘查聲波測孔遇到的異常問題可知，聲波測試的主要問題為聲波曲線的異位和聲波曲線的整體升降。造成異常的主要原因是參數(shù)設置的不合理、耦合劑太渾濁、野外測試操作不規(guī)范、數(shù)據(jù)處理不合理等。在野外測試中，應盡量突破客觀條件的限制，盡量做到試驗每個步驟的規(guī)范、準確；測試人員應充分利用地質(zhì)鉆探資料，并做好測試前期的準備工作。只有這樣，才能提高巖土勘測的技術(shù)水平。單孔聲波測試是巖土勘查中使用較為廣泛的測試方法之一，測試人員要深入理解單孔聲波的測試原理，并重視對工程地質(zhì)學、彈性波動力學、巖土力學等的學習，這是做好單孔聲波測試的關(guān)鍵。

參考文獻

[1]鄧娜.西南地區(qū)高壩水電站地球物理探測技術(shù)應用研究（以大渡河雙江口水電站為例）[D].成都：成都理工大學，2014.

[2]苑書金，于常青.各向異性介質(zhì)中的彈性阻抗及其反演[J].地球物理學進展，2006，2l（2）.

[3]陳仲候，王興泰，杜世漢.工程與環(huán)境物探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1993.

[4]黃玉鵬，張琳.聲波技術(shù)在巖溶地區(qū)勘察中的應用[J].西部探礦工程，2010（7）.

[5]彭臨慧，王桂波.中國近海懸浮顆粒物海水聲波衰減[J].聲學學報，2008，33（5）.

[6]陳益杰，程光貴.單孔聲波測試及其工程應用中應注意的幾個問題[J].物探與化探，2012，36（1）.

〔編輯：張思楠〕