孔間聲波CT 技術的電火花震源設計及應用

丁 朋，付 華，樓加丁，孫永清

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽 550081）

西南地區巖溶發育強烈，存在溶洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質體，具有隱蔽性和不確定性，探測難度較大。鉆探方法探測準確，但僅是“一孔之見”，如果密集鉆孔，則成本大、工期長。孔間聲波CT 技術反映的是兩個鉆孔之間剖面上的地質特征，分辨率高、成本低，對工程中各種不良地質體如巖溶、陷落柱、裂隙、斷裂破碎帶、采空區軟弱夾層、地下空洞和不明埋設物等具有較好的判斷效果［1-2］。巖溶探測采用的孔間聲波CT技術普遍使用電火花震源激發聲波，與炸藥相比，具有安全可靠、綠色環保、能量可控、一致性好、頻譜豐富、操作方便等優點［3-4］。

目前，電火花震源的充放電操控普遍采用人工方式。連續充放電次數過多過快時，電容升溫較快，容易損壞設備器件，須待冷卻后方可再次使用，影響工作效率，且設備較為笨重。放電過程中可能出現殘余電壓的情況，較高的殘余電壓存在安全隱患，因此設備需要具備儲能電壓實時監測和殘余電壓清零功能。放電瞬間能量釋放越集中，激發的聲波振幅越大，穿透距離也就越遠。常用的高壓繼電器通斷響應時間長達幾十毫秒到幾百毫秒，能量釋放相對分散，需要進一步縮短高壓放電開關的通斷響應時間，以期達到微秒級。高壓放電電極末端容易燒蝕損壞，需要進一步提高使用壽命?；谏鲜鰡栴}，項目組研制了智能可控電火花震源，實現了數字化監測、自動化充放電、無間斷連續工作、高效電聲轉換、余壓自動清零、設備經久耐用等功能。

1 基本原理

電火花震源是一種將存儲在高壓電容器中的電能通過浸沒于水中的放電電極瞬間放電產生火花形成振動波的裝置，分為充電和放電過程兩個工作狀態。圖1為電火花震源的基本原理示意。

圖1 電火花震源基本原理示意

Us 是震源充電系統，充電時開關S1 閉合，開關S2斷開，充電系統對電容C充電；充電完成后，開關S1斷開，開關S2閉合。電容C通過放電電極瞬間放電，將電極周圍的水電離汽化，形成高溫高壓區，產生沖擊波，電能轉換成聲波能量、部分熱能和光能［3-4］。

最大激發能量值是電火花震源最重要的指標，直接關系電火花震源的穿透距離和分辨率。電容蓄能公式為

式中，E 為電容蓄能值；C 為電容容量；U 為電容電壓值。

2 設計方案

2.1 總體工作流程

將220V 交流電經過升壓整流裝置轉變為幾千伏甚至上萬伏的直流高壓電，對儲能裝置進行充電，存儲震源激發所用的能量，在儲能裝置能量蓄積到一定數值后，控制系統通過控制放電裝置，將存儲在儲能裝置中的高壓電能通過專用電極瞬間放電，在水中通過脈沖大電流，使周圍水汽化，形成高溫高壓區，從而產生沖擊波。同時電極放電產生電磁感應信號傳至聲波采集主機，采集主機同步采集記錄電火花震源發射的聲波。電火花震源總體工作流程見圖2。

圖2 電火花震源總體工作流程

2.2 總體設計方案

采用微控制器、LCD顯示屏、高壓檢測模塊與其他外圍電路相結合的軟硬件方式，實現了數字化監測與自動化控制。升壓電容和儲能電容均采用新型電容器替代傳統鋁電解電容器，具有重量輕、無極性、能量轉換效率高、散熱性好等特點，實現了連續激發聲波，期間無需冷卻，且充電時間明顯縮短，大大提升了工作效率，同時電聲轉換效率顯著提高，同等能量級別下透距更大。高壓放電控制電路以可控硅、脈沖變壓器為核心組件，具有無觸點、通斷無涌流、投切速度快（高達微秒級）、安全性高等優點。設計手動和斷電后余壓自動清零電路，確保安全生產。放電探頭的放電電極采用同軸圓柱結構，并在放電電極末端使用耐高壓、耐高溫、耐電弧燒蝕和高導電導熱性能的鎢銅，發射能量穩定、一致性好、壽命長。

3 設備介紹

電火花震源主要由控制箱及放電探頭兩部分組成，支持全自動、半自動、手動3 種工作方式。最大蓄能10 000 J，完整基巖中透距可達80 m以上；能量可控，充電時間1～40 s；連續發射次數不受限制，一致性好；放電探頭經久耐用。電火花震源結構示意及設備簡介見圖3。

圖3 電火花震源結構示意及設備簡介

3.1 設備組成

電火花震源實物見圖4。

（1）控制箱。由程控板、升壓整流電路、儲能器、高壓檢測電路、高壓放電控制電路、同步觸發信號發生電路、剩余能量清零電路、保護電路、液晶屏等組成，對系統進行控制和狀態監測。

（2）放電探頭。由電極固定裝置、同軸圓柱放電電極、多孔塑膠套等組成。

圖4 電火花震源實物

3.2 控制程序

控制箱中運行的控制程序啟動后，將首先顯示啟動界面，然后自動進入“參數設置界面”。

（1）參數設置界面。系統參數設置均為默認的初始值，可對工作模式（全自動、半自動、手動）、能量級別（放電能量值）、激發間隔（全自動模式下，兩次放炮之間的時間間隔）等進行設置，系統參數設置界面見圖5。參數設置完畢后，通過旋鈕鼠標點擊“確定”按鈕，進入“運行界面”。

圖5 參數設置界面

（2）運行界面。實時顯示放炮次數、工作模式、激發間隔、工作狀態、蓄電電壓、蓄電能量、充電時間、能量級別等信息，工作模式不同，顯示的信息會稍有區別。點擊面板上的“充電按鍵”或通過旋鈕鼠標點擊程序界面上的“充電”按鈕，設備將立即啟動工作，其中全自動模式下的運行界面見圖6。由圖可知，本次設置的放電能量級別為2 300 J，每間隔30 s 自動放炮一次。任何工作模式下，充電期間均可通過物理按鍵或旋鈕鼠標，強行中止充電或立即放炮。

圖6 全自動工作模式下運行界面

工作結束后，可使用清零按鍵或旋鈕鼠標清除儲能電容中剩余的能量。若忘記清零而直接關機，設備亦會通過余壓清零電路自動清零。

4 使用方法

電火花震源可與項目組研發的孔間聲波CT 儀配套使用，工作示意見圖7。

圖7 孔間聲波CT工作示意

開始觀測前，先將兩個鉆孔注滿水，并在放電探頭多孔塑膠套內注滿食鹽水溶液，按照圖7 布置并連接設備，使用220V交流發電機或市電為電火花震源供電，電火花震源能量蓄積到一定能量等級（用戶自定義閾值）后放電，放電探頭瞬間釋放能量，使周圍介質汽化，形成高溫高壓區，產生沖擊波；同時電火花震源產生同步信號，并通過同步信號電纜發送給采集主機，測定到首波到達的波形后，該組射線對測量完畢。觀察該組波形是否正常，如果正常，則移動收發探頭開啟下一組數據的測量工作，否則對該組數據進行重新測量。整個剖面測量完畢后，將數據錄入到室內處理軟件，進行首波初至判讀和層析成像處理［5］。

圖8 波形記錄

圖8 為某水電站防滲帷幕灌漿后開展聲波CT質量檢查所獲取的部分測量數據。由圖可看出，波形干凈、初至清晰，提取首波初至時間十分方便。整個剖面所有射線首波初至時間提取完成后，將數據按照特定格式進行編排，然后錄入到聲波CT處理軟件中進行反演，重繪出射線所掃描區域內的巖體波速分布剖面圖。一般聲波在致密完整巖體中的傳播速度較高，而在疏松碎裂巖體、溶洞及巖溶裂隙區等不良地質體波速較低［6］。由巖體波速分布剖面圖可較為直觀且準確地判定不良地質體的位置、空間分布和形態，為后期工程處理提供可靠的基礎資料。

5 工程應用

5.1 工程概況

某水庫壩址以上控制流域面積366 km2，正常蓄水位589 m，總庫容6 553萬m3，壩前抬高水位53 m，年供水能力5 000萬m3，可滿足水庫工程任務，既保證工業園區、縣城的供水，又同時兼顧左右岸及下游灌溉及人畜飲水。根據工程規模、工程效益及其在國民經濟中的重要性，工程規模為Ⅲ等中型。

壩址左岸主要為溶蝕地貌，右岸為侵蝕低山地貌，河床寬緩，無跌坎、深潭發育。壩址區有多條斷層通過。為推動該水庫初設階段工作有序開展，查明壩址區的巖石物理力學參數，需要開展單孔聲波、鉆孔錄像、孔間聲波CT等相關物探工作。

5.2 應用成果

對多個鉆孔剖面進行了孔間聲波CT探測，其中CZK10-CZK11 及CZK30-ZK7 的孔間聲波CT 成果見圖9和圖10。

圖9 CZK10-CZK11聲波CT成果

圖10 CZK30-ZK7聲波CT成果

結合圖9 與其他物探資料及巖芯資料可知，CZK10-CZK11 剖面強風化巖體以下基巖聲波在4 600 m/s以上，在高程505～507 m之間存在低于微風化背景值的區域，解譯為巖體破碎區。

結合圖10 與其他物探資料及巖芯資料可知，CZK30-ZK7 剖面強風化巖體以下存在一相鄰的破碎區域，聲波波速在4 600～4 300 m/s，此外在高程485～494 m 之間存在一低于新鮮巖體背景值的區域，解譯為巖體破碎區。

6 結 語

智能可控電火花震源設備具有能量精細化控制、數字化監測、自動化充放電、余壓自動清零、高效電聲轉換、初至波清晰、分辨率高、無間斷連續工作、工作效率高、經久耐用等特點。該設備可作為孔間聲波CT技術的震源，與項目組研制的孔間聲波CT 儀配合使用，既能對溶洞、采空區、斷層破碎帶、松動圈進行精確探測，又能對巖體質量、大體積混凝土質量、地下隱蔽工程質量進行準確檢查和評價。設備可廣泛應用到水電巖溶勘探、防滲帷幕及堤防隱患探測、建基巖體質量檢測、灌漿效果檢查等工程物探領域，現已成功應用到多個水電勘探項目和工民建項目，具有解決復雜地質問題的能力，取得了較為顯著的經濟效益和社會效益。