超声波测试技术在工程地质勘察中的应用

顾维举

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

超声波测试技术在工程地质勘察中的应用

顾维举

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

介绍了超声波测试技术的原理、在水库勘察中的应用、野外测试方法和测试成果分析等，测试目的是通过测试岩体中声波的传播速度来确定岩体完整性和风化程度、构造破碎带的位置等，取得了良好的效果。

超声波检测原理；声波野外测试；岩体完整性系数；基岩风化程度，构造破碎带划分

声波测试工程区位于云南省沾益县滇东高原，具高原山地与断拗（陷）盆地相间的地貌特征。地形多为山地、丘陵及坝子组成，喀斯特地貌发育。地势大致西北高东南低，由西北向东南倾斜。区域内发育的地层为地台型海相和陆相沉积岩。从老到新有：泥盆系、石炭系、二叠系及第四系，其中以泥盆系宰格组D3z、石炭系C2、C3、二叠系梁山组P1l、栖霞组P1q出露范围较大，为库区和坝址区的主要地层。本次声波测试采用一发双收系统，目的是通过测试岩体中声波的传播速度来确定基岩风化程度、构造破碎带的位置等。

1 钻孔声波测试原理和应用范围

声波测试是弹性波测试方法中的一种，其理论基础建立在固体介质中弹性波的传播理论上，该方法是以人工激振的方法向介质（岩石、岩体、混凝土构筑物）发射声波，在一定的空间距离上接收介质物理特性调制的声波，通过观测和分析声波在不同介质中的传播速度、振幅、频率等声学参数，解决一系列岩土工程中的有关问题。超声波测试在地质勘察中得到广泛应用，如岩体、土体结构特征评价及强度分类；岩体、土体的弹性力学参数、静力学参数测定；岩体岩面爆破、灌浆等施工质量的检查等，如图1。

图1 声波测试原理

2 声波野外测试

九龙水库地质勘察钻孔声波测试共测试了17个钻孔，基岩测试总长618m，观测点3090个，所用仪器为国产RSMSY6型声波测试仪，探头为一发双收式，声波测试时，把探头放入钻孔中的测试位置，仪器的发射机通过发射探头发射超声波，经水的耦合，到达井壁沿井壁传到两接收换能器Ⅰ和Ⅱ，其初至时间分别为t1（μs），和t2（μs），这样根据两接收探头的距离，按式（1）算出测试点处的波速Vp。

式中 Vp为岩石波速；L1为两接收换能器间距；△T为波传播的初至时间差。

测试时把探头放入井底，然后自下而上逐点观测，测试点距为0.2m，如图2。

图2 测试工作方法

3 声波室内测试

对取样做室内试验的钻孔岩样 （断面已打磨水平）抽取42块，用RSMSY6声波仪及平面换能器进行了室内岩块声波试验，部分钻孔岩块的试验成果如表1。

表1 钻孔岩块室内声波测试成果

续表1

4 岩体完整性的判别

用表1的测试结果，取用中厚层灰岩试块测试值较高几个岩样试块的纵波波速的平均值5700m/s，作为新鲜完整岩样的纵波波速Vpr，根据式（2）计算出测试段岩体的完整性系数：

式中 Kv为岩体完整性系数；Vp为测试段岩体的纵波波速；Vpr为相对新鲜完整岩样的纵波波速。

利用岩体完整性系数分类表，对声波测试钻孔的岩体进行完整程度分类，如表2。

表2 岩体完整性系数分类

5 利用声波纵波波速划分岩体风化带界限

利用声波波速值划分风化程度与地质目力鉴别风化程度大致相同，其中有些岩体目力鉴别为弱风化，声波划分为强风化。

综合地质资料及本次测试的结果，利用公式（2）计算得出波速值划分岩体风化带的标准，如表3。

表3 声波纵波波速划分岩体风化带界限

在所测试17个钻孔中，所测试段地质值班人员目力鉴定的风化界限与声波值分类确定的界限大致相同，除JL3-11、JL3-21、JL4-4、JL4-5钻孔岩体相对较完整程度高，其他钻孔较破碎处较多，最多为14处。地质值班人员目力鉴定的风化层次只能由强风化岩到弱风化岩，在弱风化岩中虽然有破碎的岩体也不再定为强风化岩，但是声波值是对岩体完整性的客观反映，在弱风化岩体中如果存在节理裂隙较发育的破碎带时，波速值一般与强风化的波速值一样低，这就存在利用波速值判定风化强度时弱风化带中存在强风化的现象。同样也存在地质值班人员目力鉴定的风化层为强风化或弱风化，但是根据波速值判定为弱风化或微风化的现象。

6 钻孔声波测试成果

本次共测试了17个钻孔，列出其中一个孔的成果，如表4。

表4 JL3-1号孔声波测试成果

续表4

7 结语

（1）本次测试基本达到了预期目的，利用纵波波速对建筑物区的基岩进行了风化程度的划分，其结果与地质值班人员目力鉴别大致相同，但每个钻孔都有几处或者多处不一致的地方，这主要是由于声波波速值是由岩体的岩性、风化程度、完整程度等多种因素决定的。

（2）从声波波速值随钻孔深度变化的曲线图上看到：一般情况岩芯获得率、RQD值高的纵波波速值一般偏高。而岩芯获得率、RQD值较低的部分及构造、裂隙明显张裂地段，一般会有较低的纵波波速值出现。

（3）岩体声波测试对岩体中较大的裂隙等反映明显，可以给地质、设计提供进一步的佐证。

［1］河北省水利水电勘测设计研究院.曲靖市沾益县九龙水库可行性研究阶段钻孔声波测试物探成果报告［R］.2014.

［2］钱绍瑚.地震勘探［M］.北京：中国地质大学出版社，1989.

［3］GB 50021—2001，岩土工程勘察规范［S］.

［4］楚泽函.声波测井原理［M］.北京：石油工业出版社，1987.

［5］孙成栋.岩石声学测试［M］.北京：地质出版社，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

顾维举（1979-），男（汉族），河北枣强人，工程师，主要从事工程物探勘察工作，（Tel）13752432016。