飞凤山滑坡单孔声波测试异常问题分析

张子森

摘 要：单孔声波探测是通过探测声波在岩体内的传播特征来研究岩体性质及其完整性的物探方法。由于受到野外工作条件的限制，加之声波测试人员对测试原理、规范不了解，局部或整体波速的测试数据出现了异常。这些测试结果对评价岩体的完整性、质量等造成了一定的影响。因此，结合飞凤山滑坡勘查的实测声波和钻探资料，从测试的操作方法、仪器参数的选择、试验操作、数据处理等方面分析了测试异常问题，对相关问题进行了探讨，并提出了相应的解决措施。

关键词：单孔声波测试；传播特征；物探方法；实测声波

中图分类号：TV223.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.014

声波速度是反映岩土体物理力学性质的重要参数指标。单孔声波测试是岩土工程勘查的重要原位物探测试项目，具有操作方便、安全性高的优点，已成为解决岩土工程领域相关问题的有效手段之一。采用单孔声波测井，可利用纵波速度确定松动范围、划分风化带、评价岩体的完整性、解释软弱夹层或破碎带、计算岩体相关的动力学参数等。

1 项目概况

本次单孔声波测试异常分析以飞凤山滑坡勘查为例，项目所在地位于四川省广元市利州区八二一厂内的拟建飞凤山低中放固体废物处置场南侧边坡。强降雨导致飞凤山边坡失稳下滑。在对飞凤山的滑坡勘查工作中，采用单孔声波测试方法对岩体波速进行了测试，对岩体的完整性、质量等相关工程地质问题进行了研究。

在此次单孔声波测试中，遇到了一些问题，比如采样参数设置不合理、因测试孔未清洗而导致耦合水体混杂、人为操作不精确、首波判别不正确等。因此，笔者阐述了单孔声波测试的原理、异常问题及其处理措施等，并提出了相关的方法和建议，从而提高勘查水平。

2 单孔声波的测试原理

声波在岩体中的传播遵循弹性波的传播规律。声波在岩体中传播时，在界面上会产生波的透射、折射和反射现象。

声波仪由发射装置和接收装置两部分组成。发射装置即发射换能器（T），接收装置即接收换能器（R1和R2）。孔内滑行波以临介角i入射井壁，并产生滑行波沿孔内耦合剂（水）传播。由于声波在钻孔内耦合剂（水）中的速度小于在岩石内的传播速度，因此，滑行波最先到达R1和R2。滑行波形成信号波形的初始起跳一般称为“初至（首波）“，如图1所示。

本次飞凤山滑坡勘查单孔声波测试使用RSM-SY5（T）一发双收声波检测仪。R1与R2之间的距离l为0.2 m，T与R1之间的距离L为0.4 m。

3 单孔声波测试异常问题分析

根据飞凤山滑坡勘查多个钻孔声波测试结果分析可知，波速只有在岩体结构与岩性有明显变化的试段会产生明显变化，因此，整个测试孔的岩体结构与岩性的明显变化是局部的。从整体看，在全孔数据中有2种异常现象：①波速曲线沿孔深轴整体异位；②波速曲线沿波速轴整体下降或上升。根据野外实际测试和室内数据处理，总结出了以下4种造成数据异常的原因。

3.1 仪器采样参数

在测试前，必须进行仪器的校正和参数设计。一旦设置错误或参数不准确，则造成声波曲线整体上升或下降；如果移距、增益的设置不合理，则易导致声波曲线整体上升或下降。

3.1.1 移距

R1与R2间距离即移距，因此，移距应为0.2 m。由于测试者常不了解移距或忽略移距设置，因此，根据式（1），移距过大或过小都会造成波速曲线整体上升或下降。

3.1.2 增益

增益是波形的放大倍数。R1和R2各有一个通道，由于通道2传播的距离远、受干扰多，一般设置通道2的增益大于通道1.在测试前，应在采样环节观察波形是否合适。如果波形不合适，则应在参数设置界面重新设置增益。一旦一个通道的增益过小，则会造成测点首波判读错误，导致声时差整体变大或变小，进而造成声波曲线整体上升或下降。

3.2 测试孔耦合剂

根据声波测试的折射原理和声波在不同介质中的传播速度，一般采用清水作为耦合剂。这就要求在钻孔钻进完毕后清洗测试孔。如果洗孔效果较差，则易导致孔内进入水与泥浆的混合物。悬浮颗粒物的声纳探测资料表明，悬浮颗粒对声能有吸收作用，声能的损耗会导致声波波速和波幅的降低，进而导致波速普遍偏慢。在本次勘查中，在未洗孔时试验了一次，洗孔后又试验了一次，两次波速曲线的对比如图2所示。通过洗孔前、后波速曲线的对比可知，洗孔前、后出现了波速曲线整体下降的异常现象。

3.3 人工操作

本次测试装置的移距为0.2 m，每次采样获取的为图1中l长度范围内的岩体波速。当一个测点测试完成后，测试人员需要将测线向上提0.2 m，但测试人员无法保证每次移距均为0.2 m，这样很可能造成采样偏差。根据与岩心资料的对比，在岩体较完整段的波速值比破碎段的低，声波曲线沿孔深轴的整体移动即曲线异位现象。如果检测人员的提线速度过快或过慢，或与声波仪操作人员的步调不一致，也会造成试验结果整体错位。在ZK22测试完成后发现，数据与岩心有偏差；重新测试后发现，第一次波速曲线与第二次波速曲线有明显的异位现象，如图3所示。

3.4 试验数据的处理

岩体弹性纵波频率高、衰减快。在波形曲线上表现为高频率、低振幅的特点。技术人员在室内用单孔声波测试软件对测试数据进行处理的关键是对首波的判读。但岩体欠完整试段波形的首波很难判读，弹性纵波衰减幅度大，不易识别和观察，技术人员常将井液直达波初至误当作岩体纵波初至拾取。直达波到达接收换能器的时间较晚，导致时差变大，根据式（1），这样会造成测试的波速曲线整体下降或在局部段升、降。

4 单孔声波异常的处理对策

单孔声波异常的处理对策分为以下4点：①对于仪器参数的设置，测试人员应深入研究单孔声波的测试原理和仪器说明书，再根据地质情况设置合理的仪器参数，以得到精确的纵波速度。②对于测试孔耦合剂，技术人员应与钻探人员有效沟通，充分做好试验前期洗孔工作。如果不具备清洗的清水，则需要等24 h，即孔内泥浆等浑浊物沉淀后再测试。③对于野外试验操作，提线人员应与仪器操作人员密切合作，尽量保证测试一次测完，以确保测试的准确性。④对于室内数据处理问题，应分清井液直达波与首波，并结合岩心地质资料正确地拾取首波。对于无法判别的首波，应适当放大或缩小波形，并结合岩心准确地判断首波位置。

5 结束语

通过分析单孔声波的测试原理和飞凤山滑坡勘查声波测孔遇到的异常问题可知，声波测试的主要问题为声波曲线的异位和声波曲线的整体升降。造成异常的主要原因是参数设置的不合理、耦合剂太浑浊、野外测试操作不规范、数据处理不合理等。在野外测试中，应尽量突破客观条件的限制，尽量做到试验每个步骤的规范、准确；测试人员应充分利用地质钻探资料，并做好测试前期的准备工作。只有这样，才能提高岩土勘测的技术水平。单孔声波测试是岩土勘查中使用较为广泛的测试方法之一，测试人员要深入理解单孔声波的测试原理，并重视对工程地质学、弹性波动力学、岩土力学等的学习，这是做好单孔声波测试的关键。

参考文献

[1]邓娜.西南地区高坝水电站地球物理探测技术应用研究（以大渡河双江口水电站为例）[D].成都：成都理工大学，2014.

[2]苑书金，于常青.各向异性介质中的弹性阻抗及其反演[J].地球物理学进展，2006，2l（2）.

[3]陈仲候，王兴泰，杜世汉.工程与环境物探教程[M].北京：地质出版社，1993.

[4]黄玉鹏，张琳.声波技术在岩溶地区勘察中的应用[J].西部探矿工程，2010（7）.

[5]彭临慧，王桂波.中国近海悬浮颗粒物海水声波衰减[J].声学学报，2008，33（5）.

[6]陈益杰，程光贵.单孔声波测试及其工程应用中应注意的几个问题[J].物探与化探，2012，36（1）.

〔编辑：张思楠〕