岩体弹性波测试中超声波与地震波速度差异研究

2018-07-18许强

水利规划与设计 2018年6期

许强

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 0000000)

弹性波测试技术作为工程物探的一种技术方法具有快速、简便、经济、便于大面积测试等优点，近年来在水工建筑、基础岩体及硐室围岩分类中得到广泛应用。通过对工程岩体的弹性波测试，可以获取其原始状态下的速度值，再配合一定的室内试验就能全面取得岩体物理力学参数值，进而对工程岩体进行质量评价，为设计、施工提供可靠的定量或准定量的依据。

通常应用于测试的弹性波为两种，即地震波(n×10～n×102Hz)和超声波(n×103～n×106Hz)。在实际工作中，对同一测区，两种频率差别明显的弹性波速度往往不一致，且普遍声波速度高于地震波速度。

弹性波测试中的地震测井和单孔声波测井工作原理相近，数据采集简便易行，数据质量可靠性高，因而被广泛应用。岩体完整性系数是评价岩体完整性的重要指标之一，其准确性至关重要，通过地震测井和单孔声波测井采集得到岩体波速(纵波速度)，经过一系列计算即可得到岩体完整性系数。但是在实际工作中，通过地震测井和单孔声波测井得到的岩体波速往往有一定差异，并且其差异量随着岩体完整性的不同而变化。

在一些规程规范中，明确提出在计算岩体弹性力学参数时，应把岩体的声波速度换算成地震波速度，如TB 10013- 2010《铁路工程物理勘探规程》(规程中未详细给出速度转换的方法)，但是也有很多规程规范，未提出此类要求，如SL 326- 2005《水利水电工程物探规程》。如果不把岩体的声波速度换算成地震波速度就进行岩体力学参数计算，得到的计算值同应用地震波速度计算得到的计算值有一定的出入。

之前已经有学者针对地震波速度和声波速度差异做过一定的研究[1]，且给出了在其工区的速度差异值，或者提供了一定的线性折减系数[2]，但是对折减后的声波速度未作进一步的应用。

本文将以实际工程采集到的地震波速度值和声波速度值为出发点，提出将声波速度换算成地震波速度的非线性经验公式，并应用折减后的声波速度值计算岩体的完整性系数。

1 地震测井及单孔声波测井原理

地震测井工作原理：地震测井全称为垂直地震剖面技术(Vertical seismic profiling，简称VSP)，它又包括地面激发，井中接收；井中激发，地面接收；跨井激发接收等不同布置方式，本文所述的地震测井以VSP测井中的地面激发，井中接收类型为例。

VSP测井主要利用直达波进行速度分析，测量原理如图1所示。地层平均层速度的计算方法，由于存在一定的偏移距，需要对初至时间作偏移距校正。平均速度按以下公式计算：

(1)

式中，Vai—地层平均速度；X—激发点至井口的距离；Hi—观测点深度；Ti静校正后拾取的下行波初至时间。

地层层速度：

(2)

式中,Vni—Hi到Hi+1地层层速度。

图1 地震VSP测井与单孔声波测井工作原理图[3]

单孔声波测井工作原理：测井仪器在井中由发射探头发射频率为20kHz左右的声波，分别沿路径ABCE和ABCDF传播，如图1所示。由于地层的声速V2大于水的声速V1，声波在二者的界面产生折射，由声波在界面折射产生的滑行波传播到两个接收探头R1和R2，其接收时刻分别为t1和t2，两个探头的间隔R1-R2除以两个时刻的声差t1-t2,(R1-R2)/(t1-t2),即为该段地层的速度。

2 实例分析

2.1 辽宁某工程场地岩体声波速度和地震波速度实例

辽宁某工程场地同时应用上述两种方法，得到地震测井和单孔声波测井数据，提取其中具有代表性一段数据见表1。从表1中可以看到，岩体声波速度和地震波速度有一定差异，且随着速度值的增大，波速差异值也相应增大。

结合岩芯鉴定结果与规范规程，找到波速测试曲线新鲜岩段的速度值(通常为波速测试采集到的最大值)，即为新鲜岩速度值，本工程声波新鲜岩速度取值6500m/s，地震波新鲜岩速度取值5720m/s。在取得新鲜岩速度值后，依据表2计算岩体完整性系数。

表1 辽宁某工程场地岩体声波速度和地震波速度表

表2 岩体完整性系数分类表[4]

2.2 速度差异产生原因理论分析

当弹性波在介质内传播时，其速度与介质本身的物理力学性质有着密切的关系。当传播介质为理想弹性介质时，根据波动方程[5]可以导出：

(3)

式中，μ—剪切模量，λ—拉梅系数，ρ—介质密度。

而实际岩体是近似于理想弹性介质的弹性粘滞介质，对弹性波有一定的吸收作用。当不计外力作用时，在弹性粘滞介质中的波动方程[6]为：

(4)

(5)

(1)若波频率很高，如声波，满足η′ω>>(λ+2μ)，则

(6)

表3 折减后声波速度和地震波速度及完整性系数表

注：V原—声波折减前速度，V折—声波折减后速度，V地—地震波速度，KV原—声波折减前完整性系数，KV折—声波折减后完整性系数，KV地—地震波完整性系数。

(2)若波频率很低，如地震波，满足η′ω<<(λ+2μ)，则

(7)

由以上两个公式可以得出，在非理想弹性介质中波的传播速度是不同的，主要是受到自身频率的影响。当频率较低，如地震波时，其传播速度接近于理想弹性介质中的数值；当频率较高时，如声波时，其传播速度与η×ω的平方根成正比。

2.3 声波速度折减经验公式总结

经过对地震测井和单孔声波测井的大量数据对比分析后，发现如下现象，声波速度略高于地震波速度，它们的差异呈现单向非线性变化，岩体越完整，差异越大，岩体越破碎，差异越小。声波速度与地震波速度在岩体接近新鲜岩时差异最大，在岩石特别破碎时，差异较小，速度值基本趋于一致。因此，笔者提出如下经验公式，将声波速度换算成地震波速度。

(8)

式中,V折—声波折减后速度，V原—声波折减前速度。

折减之后的声波新鲜岩速度同地震波新鲜岩速度取值相同，均为5720m/s，声波折减前后的速度、地震波速度、及完整性系数见表3，弹性波速度曲线图见图2。从表3和图2可以看出，经过折减之后的声波速度同地震波速度更为接近，且依据折减后声波速度计算出来的岩体完整性系数同依靠地震波速度计算出来的岩体完整性系数也更为接近。