钻孔声波及全景图像在灌浆质量检测中的应用

余凯

摘要：本文以灌浆质量检测为实例，介绍了声波成像和钻孔全景成像原理，然后以某水电站灌浆为例子，通过单孔声波测试结果，分析了破碎带的大小范围，并通过钻孔全景成像验证了分析是否正确，确定了灌浆质量的高低，为灌浆质量检测提供了依据。

Abstract： Based on the detection of grouting quality as an example， this paper introduces the principle of acoustic imaging and borehole panoramic imaging， and grouting of the hydropower station as example， through the single-hole sonic test results， analyzes the scope of the size of the fracture zone， and is verified by borehole panoramic imaging analysis is correct， the quality of grouting is determined，Provide the basis for the detection of grouting quality.

关键词：单孔声波；钻孔全景图像；灌浆

Key words： single-hole sonic；borehole panoramic imaging；grouting

中图分类号：P631.8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）26-0150-02

0 引言

灌浆质量通常是对比灌浆前后声波速度高低及变化值来进行评价。通过灌浆前后声波和钻孔全景图像的结合分析，由声波低速带范围能大致估算破碎带的分布范围，通过全款全景图像能反过来验证低速带范围的推测是否正确，并能检验灌浆后破碎带是否减小，为灌浆效果提供依据。

1 检测方法与技术

1.1 单孔声波测试

声波速度是反映岩体物理力学性质的重要指标，它与控制岩体质量的一系列地质要素有着密切关系，不仅取决于岩石本身的强度，而且当声波穿透裂隙岩体时，往往会产生不同的断面效应，导致波速降低。这种散射现象与岩体结构的发育程度、组合形态、裂隙宽度及充填物质有关。利用声波资料可以划分岩体质量级别，圈定软弱岩带的空间分布形态。钻孔声波测试就是利用岩层声速的差异，以水作为耦合剂将声波由探头的发射器传向地层，又由地层传到接收器，若没有水或其它井液，声波测井将无法进行；当钻孔中有套管时，由于金属套管的高速屏蔽而失去了探测地层的作用。测量点距为0.2m，自下而上逐点测量。单孔测试探头采用一发双收装置，发射与接收换能器均在同一孔中，在无套管并有水耦合的前提下进行测试。

单孔声波探测技术的基本原理是利用其发射频率很高的声波和超声波，声波通过洞中水向四周传播，声波在孔壁的岩体中产生的折射波以岩体波速沿着孔壁滑行，仪器中的两个接收器换能器先后接受到沿着孔壁滑行的折射波。然后利用以下的公式能算出岩体中的波速：

VP=L/Δt

式中：VP为岩体的纵波速（m/s）；L为两接收器换能器S1和S2的间距（m）；Δt为S1和S2间纵波的时差（s）。

目前在工程中单孔声波测井两接收器换能器的接收间距一般是0.2m。在实际测量中，在测井的孔径变化不大的情况下，测得的声波速度VP基本反映了在该段0.2m的岩体内的平均速度。

1.2 钻孔全景图像

钻孔全景图像是一种通过电视信号成图直接获取地下信息的一种检测方法，能取得精确和丰富的岩体资料，具有直观性、精确性等优点。它可以对深部岩体进行评价，基本比通过钻孔取芯得到的岩体的质量要好；能够划分地层结构；确定软弱泥化夹层；检查断层、裂隙、破碎带；观察地下水活动状况位置等提供直观的资料，同时通过获得精确和直观的钻孔全景图像信息，与地质资料和钻探等结合可以得出钻孔取芯缺失部位的信息，还能弥补声波测试结果。目前，该方法已广泛应用于地质勘探和工程检测中。

钻孔全景图像方法采用DSP图像采集与处理技术，配合高效图像处理算法，实时采集孔内全景图像，并可将输出结果输出成图。

2 检测区基岩岩石物性参数

在某水电站前期的地质调查及物性参数的调查中，确定了该水电站左右岸所涵盖的岩体依次为角砾集块熔岩、含斑玄武岩、致密状玄武岩、斑状玄武岩。根据引发水电系测试区已有的声波资料揭示，角砾集块熔岩声波速度主要分布在4000～5200m/s之间；含斑玄武岩声波速度主要分布在4200～5400m/s之间；致密状玄武岩声波速度主要分布在4400～5800之间；斑状玄武岩声波速度主要分布在4300～5700m/s之间。

3 应用实例

3.1 灌浆前声波测试曲线

通过对观测孔进行声波灌浆前测试后如图1所示，得到该观测孔灌浆前的不同深度的原始声波曲线。通过对声波原始的曲线进行解释，可以进行岩体分类、分段和评价。

由图可见在0～10m的区间内，岩体的完整性好，声波波形平缓。在10m以上，声波速度有两个大范围跳动的区间，第一个区间是在10.5m～14m左右，第二个区间是在16.5～19.5左右。由于弹性波速度与岩体结构和地质构造有着密切关系，分布的断层和节理裂隙，改变了岩体结构，波速随岩体结构的类型不同而有所差异。弹性波速度与岩体的风化、卸荷关系较为明显，波速随着风化强度、卸荷深度和蚀变程度的减弱而提高。弹性波速度与地应力状态密切相关，高应力区岩体结构紧密，波速也高；应力释放后卸荷岩体结构松弛，波速随之降低。弹性波速度与地下水状况的关系，表现为水饱和的岩体波速较高，干燥的岩体波速偏低。总之，弹性波速度与岩体质量的关系具有一定的规律，波速随岩体质量的优劣存在着可量化的级差。因此，这两个声波波速大范围跳动的区间的岩体应是风化、卸荷或蚀变程度较高的区间。

3.2 灌浆前钻孔全景图像分析

测试孔WD16-P03钻孔全景图像部分区段圖像由图2所示。由图2可以看出：该测试孔11.1～11.8m，12.5～14m，17.3～17.17.8m处为破碎带，破裂明显，岩体的完整性较差，与图2的声波曲线分析结论一致。

通过对同一测试孔的钻孔全景图像的分析，不但直接反应了地下岩体的情况，而且证明了声波测试方法的准确性。

3.3 灌浆前和灌浆后声波测试曲线（图3）

通过灌浆前与灌浆后的声波曲线可以看出，与灌浆前相比，灌浆后声波速度大小跳动的范围减小，在4.5～8m之间灌浆后的速度得到了一定的提升，在10～14m之间灌浆后速度得到了极大的提升。灌浆后观测孔的声波平均速度较灌浆前升高，灌浆前声波的平均速度为4786m/s，灌浆后声波的平均速度为5182m/s，说明了灌浆效果十分明显。

4 结论

通过对某水电站岩体单孔声波的测试资料的处理和分析，掌握了破碎带的大致范围和规模，并通过钻孔全景图像，印证了破碎带的存在与规模。同时说明了可以通过声波曲线和钻孔全景图像来确定地下岩体的灌浆的效果。

参考文献：

[1]雷宛，肖宏跃，钟韬，唐力.灌浆质量检测的声波CT法及其与综合检测效果的对比[J].

[2]钟韬. 几种岩体灌浆质量检测方法比较[A]. 中国地球物理学会.中国地球物理学会第22届年会论文集[C].中国地球物理学会，2006：1.