孔间声波CT 技术的电火花震源设计及应用

丁 朋，付 华，楼加丁，孙永清

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081）

西南地区岩溶发育强烈，存在溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体，具有隐蔽性和不确定性，探测难度较大。钻探方法探测准确，但仅是“一孔之见”，如果密集钻孔，则成本大、工期长。孔间声波CT 技术反映的是两个钻孔之间剖面上的地质特征，分辨率高、成本低，对工程中各种不良地质体如岩溶、陷落柱、裂隙、断裂破碎带、采空区软弱夹层、地下空洞和不明埋设物等具有较好的判断效果［1-2］。岩溶探测采用的孔间声波CT技术普遍使用电火花震源激发声波，与炸药相比，具有安全可靠、绿色环保、能量可控、一致性好、频谱丰富、操作方便等优点［3-4］。

目前，电火花震源的充放电操控普遍采用人工方式。连续充放电次数过多过快时，电容升温较快，容易损坏设备器件，须待冷却后方可再次使用，影响工作效率，且设备较为笨重。放电过程中可能出现残余电压的情况，较高的残余电压存在安全隐患，因此设备需要具备储能电压实时监测和残余电压清零功能。放电瞬间能量释放越集中，激发的声波振幅越大，穿透距离也就越远。常用的高压继电器通断响应时间长达几十毫秒到几百毫秒，能量释放相对分散，需要进一步缩短高压放电开关的通断响应时间，以期达到微秒级。高压放电电极末端容易烧蚀损坏，需要进一步提高使用寿命。基于上述问题，项目组研制了智能可控电火花震源，实现了数字化监测、自动化充放电、无间断连续工作、高效电声转换、余压自动清零、设备经久耐用等功能。

1 基本原理

电火花震源是一种将存储在高压电容器中的电能通过浸没于水中的放电电极瞬间放电产生火花形成振动波的装置，分为充电和放电过程两个工作状态。图1为电火花震源的基本原理示意。

图1 电火花震源基本原理示意

Us 是震源充电系统，充电时开关S1 闭合，开关S2断开，充电系统对电容C充电；充电完成后，开关S1断开，开关S2闭合。电容C通过放电电极瞬间放电，将电极周围的水电离汽化，形成高温高压区，产生冲击波，电能转换成声波能量、部分热能和光能［3-4］。

最大激发能量值是电火花震源最重要的指标，直接关系电火花震源的穿透距离和分辨率。电容蓄能公式为

式中，E 为电容蓄能值；C 为电容容量；U 为电容电压值。

2 设计方案

2.1 总体工作流程

将220V 交流电经过升压整流装置转变为几千伏甚至上万伏的直流高压电，对储能装置进行充电，存储震源激发所用的能量，在储能装置能量蓄积到一定数值后，控制系统通过控制放电装置，将存储在储能装置中的高压电能通过专用电极瞬间放电，在水中通过脉冲大电流，使周围水汽化，形成高温高压区，从而产生冲击波。同时电极放电产生电磁感应信号传至声波采集主机，采集主机同步采集记录电火花震源发射的声波。电火花震源总体工作流程见图2。

图2 电火花震源总体工作流程

2.2 总体设计方案

采用微控制器、LCD显示屏、高压检测模块与其他外围电路相结合的软硬件方式，实现了数字化监测与自动化控制。升压电容和储能电容均采用新型电容器替代传统铝电解电容器，具有重量轻、无极性、能量转换效率高、散热性好等特点，实现了连续激发声波，期间无需冷却，且充电时间明显缩短，大大提升了工作效率，同时电声转换效率显著提高，同等能量级别下透距更大。高压放电控制电路以可控硅、脉冲变压器为核心组件，具有无触点、通断无涌流、投切速度快（高达微秒级）、安全性高等优点。设计手动和断电后余压自动清零电路，确保安全生产。放电探头的放电电极采用同轴圆柱结构，并在放电电极末端使用耐高压、耐高温、耐电弧烧蚀和高导电导热性能的钨铜，发射能量稳定、一致性好、寿命长。

3 设备介绍

电火花震源主要由控制箱及放电探头两部分组成，支持全自动、半自动、手动3 种工作方式。最大蓄能10 000 J，完整基岩中透距可达80 m以上；能量可控，充电时间1～40 s；连续发射次数不受限制，一致性好；放电探头经久耐用。电火花震源结构示意及设备简介见图3。

图3 电火花震源结构示意及设备简介

3.1 设备组成

电火花震源实物见图4。

（1）控制箱。由程控板、升压整流电路、储能器、高压检测电路、高压放电控制电路、同步触发信号发生电路、剩余能量清零电路、保护电路、液晶屏等组成，对系统进行控制和状态监测。

（2）放电探头。由电极固定装置、同轴圆柱放电电极、多孔塑胶套等组成。

图4 电火花震源实物

3.2 控制程序

控制箱中运行的控制程序启动后，将首先显示启动界面，然后自动进入“参数设置界面”。

（1）参数设置界面。系统参数设置均为默认的初始值，可对工作模式（全自动、半自动、手动）、能量级别（放电能量值）、激发间隔（全自动模式下，两次放炮之间的时间间隔）等进行设置，系统参数设置界面见图5。参数设置完毕后，通过旋钮鼠标点击“确定”按钮，进入“运行界面”。

图5 参数设置界面

（2）运行界面。实时显示放炮次数、工作模式、激发间隔、工作状态、蓄电电压、蓄电能量、充电时间、能量级别等信息，工作模式不同，显示的信息会稍有区别。点击面板上的“充电按键”或通过旋钮鼠标点击程序界面上的“充电”按钮，设备将立即启动工作，其中全自动模式下的运行界面见图6。由图可知，本次设置的放电能量级别为2 300 J，每间隔30 s 自动放炮一次。任何工作模式下，充电期间均可通过物理按键或旋钮鼠标，强行中止充电或立即放炮。

图6 全自动工作模式下运行界面

工作结束后，可使用清零按键或旋钮鼠标清除储能电容中剩余的能量。若忘记清零而直接关机，设备亦会通过余压清零电路自动清零。

4 使用方法

电火花震源可与项目组研发的孔间声波CT 仪配套使用，工作示意见图7。

图7 孔间声波CT工作示意

开始观测前，先将两个钻孔注满水，并在放电探头多孔塑胶套内注满食盐水溶液，按照图7 布置并连接设备，使用220V交流发电机或市电为电火花震源供电，电火花震源能量蓄积到一定能量等级（用户自定义阈值）后放电，放电探头瞬间释放能量，使周围介质汽化，形成高温高压区，产生冲击波；同时电火花震源产生同步信号，并通过同步信号电缆发送给采集主机，测定到首波到达的波形后，该组射线对测量完毕。观察该组波形是否正常，如果正常，则移动收发探头开启下一组数据的测量工作，否则对该组数据进行重新测量。整个剖面测量完毕后，将数据录入到室内处理软件，进行首波初至判读和层析成像处理［5］。

图8 波形记录

图8 为某水电站防渗帷幕灌浆后开展声波CT质量检查所获取的部分测量数据。由图可看出，波形干净、初至清晰，提取首波初至时间十分方便。整个剖面所有射线首波初至时间提取完成后，将数据按照特定格式进行编排，然后录入到声波CT处理软件中进行反演，重绘出射线所扫描区域内的岩体波速分布剖面图。一般声波在致密完整岩体中的传播速度较高，而在疏松碎裂岩体、溶洞及岩溶裂隙区等不良地质体波速较低［6］。由岩体波速分布剖面图可较为直观且准确地判定不良地质体的位置、空间分布和形态，为后期工程处理提供可靠的基础资料。

5 工程应用

5.1 工程概况

某水库坝址以上控制流域面积366 km2，正常蓄水位589 m，总库容6 553万m3，坝前抬高水位53 m，年供水能力5 000万m3，可满足水库工程任务，既保证工业园区、县城的供水，又同时兼顾左右岸及下游灌溉及人畜饮水。根据工程规模、工程效益及其在国民经济中的重要性，工程规模为Ⅲ等中型。

坝址左岸主要为溶蚀地貌，右岸为侵蚀低山地貌，河床宽缓，无跌坎、深潭发育。坝址区有多条断层通过。为推动该水库初设阶段工作有序开展，查明坝址区的岩石物理力学参数，需要开展单孔声波、钻孔录像、孔间声波CT等相关物探工作。

5.2 应用成果

对多个钻孔剖面进行了孔间声波CT探测，其中CZK10-CZK11 及CZK30-ZK7 的孔间声波CT 成果见图9和图10。

图9 CZK10-CZK11声波CT成果

图10 CZK30-ZK7声波CT成果

结合图9 与其他物探资料及岩芯资料可知，CZK10-CZK11 剖面强风化岩体以下基岩声波在4 600 m/s以上，在高程505～507 m之间存在低于微风化背景值的区域，解译为岩体破碎区。

结合图10 与其他物探资料及岩芯资料可知，CZK30-ZK7 剖面强风化岩体以下存在一相邻的破碎区域，声波波速在4 600～4 300 m/s，此外在高程485～494 m 之间存在一低于新鲜岩体背景值的区域，解译为岩体破碎区。

6 结 语

智能可控电火花震源设备具有能量精细化控制、数字化监测、自动化充放电、余压自动清零、高效电声转换、初至波清晰、分辨率高、无间断连续工作、工作效率高、经久耐用等特点。该设备可作为孔间声波CT技术的震源，与项目组研制的孔间声波CT 仪配合使用，既能对溶洞、采空区、断层破碎带、松动圈进行精确探测，又能对岩体质量、大体积混凝土质量、地下隐蔽工程质量进行准确检查和评价。设备可广泛应用到水电岩溶勘探、防渗帷幕及堤防隐患探测、建基岩体质量检测、灌浆效果检查等工程物探领域，现已成功应用到多个水电勘探项目和工民建项目，具有解决复杂地质问题的能力，取得了较为显著的经济效益和社会效益。