河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250
摘要：文中单孔声波测试采用的是一发双收装置，反映的是沿孔深方向孔壁附近岩体波速值的变化情况，就垂直孔而言，对缓倾角裂隙等反映灵敏，是反映微观的、局部的测试结果。单孔声波测试可用于测试岩体或混凝土纵波、横波速度和岩体完整性系数，探测不良地质结构、岩体风化带和卸荷带，检测水库等建基岩体质量及灌浆效果等。在水库勘察中的坝轴线钻孔声波测试得到的纵波参数，可以有效判定岩体全、强、弱风化的界限，并且根据钻孔取出的完整新鲜岩芯的纵波速度计算出岩体完整性系数。
关键词：单孔声波测试；风化界限；完整性系数
1工程概况
拟建水库位于太行山东麓，地貌属低山丘陵向山前倾斜平原过渡区。是白马河防洪的唯一控制性工程，控制流域面积248km2,是一座以防洪为主、结合灌溉的型水利枢纽工程。由于河流侧向侵蚀作用，河流靠近南岸，坝址区河谷呈“U”型谷形态，现代河床宽度一般30～50m。坝址区河底高程一般在121.0～126.7m，山顶高程一般在145～163m。最高172m，多呈低丘缓坡状。河流左岸基岩岩性主要为花岗片麻岩，风化剥蚀形成低缓山丘，河流右岸基岩岩性主要为石英砂岩，靠近河岸一侧多形成悬岩峭壁，地形较陡峭。
库区出露地层有太古界赞皇群、震旦亚界长城系、古生界寒武系、奥陶系及新生界第四系松散层等。太古界变质岩构成基底，变质岩上部为古风化壳，与盖层胶结紧密；盖层为震旦亚界长城系石英砂岩，与基底呈角度不整合接触。寒武系、奥陶系为滨海相和浅海相岩层，沉积物以页岩、碳酸盐岩为主，平行不整合于震旦亚界之上。
2工作方法和基本原理
2.1工作方法
单孔声波测试应在无金属套管、有水耦合的钻孔中测试。漏水严重的钻孔，采取分段封堵措施进行逐段测试。声波检测孔须用清水冲洗钻孔，孔内不能有岩屑或掉块，以保证检测探头进出畅通。检测工作开始前应对声波探头进行检查，在注水的专用厚壁金属钢管或水池中校验探头测试的钢管或水的波速，同时还应对电缆标记米数，以便测试进行时校对工作深度。
声波测试使用RSM-SY6超声波检测仪，探头采用一发双收装置，发射器设置在顶端，与第一个接收换能器距离为40cm，两个接收换能器之间的距离为20cm。一般从孔底向孔口测试，点距为0.2m，测试参数设置为高通5kHz、低通60kHz、采样间隔0.5μs、采样长度512、发射脉宽20Hz、发射电压为低压、接收换能器频率f为30kHz。电缆深度标识须准确，检测时每十个点应校对一次。现场采集声波原始波形初至清晰，易于判读。
2.2基本原理
单孔声波测试利用声波在一定距离沿井壁岩体滑行的时间来测定岩体的声波速度，通过仪器分别读取换能器发射极（F）发出的超声波到两个接收器的纵波（滑行波）初至时间t1和t2，而两个接收器的距离Δl为已知，由公式
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（式中t1为发射极到接收器1的纵波初至时间；t2为发射极到接收器2的纵波初至时间）
计算出测试岩体纵波波速，将波速曲线进行合理分段，确定各段纵波波速的平均值。
单孔声波与声波测井是有区别的。单孔声波主要是指声速度动力学参数测试，每个测点都有独立的测试波形。声波测井包括声波测井、声幅测井、全波列测井，其结果是测井曲线，每个测点无独立的波形。
3资料解释
声波测试的成果分析与整理，要求野外测试准确可靠的基础上进行。应通过综合测试资料，反复对比分析，充分考虑地质情况和测试结果的内在联系与可能的干扰因素。成果图应将各测点时间值绘制成纵波速度随孔深变化曲线。
3.1纵波波速的岩体完整性系数计算
完整性系数计算需要对钻孔内取出的新鲜完整的柱状岩芯进行室内纵波测试，计算出相对新鲜完整岩样的纵波波速作为新鲜完整岩石的纵波波速Vpr。根据公式
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(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)
计算出测试段岩体的完整性系数，利用表2岩体完整性系数分类表对声波测试的钻孔的各层岩体进行完整程度分类。
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4成果分析
库区坝轴线共布35个钻孔，基岩岩性主要为花岗片麻岩和石英砂岩。
花岗片麻岩声波纵波波速对岩体完整性的划分：岩体破碎的纵波波速一般小于2193m/s；岩体节理裂隙发育，较破碎的纵波波速一般为2193～3349m/s；岩体节理裂隙较发育，完整性差的纵波波速一般为3349～4205/s，岩体较完整的纵波波速一般为4205～4908m/s；岩体完整的纵波波速一般大于4908m/s。
花岗片麻岩声波纵波波速对岩体风化界限的划分：全风化岩体的纵波波速一般小于2267m/s；强风化岩体的纵波波速一般为2267～3400m/s；弱风化岩体的纵波波速一般为3400～4534/s。
石英砂岩声波纵波波速对岩体完整性的划分：岩体破碎的纵波波速一般小于1998m/s；岩体节理裂隙发育，较破碎的纵波波速一般为1998～3051m/s；岩体节理裂隙较发育，完整性差的纵波波速一般为3051～3830/s，岩体较完整的纵波波速一般为3830～4470m/s；岩体完整的纵波波速一般大于4470m/s。
石英砂岩声波纵波波速对岩体风化界限的划分：全风化岩体的纵波波速一般小于2065m/s；强风化岩体的纵波波速一般为2065～3097m/s；弱风化岩体的纵波波速一般为3097～4130/s。
其中QSZK4号 孔所测试段（12.0～45.0m）岩体大部分呈完整性差及较完整，其中12.0～17.6m破碎，平均纵波波速为1965m/s；17.6～21.6m、21.6～22.2m较破碎，平均纵波波速分别为2612m/s、3255m/s。通过钻孔柱状图显示声波波速判定的岩体风化界限和完整性系数基本吻合钻孔岩芯的获得率和RQD，如图1。
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5结语
左坝肩QSZK1～QSZK5号孔的完整性系数Kv一般为0.38～0.50，岩体大部分完整性差，其中完整性差的部分占比约78%。左岸台地QSZK6～QSZK14号孔的完整性系数Kv一般为0.15～0.35，岩体大部分较破碎，其中完整性差的部分占比约14%。河床QSZK15～QSZK20号孔的完整性系数Kv一般为0.15～0.35，岩体大部分较破碎，其中完整性差的部分占比约23%。右坝肩QSZK21～QSZK23号孔的花岗片麻岩完整性系数Kv一般为0.17～0.35，岩体大部分较破碎，其中完整性差的部分占比约12%。
坝轴线仅右坝肩的QSZK23号孔含石英砂岩，其完整性系数Kv一般为0.2～0.46，岩体大部分完整性差～较破碎，其中完整性差的部分占比约32%，完整的部分占比约24%。
根据完整性系数可知，坝址区基岩大部分完整性差及较破碎。
本次测试基本达到了预期的目的，利用纵波波速对库区坝轴线的基岩进行了完整性和风化岩体的划分。
参考文献
[1] 雷宛，肖宏跃，邓一谦. 工程与环境物探教程[M]. 北京：地质出版社，2006.
论文作者:汤博
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/25
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