CN103837604B - 一种岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法，适用于***开挖工程中岩石***开挖损伤声波监测的声波孔内发射换能器和接收换能器之间的跨距修正。爆前声波孔测量放样得到的A、B两孔口坐标分别为A(x_a,y_a,z_a)、B(x_b,y_b,z_b)，爆后清理出开挖后的残余声波孔孔口，测量放样得到的A、B两孔口坐标分别为Aˊ(xˊ_a,yˊ_a,zˊ_a)、Bˊ(xˊ_b,yˊ_b,zˊ_b)。利用公式<maths num="0001"></maths>（其中：η＝x_b+(x_b-xˊ_b)t_bi-x_a-(x_a-xˊ_a)t_ai,ξ＝y_b+（y_b-yˊ_b)t_bi-y_a-（y_a-yˊ_a)t_ai,ψ＝z_b+(z_b-zˊ_b)t_bi-z_a-(z_a-zˊ_a)t_ai）可以精确计算得到此时发射换能器和接收换能器间的实际距离。本发明不需要测量声波检测孔的倾角和倾向，只需要借助工程已有的***前后声波监测孔的孔口坐标，即可对跨距进行修正，不会增加额外的工作量和设备，操作简便，精确可靠。本发明提出的跨距修正方法的计算公式简洁，更易于计算和编程植入声波测试分析软件。

Description

一种岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法

技术领域

本发明属于水利水电工程、交通和矿山等领域，具体涉及一种岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法，适用于岩石***开挖损伤声波监测的发射换能器和接收换能器之间的跨距修正。

背景技术

水利水电工程、交通、矿山等领域的基础***开挖时，通常会对建基面以下的岩体存在着不同程度的损伤。目前主要是采用声波法进行***前后的对比测试，确定***破坏范围，评定建基面岩体开挖质量。岩体***损伤范围的声波测试是通过检测声波在***前后的岩体中的传播速度或衰减规律，分析岩体内部结构状态，力学参数及破坏程度等指标的一种测试技术，以评价***效果并反馈指导***设计。

跨孔声波测试技术是利用声波直接穿透介质来探测岩体内部的测试方法，是一种既简单、效果又最好的测试方法，是目前声波测试的最基本方法之一。这种方法发射换能器和接收换能器的电声或声电的能量装换效率高，在岩体中穿透能力强、探测范围大，干扰因素较少、波形简单、起跳点清晰、各类波形易于辨别，因此，超声波跨孔测试技术在确定岩石***松动圈范围等领域具有广泛的应用。超声波跨孔测试技术中发射换能器和接收换能器之间的跨距准确与否非常关键，否则误差会比较大，甚至造成误判。

对于跨孔声波测试技术，都会碰到一个很实际的问题，就是如何确定跨距，即两孔中任意到孔口等距离的两点的空间距离，也就是任意时刻发射换能器和接收换能器之间的距离。绝大多数情况下，工程技术人员往往采用简单化的方法，以两个孔口距离代替两孔内同深度点的距离，其前提条件是两个孔的倾角和倾向必须高度一致，然而，即使是非常专业的施工队伍所造的孔，也很难达到这一条件。所以在岩体声波测试过程中经常会发现***前、***后基岩表面声波测试孔孔口之间的距离不一致，而且差别还比较大，这意味着实际两声波测试孔之间的空间位置关系并非平行。这就会产生一个严重的问题，由于跨距不准确而使波速计算不准确，可能导致作出完全错误的判断。

有部分工程技术人员采取测孔斜的方法来校正跨距，但声波测试孔的孔径一般较小，而测斜仪直径较大，难以实现；而且又要添加电子罗盘和测斜仪等设备，既不经济，又很繁琐。而且在工作现场条件下，倾向是比较难准确测定的，所以这种方法有很大局限性。因此有必要提出一种简单易行、精确实用的声波测试的跨距修正方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单易行、计算精确的岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法，可用于岩石***开挖损伤声波监测的发射换能器和接收换能器之间的跨距修正。

本发明提供的岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法，包括以下步骤：

（1）在爆区表面钻两个平行的斜向声波测试孔A、B，穿过爆区到达保留预裂面，声波测试孔穿过预裂面的深度大于7米，进行清孔；

（2）***前对声波测试孔进行测量放样，确定两孔口坐标A(x_a,y_a,z_a)、B(x_b,y_b,z_b)；

（3）***前跨孔声波测试：分别将发射换能器和接收换能器置入A、B两孔内，并保证发射换能器和接收换能器距孔口的距离相同，在两孔充满水的状态下操作声波检测仪进行检测，读数并记录声波速度v_i1以及发射换能器和接收换能器间的时差t_i；

（4）将发射换能器和接收换能器移动到下一检测位置，任意两个相邻检测位置具有相同的间距l，重复***前跨孔声波测试步骤，直至检测完毕；检测完毕将声波测试孔内灌满细沙，对声波测试孔进行保护；

（5）***后清理爆渣，并将声波测试孔内的细沙用高压风吹出，然后对声波测试孔进行测量放样，确定***后两孔口坐标A'(x'_a,y'_a,z'_a)、B'(x'_b,y'_b,z'_b)；

（6）***后跨孔声波测试：分别将发射换能器和接收换能器置入A、B两孔内，并保证发射换能器和接收换能器距孔口的距离相同，在两孔充满水的状态下操作声波检测仪进行检测，读数并记录声波速度v_i2以及发射换能器和接收换能器间的时差t_i；

（7）将发射换能器和接收换能器移动到下一检测位置，任意两个相邻检测位置具有相同的间距l，重复***前跨孔声波测试步骤，直至检测完毕；

（8）进行跨距修正：发射换能器和接收换能器在第i个测点时的修正后的实际跨距公式中η、ξ、ψ分别表示为：η＝x_b+(x_b-x'_b)t_bi-x_a-(x_a-x'_a)t_ai、ξ＝y_b+（y_b-y'_b)t_bi-y_a-（y_a-y'_a)t_ai、ψ＝z_b+(z_b-z'_b)t_bi-z_a-(z_a-z'_a)t_ai；其中

$t_{\mathrm{ai}}=\frac{-\sqrt{{(x_a-x_{\mathrm{ai}})}^2+{(y_a-y_{\mathrm{ai}})}^2+{(z_a-z_{\mathrm{ai}})}^2}}{\sqrt{{(x_a-x_a^{\&prime;})}^2+{(y_a-y_a^{\&prime;})}^2+{(z_a-z_a^{\&prime;})}^2}},t_{\mathrm{bi}}=\frac{-\sqrt{{(x_b-x_{\mathrm{bi}})}^2+{(y_b-y_{\mathrm{bi}})}^2+{(z_b-z_{\mathrm{bi}})}^2}}{\sqrt{{(x_b-x_b^{\&prime;})}^2+{(y_b-y_b^{\&prime;})}^2+{(z_b-z_b^{\&prime;})}^2}}.$

所述的第一次跨孔声波测试在***前1～2天进行。

所述的声波检测仪为非金属超声波检测仪。

所述的间距l为20cm。

本发明所述的用于岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法，主要原理如下：

假设***前声波测试孔测量放样得到的A、B两孔口坐标分别为A(x_a,y_a,z_a)、B(x_b,y_b,z_b)，如图1所示。***后清理出开挖后的残余声波测试孔孔口，测量放样得到的A、B两孔口坐标分别为A'(x'_a,y'_a,z'_a)、B'(x'_b,y'_b,z'_b)。

由空间解析几何，两点可以唯一确定一条直线。由于声波测试孔一般不会超过40m，所以可以不考虑钻杆在自重作用下弯曲的影响，声波测试孔沿轴向可以认为是空间直线。A、B两个声波测试孔所在的直线分别记作L_A、L_B直线。

直线L_A过点A(x_a,y_a,z_a)、A'(x'_a,y'_a,z'_a)，方向向量为则直线L_A的参数方程为 $\left\{\begin{array}{c}x=x_a+(x_a-x_a^{\&prime;})t\\ y=y_a\text{+}(y_a-y_a^{\&prime;})t\\ z=z_a+(z_a-z_a^{\&prime;})t\end{array}\right.,$ 其中t为系数。

假设换能器移动到孔内某处A_i(x_ai,y_ai,z_ai)时，距离孔口的距离为l_ai(可以由拉绳上孔口处的刻度直接确定)，i为第i个测点。

A_i(x_ai,y_ai,z_ai)满足直线L_A的参数方程，即

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ai}}=x_a+(x_a-x_a^{\&prime;})t_{\mathrm{ai}}\\ y_{\mathrm{ai}}=y_a+(y_a-y_a^{\&prime;})t_{\mathrm{ai}}\\ z_{\mathrm{ai}}=z_a+(z_a-z_a^{\&prime;})t_{\mathrm{ai}}\end{array}\right.,$

显然，z_a＞z_ai,z_a＞z'_a，那么t_ai＝(z_ai-z_a)/(z_a-z'_a)＜0。

$l_{\mathrm{ai}}=\left|{\mathrm{AA}}_i\right|=\sqrt{{(x_a-x_{\mathrm{ai}})}^2+{(y_a-y_{\mathrm{ai}})}^2+{(z_a-z_{\mathrm{ai}})}^2},$

即 $l_{\mathrm{ai}}=-t_{\mathrm{ai}}\sqrt{{(x_a-x_a^{\&prime;})}^2+{(y_a-y_a^{\&prime;})}^2+{(z_a-z_a^{\&prime;})}^2},$

$t_{\mathrm{ai}}=\frac{-l_{\mathrm{ai}}}{\sqrt{{(x_a-x_a^{\&prime;})}^2\text{+}{(y_a-y_a^{\&prime;})}^2+{(z_a-z_a^{\&prime;})}^2}};$

把t_ai带入直线方程中可以求出第i个测点时换能器在孔内某处的具体坐标A_i(x_ai,y_ai,z_ai)。

同理B声波孔内第i个测点时换能器在孔内某处的具体坐标B_i(x_bi,y_bi,z_bi)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{bi}}=x_b+(x_b-x_b^{\&prime;})t_{\mathrm{bi}}\\ y_{\mathrm{bi}}=y_b+(y_b-y_b^{\&prime;})t_{\mathrm{bi}}\\ z_{\mathrm{bi}}=z_b+(z_b-z_b^{\&prime;})t_{\mathrm{bi}}\end{array}\right.,$ 其中： $t_{\mathrm{bi}}=\frac{-l_{\mathrm{bi}}}{\sqrt{{(x_b-x_b^{\&prime;})}^2+{(y_b-y_b^{\&prime;})}^2+{(z_b-z_b^{\&prime;})}^2}};$ 那么，发射换能器和接收换能器在第i个测点时的修正后的实际跨距

也可以表示成以下形式：

其中，上式中η、ξ、ψ分别表示为：η＝x_b+(x_b-x'_b)t_bi-x_a-(x_a-x'_a)t_ai、ξ＝y_b+（y_b-y'_b)t_bi-y_a-（y_a-y'_a)t_ai、ψ＝z_b+(z_b-z'_b)t_bi-z_a-(z_a-z'_a)t_ai。

考虑声测管壁和水对声时的延迟其中，D为声波检测孔的直径；d为换能器管的外径；d_s是换能器管壁的内径；V_p为水的波速，常数，一般取1500m/s；V_w为能换器管壁材料的波速，常数，一般取5800m/s。

声波检测仪为非金属超声波检测仪，发射与接收换能器***延迟时间t₀和声测管及耦合水层声时修正值t′，即零声时T₀＝t₀+t'，

则实际声时t_ci＝t_i-T₀=t_i-t₀-t'，

那么经过修正后岩体实际声波速度为：

本发明***前、***后测量放样得到的声波测试孔孔口的两个坐标就可以唯一确定该声波孔的空间直线方程。从而可以求出每次上升或下降到某一深度（由拉线的刻度确定）时发射换能器和接收换能器具***置的空间坐标，进而可以精确计算得到此时发射换能器和接收换能器的实际距离，实现对跨距的修正。只需实际跨距和非金属超声波检测仪采集的声时，即可计算出岩体的声波速度。

本发明提出的岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法与传统方法相比有如下优点和有益效果：

（1）传统方法通过测孔斜来校正跨距，由于声波测试孔一般孔径较小，传统的方法需要采用电子罗盘和测斜仪，然而测斜仪这种设备直径较大，难以实现，而且又要添加设备，既不经济，又很繁琐；本发明无需测量声波测试孔的倾角和倾向，只需借助工程已有的***前后声波测试孔的孔口坐标，即可对跨距进行修正，不会增加额外的工作量和设备，更加高效便捷。

（2）相对于倾向和倾角测量，坐标参数的测量方法更加成熟和精确，采用坐标参数进行跨距的修正会更加精确。

（3）本发明提出的跨距修正方法的计算公式简洁，更易于计算和编程植入声波测试分析软件。

附图说明

图1为岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法原理图；其中，六面体MNDCEFGH表示的部分——***挖除的岩体；点A——***前声波测试孔A的孔口位置；点B——***前声波测试孔B的孔口位置；点A'——***后声波测试孔A的孔口位置；点B'——***后声波测试孔B的孔口位置；空间直线AA'——声波测试孔A；空间直线BB'——声波测试孔B；A_i(x_ai,y_ai,z_ai)，A_i'(x_ai',y_ai',z_ai')——***前后声波测试孔A内第i个测点时换能器的位置的空间坐标；B_i(x_bi,y_bi,z_bi)，B_i(x_bi,y_bi,z_bi)——***前后声波测试孔B内第i个测点时换能器的位置的空间坐标。

图2为岩石***损伤跨孔声波测试示意图；其中，1，发射换能器；2，接收换能器；3，声波测试孔A；4，声波测试孔B；5，发射换能器导线及拉绳；6，接收换能器导线及拉绳；7，声波测试孔；8，岩体；9，水。

图3为岩石***损伤跨孔声波测试中跨距修正流程图；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

跨孔声波测试中跨距修正的基本流程如附图3所示，具体实施步骤为：

（1）在爆区表面钻两个平行的斜向声波测试孔A、B，穿过爆区到达保留预裂面，声波测试孔穿过预裂面的深度大于7米，进行清孔。

（2）***前对声波测试孔进行放样测量，确定两声波测试孔的孔口坐标A(x_a,y_a,z_a)、B(x_b,y_b,z_b)。

（3）***前1～2天进行第一次跨孔声波测试，连接好发射换能器和接收换能器和非金属超声波检测仪，其连线如图2所示；将发射换能器和接收换能器分别置于两个非金属超声波检测仪底部，并保证发射换能器和接收换能器距孔口的距离相同（可根据拉绳上的刻度进行确定），向声波测试孔注水至钻孔口有水流出，关小注水阀门，保持孔口有水流出即可，以保证下次检测时有水流出；操作非金属超声波检测仪进行检测，读数并记录声波速度v_i1以及发射换能器和接收换能器间的时差t_i。

（4）将发射换能器和接收换能器移动到下一检测位置，任意两个相邻检测位置相距是固定值，一般是20cm，具体可根据工程设计要求来确定：如果工程对测试精度要求较高，这个固定值可以取较小值，如10cm；如果工程对测试精度要求并不高，这个固定值可以取较大值，如30cm；对于一般工程，这个距离通常是取20cm。重复***前跨孔声波测试步骤，直至检测完毕；检测完毕将声波测试孔内灌满细沙，对声波测试孔进行保护；

（5）***后清理爆渣使工作面露出，将声波测试孔中的细沙用高压风吹出，进行***后的声波测试。

（6）***后对声波测试孔进行放样测量，确定***后两孔口坐标A'(x'_a,y'_a,z'_a)、B'(x'_b,y'_b,z'_b)。

（7）进行***后跨孔声波测试：将发射换能器和接收换能器分别置于两个声波检测孔底部，并保证发射换能器和接收换能器距孔口的距离相同，向声波测试孔注水，保持孔口有水流出即可；操作非金属超声波检测仪进行检测，读数并记录声波速度v_i2以及发射换能器和接收换能器间的时差t_i；将发射换能器和接收换能器移动到下一检测位置，任意两个相邻检测位置相距20米，重复***后跨孔声波测试步骤，直至检测完整个声波测试孔。

（8）进行跨距修正：发射换能器和接收换能器在第i个测点时的修正后的实际跨距公式中η、ξ、ψ分别表示为：η＝x_b+(x_b-x'_b)t_bi-x_a-(x_a-x'_a)t_ai、ξ＝y_b+（y_b-y'_b)t_bi-y_a-（y_a-y'_a)t_ai、ψ＝z_b+(z_b-z'_b)t_bi-z_a-(z_a-z'_a)t_ai；其中

$t_{\mathrm{ai}}=\frac{-\sqrt{{(x_a-x_{\mathrm{ai}})}^2+{(y_a-y_{\mathrm{ai}})}^2+{(z_a-z_{\mathrm{ai}})}^2}}{\sqrt{{(x_a-x_a^{\&prime;})}^2+{(y_a-y_a^{\&prime;})}^2+{(z_a-z_a^{\&prime;})}^2}},t_{\mathrm{bi}}=\frac{-\sqrt{{(x_b-x_{\mathrm{bi}})}^2+{(y_b-y_{\mathrm{bi}})}^2+{(z_b-z_{\mathrm{bi}})}^2}}{\sqrt{{(x_b-x_b^{\&prime;})}^2+{(y_b-y_b^{\&prime;})}^2+{(z_b-z_b^{\&prime;})}^2}}.$

（9）处理***前后的声波数据：根据发射与接收换能器的***延迟时间t₀和声测管及耦合水层声时修正值t′，得到零声时T₀＝t₀+t'，则实际声时t_ci＝t_i-T₀=t_i-t₀-t'，经过修正后岩体实际声波速度

Claims (4)

1.一种岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在爆区表面钻两个平行的斜向声波测试孔A、B，穿过爆区到达保留预裂面，声波测试孔穿过预裂面的深度大于7米，进行清孔；

(2)***前对声波测试孔进行测量放样，确定两孔口坐标A(x_a,y_a,z_a)、B(x_b,y_b,z_b)；

(3)***前跨孔声波测试：分别将发射换能器和接收换能器置入A、B两孔内，并保证发射换能器和接收换能器距孔口的距离相同，在两孔充满水的状态下操作声波检测仪进行检测，读数并记录声波速度v_i1以及发射换能器和接收换能器间的时差t_i；

(4)将发射换能器和接收换能器移动到下一检测位置，任意两个相邻检测位置具有相同的间距l，重复***前跨孔声波测试步骤，直至检测完毕；检测完毕将声波测试孔内灌满细沙，对声波测试孔进行保护；

(5)***后清理爆渣，并将声波测试孔内的细沙用高压风吹出，然后对声波测试孔进行测量放样，确定***后两孔口坐标A'(x'_a,y'_a,z'_a)、B'(x'_b,y'_b,z'_b)；

(6)***后跨孔声波测试：分别将发射换能器和接收换能器置入A、B两孔内，并保证发射换能器和接收换能器距孔口的距离相同，在两孔充满水的状态下操作声波检测仪进行检测，读数并记录声波速度v_i2以及发射换能器和接收换能器的时差t_i；

(7)将发射换能器和接收换能器移动到下一检测位置，任意两个相邻检测位置具有相同的间距l，重复***后跨孔声波测试步骤，直至检测完毕；

(8)进行跨距修正：发射换能器和接收换能器在第i个测点时的修正后的实际跨距公式中η、ξ、ψ分别表示为：η＝x_b+(x_b-x'_b)t_bi-x_a-(x_a-x'_a)t_ai、ξ＝y_b+(y_b-y'_b)t_bi-y_a-(y_a-y'_a)t_ai、ψ＝z_b+(z_b-z'_b)t_bi-z_a-(z_a-z'_a)t_ai；其中 $t_{ai}=\frac{-\sqrt{{(x_a-x_{ai})}^2+{(y_a-y_{ai})}^2+{(z_a-z_{ai})}^2}}{\sqrt{{(x_a-x_a^{\&prime;})}^2+{(y_a-y_a^{\&prime;})}^2+{(z_a-z_a^{\&prime;})}^2}},t_{bi}=\frac{-\sqrt{{(x_b-x_{bi})}^2+{(y_b-y_{bi})}^2+{(z_b-z_{bi})}^2}}{\sqrt{{(x_b-x_b^{\&prime;})}^2+{(y_b-y_b^{\&prime;})}^2+{(z_b-z_b^{\&prime;})}^2}},$ 式中，(x_ai,y_ai,z_ai)为***前声波测试孔A内第i个测点Ai时探头位置的空间坐标；(x_bi,y_bi,z_bi)为***前声波测试孔B内第i个测点Bi时探头位置的空间坐标。

2.根据权利要求1所述的一种岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法，其特征在于，第一次跨孔声波测试在***前1～2天进行。

3.根据权利要求1或2所述的一种岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法，其特征在于，所述的声波检测仪为非金属超声波检测仪。

4.根据权利要求3所述的一种岩石***损伤跨孔声波测试中跨距的修正方法，其特征在于，所述的间距l为20cm。