CN110988122B - 一种适用于上倾钻孔声波测试的分段式耦合装置及方法 - Google Patents

一种适用于上倾钻孔声波测试的分段式耦合装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置及使用方法，其特征在于，包括换能器悬浮气囊、封堵气囊、伞骨式弹簧钢片、进水管、进水管外套管、供水***。本发明能够保证在上倾孔中的声波测试的顺利、高效进行，解决上倾孔中声波测试的耦合难度大的问题，避免换能器与孔壁的直接接触，避免水资源的浪费，方便拆卸及携带，满足狭小洞室内钻孔的测试需求，保证上倾孔声波测试结果的真实性和准确性。

Description

一种适用于上倾钻孔声波测试的分段式耦合装置及方法
技术领域
本发明涉及一种可适用于上倾方向的钻孔中进行声波测试的分段式耦合装置及使用方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
岩体声波测试是指通过人工激发一定频率的弹性波在岩体结构中传播并由对应的接收器接收，通过记录并分析接收器接收到的波动信号来间接获取岩体物理力学性质及构造特征等信息，为岩土工程进行服务。
在实际的岩体声波测试过程中，必须保证发射换能器(探头)和接收换能器(探头)必须与钻孔孔壁之间通过耦合介质耦合良好，采用向钻孔内灌入清水的方法应用最为广泛，这种方法在垂直向的钻孔内可行，但在上倾方向的钻孔内应用时难度较大，很难保证换能器与孔壁的耦合。即使采用高水压持续注水的方法，也难以保证换能器完全处在耦合环境中，造成水资源大量浪费的同时，高水压水流的冲击无法保证换能器的稳定，造成换能器与孔壁的直接接触，直接影响探测结果。
为了解决上倾孔声波测试的耦合问题，有人提出了使用充水的气囊、弹性胶囊水套等包裹换能器帮助耦合的装置及方法，此类方法的缺陷在于：没有根本解决换能器与孔壁的耦合问题，实际工程实践中证明，气囊等材料的包裹会影响声波的传播，造成测试误差，影响探测结果，此外，容易出现气囊卡在钻孔内的情况，影响测试的进行。
其次，在有角度的倾斜钻孔中进行声波测试时，还面临着另一问题：由于重力原因，换能器会与孔壁直接接触，无法保证其声波测试结果的真实性和准确性。
发明内容
本发明的目的是解决上述不足，提出了一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置及使用方法。本发明能够保证在上倾孔中的声波测试的顺利、高效进行，解决上倾孔中声波测试的耦合难度大的问题，避免换能器与孔壁的直接接触，避免水资源的浪费，方便拆卸及携带，满足狭小洞室内钻孔的测试需求，保证上倾孔声波测试结果的真实性和准确性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置，包括换能器悬浮气囊、换能器、封堵气囊、伞骨式弹簧钢片、进水管、进水管外套管和供水***；
所述的换能器悬浮气囊与换能器之间通过柔性细线连接，柔性细线长度h＜r－l，其中r为换能器悬浮气囊最大半径，l为换能器的高度；所述的封堵气囊为环形扁平状气囊，中间通孔允许进水管穿过，且中间通孔四周设置有橡胶止水带；所述的封堵气囊、钻孔孔壁和换能器悬浮气囊形成一个封闭空间，换能器位于该密闭空间内，所述的进水管的一端与所述的供水***相连，另外一端延伸到所述的封闭空间内；所述的伞骨式弹簧钢片一端固定在封堵气囊底部，另外一端与进水管管壁相连，所述的外套管套装在进水管外，进水管可带动伞骨式弹簧钢片在进水管外套管内自由上下滑动。
作为进一步的技术方案，所述的换能器悬浮气囊为球形充气气囊，其最大半径小于声波测试钻孔半径1-2cm。
作为进一步的技术方案，所述的换能器悬浮气囊竖向最大外缘处胶结有裙摆状环形止水带，止水带母线长3cm-5cm。
作为进一步的技术方案，所述的封堵气囊竖向最大外缘处胶结有倒裙摆状环形止水带。
作为进一步的技术方案，所述的伞骨式弹簧钢片包括至少有四个弹簧钢片，弹簧钢片呈弧线形，一端胶结在封堵气囊底部，一端焊接在进水管上；
作为进一步的技术方案，所述的进水管外套管内设空腔，且设有螺旋状滑槽，进水管顶部设有半球状凸起，半球状凸起与滑槽相吻合。通过凸起在滑槽内滑动，进水管可以带动伞骨式弹簧钢片在进水管外套管内自由上下滑动；
作为进一步的技术方案，所述的进水管外套管、进水管均为多节，换能器信号电缆线内置于进水管中，节与节之间可通过螺纹连接，并根据不同测试深度要求进行连接；
作为进一步的技术方案，所述的供水***包括变频水泵、供水管、水压表、水箱以满足不同水压的供水要求。
作为进一步的技术方案，所述的一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置的使用方法包括：
步骤1：根据目待测钻孔长度逐节连接进水管及进水管外套管，沿进水管外套管滑槽向下旋转进水管，收缩伞骨式弹簧钢片及封堵气囊至方便进入待测试钻孔尺寸；
步骤2：将本装置伸入钻孔待测试位置后，沿进水管外套管滑槽向上旋转进水管，最大限度伸展伞骨式弹簧钢片，保证封堵气囊与钻孔壁紧密接触；
步骤3：将供水管与进水管连接后调试供水***；
步骤4：根据钻孔深度合理控制供水压力进行供水，封堵气囊上倒裙摆状环形止水带在水的作用下贴紧钻孔壁进一步保证封堵效果，换能器悬浮气囊在浮力作用下带动换能器逐渐浮起；
步骤5：水压稳定后进行该测点的声波测试，测试完成后关闭供水***，沿进水管外套管滑槽向下旋转进水管，收缩伞骨式弹簧钢片及封堵气囊，移动至下一个测点；
步骤6：重复步骤4、5直至钻孔内所有测点的测试结束，拆卸进水管及进水管外套管，清洗干净后装箱。
本发明的有益效果是：
本发明能够保证在上倾孔中的声波测试的顺利、高效进行，解决上倾孔中声波测试的耦合难度大的问题，通过分段式封堵的方式，为换能器创造了良好的耦合环境的同时避免了水资源浪费，最大程度保证上倾孔声波测试结果的真实性和准确性。
通过收缩与伸展伞骨式弹簧钢片及封堵气囊方便该装置在上倾钻孔内的进退，避免气囊卡在上倾钻孔内，且无需多次重复对气囊进行充气、放气；
通过水的重力作用，使得封堵气囊上倒裙摆状环形止水带与钻孔壁贴紧，防止封堵气囊与钻孔壁之间的缝隙的漏水，配合封堵气囊的作用最大程度保证封堵效果，从而保证了换能器的耦合环境；
换能器悬浮气囊在浮力作用下，使得换能器能在倾斜的钻孔内保持居中，有效避免换能器与钻孔壁的接触，保证测试效果的准确性。
通过分节连接进水管及进水管外套管的方式，极大提高了该装置的灵活性，方便携带及拆卸，满足狭小硐室内钻孔声波测试的需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1是本发明的整体结构示意图；
附图2是进水管及伞骨式弹簧钢片示意图；
附图3是进水管外套管剖面图；
附图4是进水管及伞骨式弹簧钢片俯视图；
附图5是封堵气囊示意图；
附图6是裙摆状环形止水带示意图；
为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。其中：换能器悬浮气囊1、裙摆状环形止水带2、柔性细线3、换能器4、换能器信号电缆线5、倒裙摆状环形止水带6、封堵气囊7、伞骨式弹簧钢片8、进水管9、半球状凸起10、进水管外套管11、螺旋状滑槽12、变频水泵13、供水管14、水压表15、水箱16。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1、图2、图3所示，一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置，包括换能器悬浮气囊1、封堵气囊7、伞骨式弹簧钢片8、进水管9、进水管外套管11、供水***；
换能器悬浮气囊1与换能器4之间通过柔性细线连接，所述的封堵气囊7、钻孔孔壁和换能器悬浮气囊1形成一个封闭空间，换能器4位于该密闭空间内，所述的进水管9的一端与所述的供水***相连，另外一端延伸到所述的封闭空间内；所述的伞骨式弹簧钢片一端固定在封堵气囊底部，另外一端与进水管管壁相连，所述的外套管套装在进水管外，进水管可带动伞骨式弹簧钢片在进水管外套管内自由上下滑动。
每个部件的具体结构如下：
所述的换能器悬浮气囊1与换能器4之间通过柔性细线3连接，柔性细线3长度h＜r－l(r为换能器悬浮气囊1最大半径，l为换能器4的高度)，保证换能器不与孔壁发生接触，换能器悬浮气囊1为球形充气气囊，其最大半径小于声波测试钻孔半径1到2cm，避免充气气囊卡在钻孔中；换能器4通过换能器信号电缆线5与地面的声波测试主机相连。
所述的换能器悬浮气囊1竖向最大外缘处胶结有裙摆状环形止水带2，进一步的，裙摆状环形止水带2母线长3-5cm；止水带过长的话粘附在孔壁，会影响声波信号的传播，过短时影响堵水效果。
如图5所示，所述的封堵气囊7为环形扁平状封闭气囊，中间的通孔允许进水管9穿过，且中间通孔四周设置有橡胶止水带；进水管9一端与供水管14相连，进水管9的另外一端延伸到换能器4所在的密闭空间内。所述的封堵气囊7竖向最大外缘处胶结有倒裙摆状环形止水带6；
所述的伞骨式弹簧钢片8包括至少有四个弹簧钢片，弹簧钢片呈弧线形，一端胶结在封堵气囊7的底部，一端焊接在进水管9的侧壁上；在本实施例中，设置个四个弹簧钢片，如图2所示。
所述的进水管外套管11内设空腔，且设有螺旋状滑槽12，进水管外套管11套装在进水管9的外圈，进水管9侧壁上设有半球状凸起10，(具体的参见图2中，凸起位于进水管的中上部)半球状凸起10与滑槽12相吻合。通过半球形凸起10与螺旋状滑槽12的配合，进水管9可以带动伞骨式弹簧钢片8在进水管外套管11内自由上下滑动；不难理解的，在其他实施例中，半球状凸起10还可以由螺旋状的凸起代替，进水管外套管11与进水管之间通过螺纹配合，实现两者之间的相对运动。
进一步的，所述的进水管外套管11、进水管9均为多节，换能器信号电缆线5内置于进水管9中，节与节之间可通过螺纹连接，并根据不同测试深度要求进行连接；
所述的供水***包括变频水泵13、供水管14、水压表15、水箱16以满足不同水压的供水要求，具体的如图1所示，水箱16通过变频水泵13与供水管14相连，且供水管14上安装有水压表15；供水装置供水的目标是使换能器4所在的那部分钻孔的孔壁和封堵气囊7、换能器悬浮气囊1以及设置的止水带形成的圆柱状的一个密闭空间，通过供水装置向圆柱形的空间内供水，使换能器4处在水里；换能器4是声波测试装置的一个探头，换能器4发射声波信号，被另外一个钻孔里的换能器接收，换能器的导线接的是地面的声波测试主机，实现声波测试。
作为进一步的技术方案，所述的一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置的使用方法包括：
步骤1：根据目待测钻孔长度逐节连接进水管9及进水管外套管11，沿进水管外套管滑槽12向下旋转进水管9，收缩伞骨式弹簧钢片8及封堵气囊7至方便进入待测试钻孔尺寸；
步骤2：将本装置伸入钻孔待测试位置后，沿进水管外套管滑槽12向上旋转进水管9，最大限度伸展伞骨式弹簧钢片8，保证封堵气囊7与钻孔壁紧密接触；
步骤3：将供水管14与进水管9连接后调试供水***；
步骤4：根据钻孔深度合理控制供水压力进行供水，封堵气囊7上倒裙摆状环形止水带6在水的作用下贴紧钻孔壁进一步保证封堵效果，换能器悬浮气囊1在浮力作用下带动换能器4逐渐浮起；
步骤5：水压稳定后进行该测点的声波测试，测试完成后关闭供水***，沿进水管外套管滑槽12向下旋转进水管9，收缩伞骨式弹簧钢片8及封堵气囊7，移动至下一个测点；
步骤6：重复步骤4、5直至钻孔内所有测点的测试结束，拆卸进水管9及进水管外套管11，清洗干净后装箱。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置，其特征在于，包括换能器悬浮气囊、封堵气囊、伞骨式弹簧钢片、进水管、外套管、供水***；所述的换能器悬浮气囊与换能器之间通过柔性细线连接，所述的封堵气囊为环形扁平状气囊，中间通孔允许进水管穿过，且中间通孔四周设置有橡胶止水带；所述的封堵气囊、钻孔孔壁和换能器悬浮气囊形成一个封闭空间，所述的进水管的一端与所述的供水***相连，另外一端延伸到所述的封闭空间内；所述的伞骨式弹簧钢片一端固定在封堵气囊底部，另外一端与进水管管壁相连，所述的外套管套装在进水管外，进水管可带动伞骨式弹簧钢片在进水管外套管内自由上下滑动；根据钻孔深度合理控制供水压力进行供水，封堵气囊上倒裙摆状环形止水带在水的作用下贴紧钻孔壁进一步保证封堵效果，换能器悬浮气囊在浮力作用下带动换能器逐渐浮起。
2.如权利要求1所述的一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置，其特征在于，所述的换能器悬浮气囊为球形充气气囊，其最大半径小于声波测试钻孔半径1到2cm。
3.如权利要求1所述的一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置，其特征在于，所述的换能器悬浮气囊竖向最大外缘处胶结有裙摆状环形止水带。
4.如权利要求1所述的一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置，其特征在于，所述的换能器通过换能器信号电缆线与地面的声波测试主机相连；换能器信号电缆线内置于进水管中。
5.如权利要求1所述的一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置，其特征在于，所述的封堵气囊竖向最大外缘处胶结有倒裙摆状环形止水带。
6.如权利要求1所述的一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置，其特征在于，所述的伞骨式弹簧钢片包括至少有四个弹簧钢片，弹簧钢片呈弧线形，一端胶结在封堵气囊底部，一端焊接在进水管上。
7.如权利要求1所述的一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置，其特征在于，所述的外套管内设空腔，且设有螺旋状滑槽，进水管侧壁上设有半球状凸起，半球状凸起与滑槽相吻合。
8.如权利要求1所述的一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置，其特征在于，所述的进水管外套管、进水管均为多节，节与节之间可通过螺纹连接，并根据不同测试深度要求进行连接。
9.如权利要求1所述的一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置，其特征在于，所述的柔性细线长度h＜r－l，其中r为换能器悬浮气囊最大半径，l为换能器的高度。
10.如权利要求1-9任一所述的一种适用于上倾孔声波测试的分段式耦合装置的使用方法，其特征在于，
步骤1：根据目待测钻孔长度逐节连接进水管及进水管外套管，沿进水管外套管滑槽向下旋转进水管，收缩伞骨式弹簧钢片及封堵气囊至方便进入待测试钻孔尺寸；
步骤2：将本装置伸入钻孔待测试位置后，沿进水管外套管滑槽向上旋转进水管，最大限度伸展伞骨式弹簧钢片，保证封堵气囊与钻孔壁紧密接触；
步骤3：将供水管与进水管连接后调试供水***；
步骤4：根据钻孔深度合理控制供水压力进行供水，封堵气囊上倒裙摆状环形止水带在水的作用下贴紧钻孔壁进一步保证封堵效果，换能器悬浮气囊在浮力作用下带动换能器逐渐浮起；
步骤5：水压稳定后进行该测点的声波测试，测试完成后关闭供水***，沿进水管外套管滑槽向下旋转进水管，收缩伞骨式弹簧钢片及封堵气囊，移动至下一个测点；
步骤6：重复步骤4、5直至钻孔内所有测点的测试结束，拆卸进水管及进水管外套管，清洗干净后装箱。
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