管波探测法(培训教材)

培训教材管波探测法广东省地质物探工程勘察院饶其荣李学文电邮:[e-mail]、[e-mail]目录1.基本原理.......................................................................................................................................11.1方法概述............................................................................................................................11.2理论基础............................................................................................................................11.2.1管波.........................................................................................................................11.2.2管波的波散现象.....................................................................................................21.2.3管波的质点运动规律与能量分布.........................................................................31.2.4管波传播过程的能量衰减和频率变化.................................................................31.2.5管波的反射.............................................................................................................41.2.6管波的激发（产生）.............................................................................................41.2.7管波探测法的探测范围、分辨能力及探测精度.................................................41.3应用前提............................................................................................................................52.管波探测方法与技术...................................................................................................................52.1工作装置............................................................................................................................52.2仪器设备............................................................................................................................52.3野外工作方法....................................................................................................................62.4数据的处理与解释方法....................................................................................................62.4.1数据的处理.............................................................................................................62.4.2数据的解释.............................................................................................................72.4影响因素..........................................................................................................................103.应用与效果.................................................................................................................................113.1应用范围..........................................................................................................................113.2工程实例..........................................................................................................................134.结束语.........................................................................................................................................175.参考文献.....................................................................................................................................18-1-1.基本原理1.1方法概述管波探测法是在钻孔中利用“管波”这种特殊的弹性波，探测孔旁一定范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体的具有自主知识产权的最新孔中物探方法，是“中国创造”的物探方法。管波探测法主要应用于灰岩地区嵌岩桩基础的探测，一般是在桩位超前钻探或详细勘探阶段进行。它利用桩位中心的一个钻孔，通过在孔液中产生管波，接收并记录其经过孔液和孔旁岩土体传播的振动波形，来探测孔旁一定范围内的岩溶、软弱夹层及裂隙带的发育分布情况，可快速查明基桩直径范围内的地质情况、评价基桩持力层的完整性，指导基桩设计和施工。其有效探测半径可达2.0m。管波探测法具有可靠性高、异常明显、分辨能力强、精度高、工期短、易于解释、仪器设备投资少、探测费用低等优点。管波探测法由饶其荣、李学文在长期从事岩溶勘察的工作实践中发明，于2006年获得国家发明专利（专利号：ZL200310112325.0），2007年被广东省建设厅列入“广东省建设行业科技成果推广项目”。2004年，广东省地质勘查局地质科学研究基金资助了“管波探测法应用研究”项目，开展了管波探测的理论、管波对不良地质体的探测有效性、有效探测半径和技术方法的研究。2006年4月7日，该项目通过了由广东省地质勘查局组织，有中国地质调查局、北京市水电物探研究所、中山大学、广东省水利水电科学研究院、广东省地质勘查局参加的评审专家组评审验收。并获得了2006年度广东省地质勘查局地质科技成果一等奖和2006年度广东省科技成果二等奖。1.2理论基础1.2.1管波根据弹性波理论，根据波动传播空间的不同，将弹性波分为体波和界面波两类。体波包括横波（剪切波）、纵波（压缩波）等，在无限或半空间中传播。界-2-面波包括瑞利波、斯通莱波、勒夫波等，仅在波阻抗界面附近传播。当相互接触的两种介质一种是流体另一种是固体时，流体的振动会在两种介质的分界面附近产生沿界面传播的界面波，称做广义的瑞利波（Rayleighwaves）。在液体填充的孔内及孔壁上，广义的瑞利波沿孔的轴向传播，称作管波（Tubewaves）。常见的管波有两种类型：斯通莱波（Stoneleywaves）和准瑞利波（或称伪瑞利波）。管波探测法使用的波动为斯通莱波（Stoneleywaves）。1.2.2管波的波散现象斯通莱波和准瑞利波，这两种波都有波散特性，相速度随频率的不同而变化。在横波波速高于流体纵波波速的介质（高速介质）中，斯通莱波有轻微的波散现象。在低频端，斯通莱波的相速度和群速度都接近孔内流体的纵波波速的0.9倍。在高频端，斯通莱波的波速趋于围岩中的横波速度。准瑞利波具有明显的波散特性，并有一个最低频率，低于该频率的准瑞利波不存在，在该频率处其速度等于围岩的横波速度Vsr。在充填液体的硬质岩石钻孔中，这个最低频率约为10kHz。因而准瑞利波具有低截特性。在高频端，准瑞利波的波速趋于围岩中的横波速度。图1为按孔液纵波波速归一化后的斯通莱波和准瑞利波的频散特性图。从图1可以见，当频率低于10kHz以下，准瑞利波就不存在了。根据实测的管波资料，管波频率在100Hz～5000Hz范围，仅有斯通莱波存在。图1广义的瑞利波的频散特性-3-1.2.3管波的质点运动规律与能量分布斯通莱波沿钻孔的轴向传播，具有前推式质点运动轨迹，质点运动轨迹为椭圆。图2为斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及振动幅度示意图。其径向位移是连续的，在井壁处最大，在井壁外呈指数衰减。其轴向位移不连续，孔液中很大，在井壁外呈指数衰减。根据研究，管波能量集中在以钻孔中心为中心，半径为1.5个波长的范围内。1.2.4管波传播过程的能量衰减和频率变化斯通莱波沿钻孔的轴向传播过程中，能量衰减慢、频率变化小。经历一定距离的传播，管波能量依然很强。经历一定距离的传播，管波的频谱与管波源的频谱基本一致。图3为实测的管波记录，图中可见，管波的孔底反射和岩面反射经过近10m的双程旅行（旅行路径约20m），其能量和频率基本没有明显变化。图2、斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及振动幅度图3、实测管波记录中的反射管波-4-1.2.5管波的反射与其他的弹性波一样，在波阻抗差异界面处，管波也会产生反射。考虑管波的传播空间，波阻抗差异界面包括：1、孔径变化处；2、液面处；3、孔底；4、孔壁波阻抗差异界面。管波探测法正是利用其中的孔壁波阻抗差异界面的反射，来探测孔旁岩溶及软弱夹层。也就是说，在存在管波反射的位置，必定存在波阻抗差异界面。对灰岩地区，波阻抗差异界面即为孔中、孔旁溶洞边界或软弱夹层顶底界面。管波探测法的原理就是通过分析反射管波的波幅特征，探测波阻抗差异界面，通过对界面的解释，推断孔旁溶洞或软弱夹层的发育情况。1.2.6管波的激发（产生）孔中流体的任何扰动几乎都能产生管波，管波的初始