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1、.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: AV、L精品.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72.4.1 数据的处理72.4.2 数据的解释72.4 影响因素103.应用与效果
2、113.1 应用范围113.2 工程实例134.结束语175.参考文献18精品.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。
3、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、
4、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。精品.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（Rayleigh waves）。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，
5、称作管波（Tube waves）。常见的管波有两种类型：斯通莱波（Stoneley waves）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（Stoneley waves）。图1 广义的瑞利波的频散特性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
6、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。精品.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100Hz5000Hz范围，仅有斯通莱波存在。图2、斯通莱波传播过程中质点的运动轨迹及振动幅度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
7、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，管波能量依然很强精品.。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3、实测管波记录中的反射管波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
8、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。精品.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，管波的初始频率与管波的频率相同。为此，现在的管波探测法采用超磁致震源等发射脉冲振动的振动源作为震源，并且在脉冲发射的瞬间作为计时的零
9、点开始采集。根据前述广义的瑞利波的波散特性，在现有的管波频率范围100Hz5000Hz内，脉冲振动绝大部分能量转换为斯通莱波。1.2.7 管波探测法的探测范围、分辨能力及探测精度根据波动理论中的半波长理论，管波探测法的探测范围为以钻孔中心为圆心，半径为0.4的圆柱状空间,其中为管波波长。考察管波探测时间剖面，各钻孔中管波的波长有所差异，大体上，约为1.52.5m，管波探测法的探测半径约为0.61.0m。管波探测法可有效分辨大于0.3米的孔旁洞穴，对洞穴的定位误差小于0.3米，具有非常高的垂向探测精度。1.3 应用前提管波探测法的应用前提是：1、发射和接收器必须工作在有液体的钻孔内；精品.2、包
10、围不良地质体的介质为高速介质。高速介质是指其剪切波波速大于孔液的压缩波速度（水的压缩波速度约为1500m/s）；3、管波探测法一般应用于灰岩岩溶的探测。图4、管波探测法的探测装置2.管波探测方法与技术2.1 工作装置根据管波的传播特性及孔中的测试环境，管波探测法的探测装置如图4。图中发射仪器产生的发射脉冲信号通过发射换能器S转换成振动脉冲，在孔壁周围产生管波，管波沿钻孔轴向向上及向下传播，接收换能器R首先接收到直达管波。沿钻孔轴向传播的管波在波阻抗差异界面（孔径变化处、液面处、孔底、孔壁波阻抗差异界面）处发生反射和透射，反射管波由接收换能器R接收。2.2 仪器设备管波仪器设备包括发射机、发射换
11、能器、接收换能器、记录仪器等部分。其中发射机为能量输出设备，一般采用电容充电，通过电子开关瞬间接通放电的形式工作，要求单次放电量大于100焦耳即可。发射换能器可用超磁致伸缩棒包装的换能器，或采用涡流驱动的铝板等将电脉冲转化成机械脉冲的换能器。接收换能器一般采用压电陶瓷水听器，如超声波测桩的水听器即可。精品.记录仪器采用频率宽度大于100Hz3000Hz，AD转换器大于16位的测振仪器即可。2.3 野外工作方法野外工作时，采用自激自收观测系统。保持发射换能器S和接收换能器R之间的距离恒定（一般为60cm）。S、R的中点作为深度零点，按0.1m的测点间距，自下而上地进行逐点测试。采样间隔0.200
12、.25ms，记录长度1024点。图5、管波探测法观测系统图5为自激自收观测系统示意图。采用这种观测系统，来自不同界面的反射管波在时间空间域得以分离，便于解释。图中每一条振动曲线，为一个测点的振动记录，图中共图示了20个测点。图中直达管波D、孔底反射R、溶洞底界反射Rd和溶洞顶界反射Ru可在时空域分离。精品.2.4 数据的处理与解释方法2.4.1 数据的处理时间剖面的处理较简单，一般进行去零飘处理即可，切忌进行振幅平衡处理。管波探测法测试得到的记录为自激自收的时间剖面，为了显示方便，一般采用伪彩色剖面形式。显示方式为，采用红色表示正相位振幅，采用蓝色表示负相位振幅，采用白色表示零相位。振幅越大，
13、颜色越浓，振幅越小，颜色越淡。2.4.2 数据的解释管波探测法资料的解释包括两个步骤：1、确定分层界面。2、对分层进行地质解释。其中确定分层界面的方法为：1、寻找反射管波同相轴，根据同相轴的时距关系确定对应的界面深度；根据现有观测系统，反射管波的同相轴为视速度稳定的倾斜波组。当岩土层中不存在波阻抗差异界面或界面两侧波阻抗差异不大时，管波时间剖面中只有与（平行于钻孔轴线的）空间轴平行的直达波组，无明显的反射波组（剖面中的倾斜波组）。当岩土层中存在明显的波阻抗差异界面时，管波时间剖面中除存在明显的直达波组外，还存在明显的反射波组，即剖面中的倾斜波组。根据现有观测系统，波阻抗差异界面的深度为反射管波
14、同相轴时距曲线与零时间的交点对应的深度；精品.2、根据管波反射同相轴的视速度变化，确定界面深度。反射同相轴视速度变化的突变点对应的深度即为界面深度；根据上述方法确定了分层界面后，根据管波的波速、幅度、频率确定分层界面之间岩土层的类别及工程性质。管波探测法将孔旁岩土层进行如下分类：精品.管波探测法对岩土层的地球物理层分类表 表1物探分类管波异常特征土层1、直达波速度低、波组弯曲；2、无反射管波同相轴穿过。岩溶发育段1、直达波能量很弱或不可见；2、顶底界面反射能量强、频率低；顶底界面反射在本段以外发育；3、顶底界面以外的反射穿过其顶底界面进入本段，反射能量突然消散。软弱夹层1、直达波速度变低、直达
15、波向下弯曲，能量很弱或不可见；2、顶底界面反射向外的一支能量强、频率低，向内的一支能量弱、频率低、速度变低；3、顶底界面以外的反射穿过其顶底界面进入本段，反射能量突然变低、频率低、速度变低。溶蚀裂隙发育1、直达波速度低、波组弯曲；2、顶底界面反射波能量低、频率较高、反射密集分布；3、顶底界面以外的反射穿过其顶底界面进入本段，反射能量突然变低。节理裂隙发育1、直达波速度高、能量较稳定；2、顶底界面反射在层内传播，能量强、速度高，并可能有多次反射。顶底界面反射无能量消散现象；3、段内存在多组呈“八”字形的层内反射，层内反射能量低、频率高。完整基岩1、直达波速度高、能量稳定；2、顶底界面反射在层内传播，能量强、速度高，并有多次反射。顶底界面反射无能量消散现象。3、段内无反射界面。精品.图6较好地说明了管波
