CN101782554B

CN101782554B - 全分离式单孔声波测试装置及其调试方法

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Publication number: CN101782554B
Application number: CN2010101152183A
Authority: CN
Inventors: 严鹏; 单治钢
Original assignee: Hydrochina East China Engineering Corp
Current assignee: Hydrochina East China Engineering Corp
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: CN101782554A

Abstract

本发明涉及全分离式单孔声波测试装置及其调试方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种全分离式单孔声波测试装置及其调试方法，保证检测探头与孔壁间的良好耦合，克服岩体质量较差时皮囊波速对真实岩体波速的干扰。解决该问题的技术方案是：全分离式单孔声波测试装置，具有检测探头，其上安装一组相互间隔的发射换能器和接收换能器，各换能器外均包裹一个相互独立的皮囊，各皮囊均配独立注水细管；调试方法：a、给皮囊充水，将探头放入检测孔；b、再次给皮囊充水并采样；c、若波形模糊，转动或移动探头后重复步骤b，直至波形清晰，开始检测。本发明主要用于水利水电工程、交通、矿山等工程的边坡、隧洞开挖松弛区无损检测。

Description

全分离式单孔声波测试装置及其调试方法

技术领域

本发明涉及一种单孔声波测试装置及其调试方法，特别是一种全分离式单孔声波测试装置及其调试方法，主要适用于水利水电工程、交通、矿山等工程的边坡、隧洞开挖松弛区无损检测，特别适用于岩体较为破碎的区域，或上斜孔、竖直向上孔等普通声波检测装置无法达到良好水耦合(或其他耦合剂耦合)情况下的单孔声波检测。

背景技术

声波检测是利用人工方法对被测介质施加动荷载，作为激发弹性波的激发源，使之在介质中进行传播，然后通过分析量测设备接收传来的声波信息(包括：波速、振幅、频率、声谱、波形等)，来评价工程岩体的稳定和松弛、损伤范围及程度。声波检测广泛地应用于各类工程建设，诸如检测地下洞库、巷道围岩的稳定；评价岩体的质量和分类；矿房、矿柱稳定监测；地基基础和边坡加固处理的效果检验；以及岩溶和水晶洞穴、软弱岩层或夹层、断层破碎带、风化层的探测等。

岩体单孔声波检测的程序一般是，首先在待检测的岩质边坡或洞室表面钻孔，孔径、孔深及孔向根据检测的目的、范围和所使用的声波检测探头的规格综合确定；钻孔完成后，将孔内的石渣、岩粉等杂物清除(或清洗)干净，将单孔一发双收声波检测探头放入孔底，向孔内注水(或其它耦合剂)使声波检测探头与岩石孔壁完全耦合；然后按照规范要求，从孔底到孔口，每间隔20cm(可根据要求加密)测试一次；重复上述测试过程，直至孔口，测试完成。

以上测试程序中，最为关键的部分是如何保证声波探头和测试孔孔壁间良好的耦合，如果耦合不好，将无法获得测试声波波形，或获得的波形质量很差，噪音信号的干扰使真实信号失真。实际工程岩体声波测试过程中，一般采用水作为耦合剂(也可采用其它液体耦合剂)进行耦合，这就有可能存在如下几个问题：

(1)如果测试部位岩体较为破碎，对于竖直向下孔或斜向下孔，注入孔中的水很快渗漏掉，无法保证良好的水耦合；

(2)当岩体中某些矿务成分对水分(或其它耦合剂)较为敏感，遇水软化或膨胀，使其物理力学性质发生改变，使水耦合测试结果失去意义；

(3)注入声波检测孔中的水渗透到孔周围的岩体裂隙中，充填裂隙，也有可能对声波检测结果的真实性造成影响；

(4)对斜向上孔或竖直向上孔，无法注水进行耦合，普通的声波检测装置无法进行检测。

针对上述几个问题，目前工程岩体声波检测领域开发了数种“干孔声波换能器”(即声波检测探头)或干孔声波检测装置，它们的主要设计思想是利用橡皮囊将整个声波检测探头完全包住，囊内注水，保证水和橡胶囊的完全耦合，然后利用水压或气压使橡皮囊与孔壁贴紧。在水对岩体性质影响不大的区域，橡皮囊外也可设置小管流水，进一步改善橡皮囊和检测孔壁间的耦合。这几种干孔换能器的问题在于：在岩体较差的部位，声波检测探头测到的很可能是橡皮囊的波速。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种结构简单、使用方便、检测数据稳定可靠的全分离式单孔声波测试装置及其调试方法，在岩体条件较差、耦合剂不适宜与检测岩体直接接触、斜向上孔、竖直向上孔等条件的声波检测过程中，一方面保证声波检测探头与皮囊之间及皮囊与孔壁间良好的耦合，另一方面克服岩体质量较差时皮囊波速对真实岩体波速的干扰。

本发明所采用的技术方案是：全分离式单孔声波测试装置，具有检测探头，其上安装一组相互间隔的发射换能器和接收换能器，其特征在于：各发射换能器和接收换能器外均包裹一个相互独立的皮囊，每个皮囊均配各自独立的注水细管。

所述声波测试装置采用一发双收式，发射换能器安装在检测探头底部，其中一个接收换能器装在检测探头顶部，另一个接收换能器装在检测探头中部。

所述两个接收换能器之间的距离为20cm。

所述检测探头顶部和底部各设一根用于向检测孔内注水的溢水管，其作用是在皮囊与孔壁实在无法贴紧耦合的情况，通过该溢水管向孔内缓缓注水(检测孔向下倾斜或竖直向下时，使用检测探头底部的水管；检测孔向上倾斜或竖直向上时，使用检测探头顶部的水管)，使水流充填皮囊与检测孔孔壁间的缝隙，改善皮囊和检测孔孔壁间的耦合(若测试区域的岩石遇水膨胀或软化，则不宜采用此方法)。

全分离式单孔声波测试装置的调试方法，其特征在于步骤如下：

a、分别向三个皮囊内充水，然后将检测探头放入检测孔预定部位；

b、依次向位于检测探头中部、顶部和底部的皮囊内充水，使皮囊膨胀与检测孔孔壁贴紧耦合，充水过程中即开始采样，若采集的波形模糊，且皮囊内压力接近其承载极限，则转至步骤c；若采集的波形清晰，则转至步骤f；

c、部分排出三个皮囊中的水，使皮囊与检测孔孔壁脱开，沿轴向转动或沿径向移动检测探头后，再次执行步骤b；

d、经步骤c反复调试后，若采集的波形仍然模糊，同时测试区域岩石遇水不会出现膨胀或软化现象，则转至步骤e；若采集的波形清晰，则转至步骤f；

e、通过检测探头顶部和底部的溢水管向检测孔内缓缓注水，使水流充填皮囊与检测孔孔壁间的缝隙，改善皮囊和检测孔孔壁间的耦合；

f、停止充水，开始进行检测。

本发明的有益效果是：本发明将各发射换能器和接收换能器用一个个相互独立的皮囊包裹起来，向皮囊内注水使之膨胀达到与孔壁的良好耦合，实现了干孔检测，既解决了岩体破碎部位因漏水或斜向上、竖直向上孔无法进行常规水耦合的困难，又克服了皮囊声波速度对真实岩体声波速度的影响，扩大了常规声波检测探头的检测范围和对检测条件的适应性，从而使声波检测数据更为稳定可靠，具有较为广阔的应用前景。

附图说明

图1是实施例1中检测探头的结构图。

图2是实施例1充水后的结构图。

图3是实施例1移动过程的示意图(竖直向上孔)。

图4是实施例2中检测探头的结构图。

图5实施例2充气后的结构图。

图6是实施例2移动过程的示意图(竖直向上孔)。

具体实施方式

实施例1：如图1至图3所示，本实施例声波测试装置采用一发双收式，包括检测探头，其底部安装一个发射换能器1，顶部和中部各安装一个接收换能器2，且两个接收换能器2之间的距离为20cm，同时在每个发射换能器1和接收换能器2外包裹相互独立的皮囊3，将各发射换能器1和接收换能器2相互隔开，解决了在岩体条件较差时，皮囊3声波速度对真实岩体声波速度的干扰。每个皮囊3均配各自独立的注水细管，该注水细管同时兼做排气管。使用前，用手挤压皮囊3，使囊内的气体从注水细管排出，然后在检测探头放入检测孔之前，通过注水细管向皮囊3内充入一定量的水(或其它耦合剂)，充入的水量要根据检测孔孔径的大小来控制，以既能保证检测探头与皮囊3充分耦合，又能轻松放入检测孔内为宜。

检测过程中应首先利用水压使皮囊3与检测孔孔壁紧密贴合，当皮囊3与检测孔孔壁实在无法贴紧耦合时，可利用检测探头顶部和底部各设置一根溢水管4，该溢水管采用直径为5-8mm的软管即可。通过溢水管4向检测孔内缓缓注水(检测孔向下倾斜或竖直向下时，使用检测探头底部的溢水管；检测孔向上倾斜或竖直向上时，使用检测探头顶部的溢水管)，使水流充填皮囊3与检测孔孔壁间的缝隙，改善皮囊3和检测孔孔壁间的耦合(若测试区域的岩石遇水膨胀或软化，则不宜采用此方法)。实际使用中，检测探头的底部通过水管、电缆等与孔外的水源、声波仪等连接。

本实施例的实施步骤如下：

a、按检测要求布孔、钻孔和清孔，使之具备检测条件；

b、按检测孔孔径以及检测探头的直径制作皮囊3，同时在皮囊3上布置注水细管，检测探头的底部、顶部布置溢水管4；

c、向三个皮囊3中各充入适量的水(或其他耦合剂)，充水量根据检测孔孔径的大小来控制，以既能保证检测探头与皮囊3充分耦合，又能轻松放入检测孔内为宜，然后将检测探头放入检测孔底部，这样既可以减少检测过程中皮囊3的注水时间，同时又可减少充水将皮囊3充爆的机会，提高检测的效率；

d、向位于检测探头中部的皮囊3内充水(或其他耦合剂)，然后向位于检测探头顶部的皮囊3内充水(或其他耦合剂)，最后向位于检测探头底部的皮囊3内充水(或其他耦合剂)，利用水压使皮囊3与检测孔孔壁贴紧，达到良好的耦合，充水过程中即开始采样，当可以采集到声波波形时停止注水；如充水水压接近皮囊3的承载极限(再充则有可能爆裂)，两个接收通道仍有一个或两个不能采集到清晰波形，则应部分排出三个皮囊3中的水，使皮囊3和检测孔孔壁脱开，将检测孔内的检测探头转动适当的角度，或沿径向移动较小的距离，然后重新注水，接收波形，进行检测试验，直到接收到完整清晰的波形为止；

e、当测试区域的岩石遇水不会出现膨胀或软化等现象时，如果经反复调试，实在不能获得理想的波形，则可利用检测探头顶部和底部的溢水管4向孔内缓缓注水(检测孔向下倾斜或竖直向下时，使用检测探头底部的溢水管；检测孔向上倾斜或竖直向上时，使用检测探头顶部的溢水管)，使水流充填皮囊3与检测孔孔壁间的缝隙，改善皮囊3和检测孔孔壁间的耦合。当然，如果测试区域的岩石遇水膨胀或软化，则不宜采用此方法，仍需耐心仔细调试声波仪和调整检测探头的位置和方向；

f、第一个测点完成后，部分排出三个皮囊3中的水，使皮囊3和检测孔孔壁脱开，向孔口移动声波检测探头20cm(或检测要求规定的距离)，然后再次对皮囊3进行充水调试、检测；

g、依此类推，直到完成全孔检测。

实施例2：如图4-图6所示，本实施例结构与实施例1基本相同，其区别在于，在每个皮囊3外侧各设一个独立的气囊5，且各气囊5的中心位于同一条直线上。在检测探头放入检测孔之前气囊5处于收缩状态，待检测探头放入检测孔中的预定位置后，通过气囊5各自的充气管向气囊5充气，使气囊5鼓胀，推动充水的皮囊3与检测孔孔壁贴紧耦合，即可进行声波检测。

本实施例的实施步骤如下：

a1、b1、c1步骤同实施例1中的步骤a、b、c；

d1、依次向位于检测探头顶部、中部以及底部的气囊5充气，充气过程中即开始采样，当可以采集到声波波形时停止充气；如充气气压接近气囊5的承载极限(再充则有可能爆裂)，两个接收通道仍有一个或两个不能采集到清晰波形，则应放空三个气囊5中的气体，将检测孔内的检测探头转动适当的角度，或沿径向移动较小的距离，然后重新充气，接收波形，进行检测试验，直到接收到完整清晰的波形为止；

e1、步骤同实施例1步骤e；

f1、第一个测点完成后，释放三个气囊5中的气体，向孔口移动声波检测探头20cm(或检测要求规定的其他距离)，然后再次对气囊5进行充气调试、检测；

g1、依此类推，直到完成全孔检测。

Claims

1.一种全分离式单孔声波测试装置，具有检测探头，其上安装一组相互间隔的发射换能器(1)和接收换能器(2)，其特征在于：各发射换能器(1)和接收换能器(2)外均包裹一个相互独立的皮囊(3)，每个皮囊(3)均配各自独立的注水细管。

2.根据权利要求1所述的全分离式单孔声波测试装置，其特征在于：所述声波测试装置采用一发双收式，发射换能器(1)安装在检测探头底部，其中一个接收换能器(2)装在检测探头顶部，另一个接收换能器(2)装在检测探头中部。

3.根据权利要求2所述的全分离式单孔声波测试装置，其特征在于：所述两个接收换能器(2)之间的距离为20cm。

4.根据权利要求1或2或3所述的全分离式单孔声波测试装置，其特征在于：所述检测探头顶部和底部各设一根用于向检测孔内注水的溢水管(4)。

5.一种如权利要求2所述的全分离式单孔声波测试装置的调试方法，其特征在于步骤如下：

a、分别向三个皮囊(3)内充水，然后将检测探头放入检测孔预定部位；

b、依次向位于检测探头中部、顶部和底部的皮囊(3)内充水，使皮囊(3)膨胀与检测孔孔壁贴紧耦合，充水过程中即开始采样，若采集的波形模糊，且皮囊(3)内压力接近其承载极限，则转至步骤c；若采集的波形清晰，则转至步骤f；

c、部分排出三个皮囊(3)中的水，使皮囊(3)与检测孔孔壁脱开，沿轴向转动或沿径向移动检测探头后，再次执行步骤b；

e、通过检测探头顶部和底部的溢水管(4)向检测孔内缓缓注水，使水流充填皮囊(3)与检测孔孔壁间的缝隙，改善皮囊(3)和检测孔孔壁间的耦合；

f、停止充水，开始进行检测。