声波测井技术在水利工程中的应用

邱 锴

(宁夏公路勘察设计院有限责任公司,银川 750001)

声波测井技术在水利工程中的应用

邱 锴

(宁夏公路勘察设计院有限责任公司,银川 750001)

水利水电工程勘测方法多种多样，随着科技的不断发展及应用，中国的水利水电勘测水平也得到了相应的提高。众所周知，中国地质条件复杂，水文状况多样，且不同因素处于一种不断变化的状态之中，因此需根据具体情况采用不同的物勘方法。文章结合工程实例，着重分析了声波测井技术(一发双收型)在水利工程中的应用。关键词：声波测井；一发双收声波；物探

0 前 言

声波测井技术早于20世纪中叶就已出现，经过了半个多世纪的发展，而今已成为了物探测井技术当中最流行、最重要的测井方法之一。中国声波测井技术较国外而言，在测井仪器方面存在一定差距，但是在测井资料处理和信号处理方面却独具特色[1]。一发双收声波测井仪是一种单发射，双接收的测井仪，这种仪器由声系、隔声体及电子线路3个部分组成，其中，1个发射换能器T和2个接收器R1和R2组成声系系统[2]。由接收器接收声波在地层及泥浆中的传播时间差值来分析岩性的变化，是一发双收声波测井的基本原理，现今在水利水电、公路、煤田、石油以及爆破等工程中得到了广泛的应用，并取得了显著效果[3-8]。

1 方法原理

弹性波测试分声波类和地震类2种。其中声波法主要包括[9-10]单孔声波、穿透声波、表面 声波、声波反射、脉冲回波法和全波列测井。单孔声波测试反映了沿孔深方向孔壁附近岩体波速值的变化情况。垂直孔测试波对缓倾角裂隙反应较灵敏，是一种反映微观、局部现象的测试结果。一发双收测井仪则是利用声波在一定的距离沿井壁滑行的时间来测试岩体的声波速度，由于接收换能器R1和R2都接收信号，故可将其视作折射波法[11-13]。计算公式如下：

(1)

式中:Vp为孔壁介质声速；t1为发射换能器T传播至R1的声波传播时间；t2为T传播到R2的声波传播时间。因岩性不同，声波速度也不同，即使是同一种岩性的岩体，也会因为其完整状态、风化程度的不同从而导致声波传播速度不同。由此可见，纵波速度Vp是判断岩体完整性与风化程度的重要参数之一。

2 工程应用

2.1 工程概况

某水库位于威宁县羊街镇二道坝村附近的新龙河上。主选坝址位于东经104°18′11″，北纬27°07′34″附近，坝址附近河床高程约为1 750.00 m，库区长约8 km，水库汇流面积为360 km2，规划水库正常蓄水位1 810.00 m，总库容3 500万m3，可供水量3 780万m3。工程主要建筑物包括挡水坝、泄水建筑物、输水建筑物等(若附带有发电厂，则还有电站引水系统及厂房建筑物等)。挡水坝初拟坝高65 m，比选坝型为混凝土重力坝与当地材料坝；泄水建筑物拟采用溢洪道或结合导流洞布置；初步设计输水线路长约30 km，采用管道式输水，约有2.5 km的输水隧洞。

库区内植被茂密，河道滩地植被以耕地和烟草为主，两侧山上以松树和杂树为主。居民点附近有过河简易独木桥，沿河道左岸有一条宽约2 m的乡村路。该水库主要任务为向3.5万居民提供生产生活供水，灌溉面积16.7万hm2(2.5万亩)(灌区主要为横跨威宁、赫章两县的草海灌区)，防洪保护人口6.21万人，恢复和保护耕地2.15万hm2(3.22万亩)。水库建成后覆盖的威宁、赫章灌区分别距水库约3 km和8 km。

2.2 地质概况

坝址附近河床高程约为1 750.00 m，山势陡峭。河道水面宽约20 m，水深约1 m，河水流速较快。

该水库坝址区地层为侏罗系中统郎岱群(J2ln1)泥岩、页岩夹砂岩，侏罗系下统龙头山群(J1l)泥岩、页岩夹砂岩，三叠系上统(T3)泥岩、页岩夹砂岩，顶部有一层灰岩透镜体。

拟选下坝址处地层为J2ln1砂岩及泥岩，坝肩为中厚层砂岩，工程地质条件较好。比选上坝址在上游1.4 km处，地层为三叠系(T2g1-2)灰岩及白云质灰岩。

根据GB18306—2001《中国地震动参数区划图》，工程区地震动峰值加速度为0.1g，相应于地震基本烈度为Ⅶ度。

2.3 地球物理特性

被探测体的物性差异是地球物理勘探的基础，通常体现在岩体的磁、电、波速等物性参数。本次声波测试主要查明薄层灰岩中软弱夹层(夹泥)的分布情况及厚度；初步查明岩体风化带、卸荷带的分布规律和厚度；测定坝址区岩体弹性参数。

3 工作步骤与结果分析

3.1 测试工作步骤

坝址区共测试5个钻孔，如前所述，除岩性外、岩体风化程度、结构面等对其声波速度值影响也很大。声波测井在裸孔含水段自下而上逐点进行，测点距0.2 m，孔内装置为一发双收换能器(35 kHz)。换能器与孔壁岩体间以井液(清水)耦合。

测试工作具体可分为以下6个步骤：① 若钻孔内无水或水位不能抬起，则需要注入清水至套管以上；② 在进行测试前对声波仪及换能器进行检查，确定其能正常工作；③ 将换能器匀速降入孔底，记录放置深度，一般情况，探头所在位置略小于孔深；④ 将换能器1个发射接头与2个接收接头分别对应声波仪的“发射”、“接收1”、“接收2”接好；⑤ 设置采集参数，开始采样，从孔底自下而上采集数据，声波仪记录信号并判读初至时间；⑥ 综合分析处理信号资料，得出岩体的纵波波速。

3.2 岩体完整性、风化程度的划分

为获得岩石声波速度，对不同岩性的微新岩芯进行声波测试(对穿法，50 kHz平面换能器，换能器与岩芯试件以黄油耦合)。因测试时岩芯试件为无围压且非饱和状态，测试面多不平整，实测岩芯声速值多小于孔内新鲜完整岩体声速。结合声波测井资料分析后，各岩性岩块声速综合背景值见表1。依据此值，在评定岩体完整性、划分风化程度时对各岩性的完整性指数Kv和风化波速比Kw的值分别进行计算。

表1 岩块声速取值表

(1) 评定岩体完整性：依据DL/T5010—2005《水电水利工程物探规程》，结合岩心测试所取得的岩块声波速度Vpr计算岩体完整系数Kv，由此判断岩体完整性。具体评价标准见表2。完整性系数Kv用式(2)计算：

(2)

式中：Vp为风化岩体纵波速度,m/s；Vpr为完整岩体纵波速度,m/s。

(2) 划分风化程度：一般情况，工程上对岩石的风化程度采用风化系数Kf、风化波速比Kw及野外地质特征来划分。依据DL/T5010—2005《水电水利工程物探规程》，结合实测风化岩石的声波速度Vpr计算岩体风化波速比Kw，由此判断岩体的风化程度。,具体划分标准见表3。风化波速比Kw用式(3)计算：

(3)

表3 岩体风化分带表

3.3 曲线解释与测试成果

3.3.1 上坝址区

(1) ESZK1钻孔：该孔声波测试段为21.80～59.60 m，测段内岩体主要为微新灰岩及白云质灰岩。其中：高程1 743.44 m(孔深31.30 m)以上，声波速度范围值为5 100～6 490 m/s，平均值为6 070 m/s，完整性系数范围值为0.64～1.00，平均值0.91，属于完整岩体；高程1 743.44～1 737.44 m(孔深31.30～37.30 m)，岩体声波速度范围值为2 690～5 490 m/s，平均值为4 510 m/s，完整性系数范围值为0.18～0.75，平均值为0.50，属于完整性差岩体；高程1 737.44 m(孔深37.30 m)以下，声波速度范围值为3 520～6 490 m/s，平均值为5 490 m/s，完整性系数范围值为0.31～1.00，平均值为0.75，属于较完整岩体；此外，在孔深57.90～58.50 m处有一低速夹层，声波速度范围值为2 720～3 880 m/s，平均值为3 330 m/s，完整性系数平均值为0.27，岩体较破碎。

(2) ESZK2钻孔：该孔声波测试段为4.20～70.00 m，测段内岩体主要为弱～微新灰岩。测试范围内，4.20～23.50 m声波速度范围值为3 130～6 450 m/s，平均值为5 110 m/s，完整性系数范围值为0.24～1.00，平均值为0.65，属于较完整岩体；23.50～70.00 m声波速度范围值为2 820～6 450 m/s，平均值为5 390 m/s，完整性系数范围值为0.20～1.00，平均值为0.72，属于较完整岩体。此外，在孔深22.90～23.50 m、38.70～40.30 m、60.10～61.30 m处分别有低速夹层，其声波速度范围值、平均值分别为3 130～3 450 m/s和3 250 m/s、2 820～3 770 m/s和3 320 m/s、3 570～4 350 m/s和4 000 m/s，完整性系数平均值0.26～0.40，为较破碎～完整性差岩体。上坝址声波测井成果统计见表4。

表4 上坝址声波测井成果统计表

3.3.2 下坝址区

(1) EXZK1钻孔：声波测试段为4.00～70.00 m，测段岩体的岩性主要为弱～微新砂岩及少量泥岩。其中：高程1 814.79～1 813.79 m(孔深5.70～6.70 m)，声波速度范围值2 020～3 010 m/s，平均值为2 320 m/s，完整性系数范围值0.22～0.49，平均值为0.29，属于较破碎岩体；高程1 813.79～1 799.39 m(孔深6.70～21.10 m)，声波速度范围值2 020～3 970 m/s，平均值为3 390 m/s，完整性系数范围值0.22～0.85，平均值为0.62，属于较完整岩体；高程1 799.39～1 793.79 m(孔深21.10～26.70 m)，声波速度范围值2 120～3 850 m/s，平均值为3 100 m/s，完整性系数范围值0.24～0.80，平均值为0.52，属于完整性差岩体；高程1 793.79～1 782.39 m(孔深26.70～38.10 m)，声波速度范围2 120～3 570 m/s，平均值为2 760 m/s，完整性系数范围值0.24～0.69，平均值为0.41，属于完整性差岩体；高程1 782.39 m(孔深38.10 m)以下，声波速度范围值2 600～4 550 m/s，平均值3 610 m/s，完整性系数范围值0.36～1.00，平均值为0.70，属于较完整岩体。

(2) EXZK2钻孔：声波测试段为5.00～73.60 m，测段岩体岩性主要为弱～微新砂岩及泥岩。其中：在高程1 754.16～1 750.36 m(孔深5.70～9.50 m)，声波速度范围值1 840～4 460 m/s，平均值为2 120 m/s，完整性系数范围值0.18～1.00，平均值为0.24，属于较破碎岩体；高程1 750.36～1 749.16 m(孔深9.50～10.70 m)，声波速度范围值2 340～3 170 m/s，平均值为2 720 m/s，完整性系数范围值0.30～0.54，平均值为0.40，属于完整性差岩体；高程1 749.16～1 736.76 m(孔深10.70～23.10 m)，声波速度范围值1 950～4 310 m/s，平均值为3 500 m/s，完整性系数范围值0.21～1.00，平均值为0.66，属于较完整岩体；高程1 736.76 m(孔深23.10 m)以下，声波速度范围值2 530～4 900 m/s，平均值为3 890 m/s，完整性系数范围值0.36～1.00，平均值为0.82，属于完整岩体。此外，在孔深29.50～31.30 m、38.70～39.50 m、41.10～42.90 m处分别有低速夹层，其声波速度范围值、平均值分别为2 360～3 730 m/s和3 150 m/s、2 070～2 870 m/s和2 410 m/s、1 910～2 940 m/s和2120 m/s，完整性系数平均值的范围值为0.24～0.53，属于较破碎～完整性差岩体。

(3) EXZK3钻孔：声波测试段为7.00～57.20 m，测段内岩体的岩性主要为弱风化～微新砂岩及泥岩和泥质粉砂岩。其中：高程1 752.66～1 745.66 m(孔深7.90～14.90 m)，声波速度范围值1 890～3 210 m/s，平均值为2 420 m/s，完整性系数范围值0.20～0.58，平均值为0.33，属于完整性差岩体；高程1 745.66～1 734.26 m(孔深14.90～26.30 m)，声波速度范围值2 840～4 390 m/s，平均值为3 770 m/s，完整性系数范围值0.44～1.00，平均值为0.77，属于完整岩体；高程1 734.26～1 718.66 m(孔深26.30～41.90 m)，声波速度范围值2 550～4 100 m/s，平均值为3 590 m/s，完整性系数范围值0.35～0.90，平均值为0.69，属于较完整岩体；高程1 718.66 m(孔深41.90 m)以下，声波速度范围值3 290～4 810 m/s，平均值为4 200 m/s，完整性系数范围值0.47～0.99，平均值为0.76，属于完整岩体。此外，在孔深41.90～44.30 m处有一高速夹层，其声波速度范围值、平均值分别为4 030～5 950 m/s和5 350 m/s，推测测段内岩体有岩性或结构、成分变化。

结合地质钻孔编录资料综合分析可见：上、下坝址各孔岩体声波波速主要受岩性、风化程度、节理裂隙发育情况以及构造破碎带等控制。结合岩性及风化波速比综合分析声测结果可见，上、下坝址各钻孔声波测试段内岩体风化界线与地质划分基本一致。下坝址声波测井成果统计见表5。

表5 下坝址声波测井成果统计表

4 结论与说明

(1) 结论

通过对该坝址区进行声波测试，基本探明了各钻孔声波速度分布情况，结论如下:

1) 上坝址ESZK1、ESZK2孔内弱、微新岩体界线分别为21.1 m和23.5 m；下坝址EXZK1～EXZK5各孔弱、微新岩体界线分别为8.7、10.7、7.0、14.9和11.9 m。除ESZK1、EXZK3孔测试范围内未见卸荷松动岩体外，各孔卸荷岩体深度基本与微新岩体顶面一致，ESZK2孔卸荷深度约16.7 m。

2) 灰岩中软弱夹层(夹泥)或破碎岩体分布位置分别为：ESZK1孔，孔深31.3～36.1 m、57.7～58.7 m；ESZK2孔，孔深5.3～5.9 m、7.1～7.9 m、13.6～14.1 m、15.7～16.7 m、22.9～23.5 m、38.7～40.3 m、59.7～61.3 m。此外各孔内局部有缓倾角软弱结构面所致低速岩体存在。

3) 忽略个别跳跃点，岩体波速值相近，速度变化趋势近一致的测试段可划分为一层。岩体波速值大致呈浅部低、深部高的趋势，可说明岩体风化程度大致呈随孔深增加而减弱的趋势，完整性则逐渐变好。

4) 因本测区基岩内构造引发的结构面、构造破碎带较发育，导致个别孔内岩体随孔深增加、纵波速度递增的趋势不甚显著。局部岩体出现低值，推测为软弱夹层(夹泥)或岩体破碎所致，与钻探所得结果基本一致。

(2) 说明

1) 个别孔因水位无法提升等原因测段较短，导致声波测井未能测到卸荷岩体厚度和(或)风化界线。

2) 声波测井与地质钻探的深度计量间有一定偏差，致使两者所划分风化界线及破碎岩体分布位置略有偏差。部分岩性测段较短，测得声速统计意义较弱。

3) 下坝址EXZK3局部泥质粉砂岩孔内实测声波值较大，推测有岩性或岩体成分变化不具备代表性，该岩性岩块声速取值时未予考虑。

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Application of Acoustic Logging Technology in Water Resources Project

QIU Kai

(Ningxia Highway Survey and Design Institute Co., Ltd., Yinchuan 750001,China)

The investigation methods of water resources and hydropower projects are various. With increasing development and application of science and technology, the investigation level of water resources and hydropower projects in China is improved accordingly. It is well know that in China the geological conditions are complicated, hydrology is various and different factors are always changeable. Therefore, different physical exploration methods shall be applied based on the specific conditions. In combination with engineering practice, in the paper, application of the acoustic logging technology (transceiver type) in water resources projects is analyzed especially.Key words: acoustic logging; transceiver sonic wave; physical exploration

1006—2610(2016)06—0027—04

2016-09-06

邱锴(1987- )，男，宁夏固原市人，助理工程师，主要从事地球物理与岩土工程方面的工作.

TV223.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.007