Excel在单孔声波测试数据统计及分析中的应用

李 俊

(天津国土资源和房屋职业学院，天津 300270)

一、引言

大中型工程勘测设计一般分多个阶段进行，以水利水电行业为例包括规划阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段等，在一个阶段的工作经过审查后，如专家提出不同意见或需要优化部分设计方案等时候，常常还需要进行部分补充勘察工作，因此，一般来说大中型项目的勘测设计周期较长，时间跨度长达十几年，有的甚至几十年，因此勘察设计资料往往也是海量的。单孔声波具有数据采集便捷、成本低、测试精度高等优点，是勘察中常用的物探方法之一，以某水利枢纽工程的初步研究阶段为例，单孔声波工作广泛布置于如选坝址和推荐坝址、库区等各个工程部位的钻孔之中，每一部位测试孔数量从数个到几十个不等，如何将如此种类繁多的数据快速、准确地进行处理、分析、统计是一个客观现实的问题，而且随着勘测设计阶段的推进，后期需要将之前的测试资料一并计入进行综合分析，内业工作量也是十分巨大的，另外对统计分析计算结果的校审工作也是一项繁重任务。

Excel的熟练使用是高等职业院校学生必须具备的办公能力之一。《计算机应用基础》是高等职业院校开设的一门基础性课程，Excel的应用作为本课程重点教学内容之一，主要讲解内容有编辑工作表、单元格数据操作、使用公式和函数、数据统计分析图等。本课程在Excel方面重点培养学生灵活使用Excel解决实际问题的能力，主要掌握的技能有图表处理、数据分析计算、工作表编辑、函数运用、统计分析等知识。

Excel作为常见的办公软件之一，熟练掌握Excel各项功能和技巧，能很大程度上提高工作效率，是职场人员必备技能，同样是高等职业院校培育实用型技能人才的表现。处于信息化的时代，Excel广泛应用于各行各业，据公开查阅的资料显示，与其相关的文献高达3.5万，如财务数字化管理、工程建设管理、医疗管理、教育教学管理等等，水利水电行业也不例外，包括在水文分析与计算、编制水利工程概预算、水利工程经济评价、水能调节计算、移民征地等方面均有较深入的应用或者基于其的二次开发利用。

二、单孔声波基本原理及内业整理需求分析

(一)单孔声波测试

弹性波测试有声波法和地震波法两大类，均是基于弹性波在岩体内的传播特征为基础的测试方法，声波法往往反映微观的、局部的测试结果，地震波法反映宏观的、整体的波速情况。弹性波中的声波法又可以分为：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等。

单孔声波主要指声速度动力学参数测试，每一个测点都有独立的测试波形。在水利水电工程中可应用于测试岩体或者混凝土纵波、横波速度和相关力学参数，探测不良地质结构、岩体风化带和卸荷带，测试洞室围岩松弛圈厚度，检测建基岩体质量及灌浆效果等。

1.单孔声波方法原理

单孔声波检测反映的是沿孔深方向孔壁附近岩体波速值的变化情况，就垂直孔而言其对缓倾角裂隙、软弱夹层、破碎带等反应灵敏，钻孔中一般采用一发双收装置，利用声波在一定距离沿井壁岩体滑行的时间来测定岩体的声波速度，根据发射器到两个接收换能器的纵波初至时间t1和t2以及两个接收换能器间距L，即可获得孔壁附近岩体的纵波速度值，如式(1)

(1)

式中：Vp——岩体声波速度(m/s)；

ΔL——两接收换能器间距(m)；

Δt——即t1-t2，两接收换能器之间的声波旅行时差(s)。

2.规程规范对单孔声波资料整理的要求

根据相关规程规范，测井资料宜经过编辑、处理、解释几个步骤，模拟记录可进行数值化处理，需要绘制纵波速度随孔深变化的曲线，另外以获取的弹性参数为依据，可按公式2～4分别计算动弹性模量、风化波速比、完整性系数等，后进行岩体分类、分段和评价。在利用波速计算岩体完整性系数时，一个测区内，对于同类岩性应使用新鲜完整岩块的同一波速。

(2)

(3)

(4)

式中：Vp——岩体纵波速度(m/s)；

Vpr——新鲜完整岩块纵波速度(m/s)；

μd——岩体动泊松比；

Ed——岩体动弹性模量(GPa)；

Kw——风化波速比；

Kv——岩体完整性系数；

ρ——岩体密度(kg/m3)。

(二)单孔声波内业资料整理需求分析

根据以上相关规程规范要求，需要绘制单孔声波波速随孔深变化曲线，以及统计计算不同岩性、不同风化程度岩体的声波纵波波速的分布情况，如范围值、平均值、离散系数等，评价岩体完整程度等，如下表所示。

表1 单孔声波测试成果

三、运用Excel进行单孔声波测试数据统计及分析实例操作

下文以在水利水电行业中常用的重庆奔腾数控研究所生产的WSD-2A型数字声波仪为例展开说明。

(一)Excel进行单孔声波测试数据统计及分析的功能

round函数作为Excel中基本函数之一，功能是对单孔声波测试数据进行四舍五入计算，语法是round(数据，保留位数)，第一个表示要处理的单孔声波测试数据，第二个表示该数据需要保留的几位数。通过使用round函数，可以对单孔声波测试数据进行批量处理，既准确又快速地完成数据的四舍五入处理工作。

if函数是Excel中常用的一种条件函数，功能是对单孔声波测试数据进行分析，根据单孔声波测试数据处理提出的指定条件，计算出不同的结果，返回不同的值。例如if(测试条件，结果1，结果2)，满足测试条件，返回结果1，不满足测试条件，返回结果2。通过使用if函数，可以对单孔声波测试数据中孔深位置与风化位置进行比较判别返回值，然后进行风化程度分析。

sumif函数是Excel中比较常用的函数，功能是对单孔声波测试数据范围中符合条件的值求和。使用方法是在需要判断的条件单元格区域里，满足数字、逻辑表达式等要求条件，选择出来满足条件的单元格。通过使用sumif函数，可以对单孔声波测试数据中岩性进行对应判断并取值。

lookup函数是Excel中函数之一，用于数据的运算，功能是对单孔声波测试数据的数组中数值进行比较，要求数值从小到大排列，否则该函数不能返回正常的结果。通过使用lookup函数，查找单孔声波测试数据表中动泊松比返回相应值。

concatenate函数是Excel中处理文本字符串的，通过使用concatenate函数，对孔声波测试数据中的深度、波速、文本信息等串联成一个文本字符串。

数据透视表是Excel中常用的功能之一，可以快速汇总单孔声波测试数据的交互式方法。通过使用数据透视表，可以使单孔声波测试风化程度、岩性、深度、波速、密度等数据进行分类并统计汇总。

数据透视图也是Excel中常用的功能之一，可以把单孔声波测试数据提供其图形表示形式，数据透视图也是交互式的。把单孔声波测试数据透视图创建好以后，会显示不同波速数据透视图筛选窗口。

由于单孔声波测试数据量非常大，在对单孔声波测试数据源进行数据统计和分析时，可以将数据透视表结合数据透视图一起使用，通过使用excel的以上功能满足单孔声波测试数据各种可视化展示及数据分析的需求。

(二)Excel进行单孔声波测试数据统计及分析的基本思路

由声波仪器自带软件读取初至后，可导出为txt文本格式数据，数据中包括孔深、读时、波速等信息，利用Excel表格可以对其进行快速的导入，按深度和波速分列，并且进行单位变换、判别、计算、筛选、统计等，尤其是函数功能丰富强大，透视表功能对于统计分析非常方便。

(三)Excel进行单孔声波测试数据统计及分析的解决方案

第一步利用WSD声波分析软件进行测孔分析，可对部分参数进行修正，如按照班报记录修改测点间距，批量修改深度，读取每一测点的初至后，软件可根据收发距自动计算声波纵波波速值，保存文件并将表格数据保存为txt文本文件。

第二步新建Excel后选择数据中的获取外部数据：自文本数据，以逗号分隔符进行分列导入，导入后为七列数据，实际使用的为第二列的深度信息和第六列的声速信息，其中深度单位为m，波速单位为km/s，操作中需要换算成m/s，且保留有效数字到10位，可利用round函数批量实现。

以上为前期数据处理，所有的统计、计算、分析方法均基于此，基本无优化空间。

第三步利用Excel制作模板文件如图1所示。

图1 单孔声波测试模板文件

由图1可见左上角可以填写钻孔及测试的基本信息，右上方则需要输入不同岩性的密度值和新鲜完整岩块的波速值，风化界限等信息，主体表格包括钻孔编号、风化程度、岩性、孔深、波速、密度、Vpr、动泊松比、动弹性模量、风化波速比、完整性系数、完整程度判别等列，其中孔深和波速为第二步取得直接连接进来即可，岩性因为连续性差且可能较分散，需手动筛选对应深度输入；其他钻孔编号唯一，风化程度利用if函数将孔深位置与风化位置进行比较判别返回值，密度和Vpr取值可利用sumif函数判断对应岩性并取值，动泊松比利用lookup函数查表返回相应值，其余后面参数按照对应公式计算和判别，以上操作输入第一行后下面均直接可以双击自动充填，非常便捷。

数据透视表能够实时改变表格的版面参数，能够按照不同的方式进行数据的分析、对行号进行重新地安排、各项参数的计算及统筹。另外该表也能够根据需要修改的内容进行实时手动刷新结果。

第四步即利用透视表(图)功能进行统计分析、输出、可视化等工作，如图2、图3所示。需注意的是自动统计计算成果不是文本文件，需要将数值粘贴出，而后可直接复制完成报告中相应内容，对于需要统计计算多个钻孔的，可将第三步处理成果汇总放置于同一表格，增加列字段信息，如钻孔编号、钻孔部位、勘测阶段等，即可利用数据透视表分类进行统计汇总。

图2 声波数据透视表统计

图3 声波数据透视图

(四)Excel与CAD制图的协同

在绘制单孔声波波速随孔深变化曲线及进行成果说明时，需要适用CAD制图软件，此时在Excel中对深度和波速利用concatenate函数，合并为如“20.2,5210”(深度，波速)的形式，在CAD中设置好原点后，利用pl命令一步绘制多段线，特别需要注意的是制图比例问题，如绘制1:100的图纸时，深度(m)需要扩大10倍，波速(m/s)需要缩小100倍。

CAD图纸的解释说明中需要进行文字描述波速、动弹性模量、完整性系数的范围值和平均值，手动输入非常容易出错，且花费较多时间，利用Excel将上述完成的统计表格，按照固定的模式使用concatenate函数或直接文本“&”连接，输出为整段的文字描述后即可直接粘贴入CAD成果说明部分。

四、单孔声波的工程应用

某水利枢纽工程主要由挡水、泄水、发电、供水等部分构成。其主要建筑物包括主坝、溢洪道、导流兼泄洪放空洞、引水发电洞、坝后式电站、副坝、供水取水口、供水隧洞、供水埋管等组成，为大(2)型水利工程。

在前期勘测过程中完成了大量物探工作，其中单孔声波测试，在方案论证阶段完成了735m/10孔，可行性研究阶段内完成了2361.4m/29孔，初设阶段第一阶段完成了1296m/18孔，第二阶段完成了2254.9m/50孔。

该勘测项目总时间跨度6年有余，单孔声波测试合计总工作量为6647.3m/107孔，为了统计分析各工程部位各建筑物区域内的主要岩性岩体声波速度分布规律，需要将所有声波测试成果按钻孔所处部位分别进行汇总统计，以下坝址区域为例，可分为坝轴线、导流洞、放空洞、溢洪道、发电洞、厂房等几大部位，由此可见资料整理汇总统计分析的工作量是十分巨大的。

应用上述Excel模板文件，利用其函数、数据透视表、数据透视图等功能，结合绘制CAD成果图件技巧，可短时间内高效完成此项艰巨的任务，笔者以一个100m深测试孔为参照，简单对比以往传统做法，二者在结果均正确的情况下，完成一次工作的效率相差一倍以上(且随孔深增加效率差距越大)，还不包括出现需要局部修改前置信息，如风化位置调整，个别岩性岩体密度值或Vpr修正等情况；其次传统方法操作环节多，容易出现人为失误，且存在过程文件格式不统一，不同人员或单位资料处理后汇总难度大等一系列问题，应用上述方法后，减少了人为操作步骤，可以把更多的关注点放到基本数据本身和对结论的分析上来，再次在校审环节，传统的复核工作量大，有时候甚至会陷入重复做一遍的尴尬境地，应用以上方法后哪里出错一目了然，且可以快速修正。

五、结语

利用Excel强大的功能，可以快速准确地实现大批量数据的统计分析汇总工作，极大的提高了工作效率，相对于传统的筛选方法至少效率提高一倍以上，同时也便于校对和修改工作，同样，如钻孔剪切波测试数据的统计分析工作亦可采用此方法，在此仅仅抛砖引玉，将来亦可基于Excel中的VBA工具实现一键式操作。综上所述，采用Excel模板文件结合CAD成果图件技巧，不仅精简了数据处理步骤，而且在工作效率上提升一倍以上的基础上，数据计算和分析的准确率也有很大的提高。由此可见，在高速发展的信息化时代，人们需要不断地打破常规工作思维模式，敢于突破传统，应用科技手段去解决问题。

Excel的应用领域非常广泛，是高职院校毕业生必备的职场技能之一。因此高职院校在培养在校学生计算机应用能力时，不仅要掌握基本的计算机应用操作要领，还要把这些功能应用到各个专业领域，充分利用其强大的功能，提高日常工作效率和准确率。本文以Excel在单孔声波测试数据统计及分析为例，反映了一切学习理论要联系实际工作需要，才具有真正的意义。故高等职业院校需要加强对在校生的实用技能训练，要理论联系实践，能够解决实际问题，重点培养学生自己解决问题的能力，为社会培养高素质技术技能人才。