一种干孔弹性波速度测试探头及测试方法

摘要

本发明提供一种干孔内弹性波速度测试探头及测试方法，包括：外胆为两端敞口式的柔性管状结构，柔性管状结构两端分别设有第一前密封头、后密封头，柔性管状结构内构成第一密封腔体；第一密封腔体设有注水通道和排水通道；内胆设置于第一密封腔体内，内胆为两端敞口式的柔性管状结构，柔性管状结构两端分别设有第二前密封头、后密封头，柔性管状结构内构成第二密封腔体；第二前密封头、后密封头分别固定于第一前密封头、后密封头上；换能器设置于填充绝缘物质的第二密封腔体内；向第一密封腔体内注水，外胆膨胀使其外壁与孔壁紧密接触，实现将干孔弹性波速测试转换为有水井孔测试；本发明利用压力波传感器进行弹性波速度测试，效率高，精度好。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程检测技术领域，具体地，涉及一种能够用于干孔(无水井孔)中进行弹性波速度测试的探头及测试方法。

背景技术

近年来我国以水电、蓄能调峰电站为代表的能源基础建设和以大规模蓄水、调水为代表的水利工程不仅在国内，而且随着国家战略向国外延伸。首先，在电力领域，为了积极开发我国的水电资源，先后建设了三峡水电站、溪洛渡水电站等一批世界级的大型水电站，在建的还有乌东德水电站、白鹤滩水电站等世界级电站，除此之外，为了合理利用已有的电力资源，近年来正在大力发展各种抽水蓄能电站。水电站的建设，通常要开挖导水隧洞、地下厂房以及修建大坝；在能源安全方面，我国正在建设各种地下石油和天然气储备设施，以及地下低放射性核废料储存设施；在水利建设方面，全国各地都在积极建设各种长距离输水和大型蓄水设施。所有这些大项目的建设都离不开岩土工程，而在岩土工程设计与施工中，岩土介质的弹性波速度是最重要的物性参数之一，一般需要通过钻孔，利用孔内弹性波速度测试得到。

孔内弹性波速度测试一般有2种形式：当井孔内有水时，以水为传递介质，利用压力波换能器直接在水中激发和接收弹性波，这种方法效率高，精度好；当井孔内没有水，例如在地下水位以上时，或平孔和向上倾斜的钻孔，由于孔内没有弹性波传递介质，一般是采用动圈式传感器，用机械装置把传感器压紧在孔壁上，然后在地表激发弹性波，在井孔内接收。由于需要机械装置把传感器压紧在孔壁上，不仅效率低，数据离散性大，而且由于井孔一般都比较小，机械装置的可靠性低，经常发生探头卡在井孔中的卡孔事故。

经检索发现，申请号为CN200910068266.9的中国专利，公开了一种贯入式土层原位弹性波测试装置。其包括连接杆、弹性波阻尼块、两个辐射体、两个外壳、两个压电陶瓷环状振子、锥状贯入头、探头连接部和两根信号线。该专利提供的贯入式土层原位弹性波测试装置可以省去已有技术的钻孔步骤，因此能够大大降低测试费用。但是上述专利存在以下不足：首先，该方法是在静力触探探头上加装波速测试装置，属于静力触探的范畴，仅适用于粘性土、粉性土和砂性土等较软地层，无法用于砾石地层，更不能用于岩层的波速测试；其次，静力触探在粘性土、粉性土和砂性土等较软地层中的适用深度一般为数m～数10m，一般不超过50m，无法进行大深度测试；第三，静力触探方式一般是向下垂直把探头压入地下，无法向上或侧向压入探头测试。

因此，急需开发一种能在干孔内，尤其是岩体干孔内快速测量弹性波速度的测试装置和测试方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种干孔弹性波速度测试探头及测试方法。

为解决上述难题，本发明第一个方面提供一种干孔内弹性波速度测试探头，包括：外胆，所述外胆为两端敞口式的第一柔性管状结构，所述第一柔性管状结构的两端分别设有第一前密封头、第一后密封头，使所述第一柔性管状结构的内部构成第一密封腔体；所述第一密封腔体内设有注水通道和排水通道，所述注水通道用以向所述第一密封腔体内部注入水，所述排水通道用以排出所述第一密封腔体内部的水、空气；

内胆，所述内胆设置于所述第一密封腔体内，所述内胆为两端敞口式的第二柔性管状结构，所述第二柔性管状结构的两端分别设有第二前密封头、第二后密封头，使所述第二柔性管状结构的内部构成第二密封腔体；所述第二前密封头、所述第二后密封头分别固定于所述第一前密封头、所述第一后密封头上，使所述内胆固定于所述外胆的第一密封腔体内；

换能器，所述换能器设置于所述第二密封腔体内，并在所述换能器与所述第二密封腔体之间填充绝缘物质；

通过向所述第一密封腔体内注水，使所述外胆膨胀并使外胆外壁与待测井孔壁紧密接触，使探头呈压力充水状态，从而实现将干孔弹性波速测试转换为有水井孔弹性波速测试。

优选地，干孔内弹性波速度测试探头包括：

操作杆接口，所述操作杆接口设置于所述第一后密封头的外端；

操作杆，所述操作杆为杆状部件，所述操作杆的一端与所述操作杆接口连接，另一端为自由端，用于操作者手持。

优选地，所述第二前密封头、所述第二后密封头分别与所述第一前密封头、所述第一后密封头插接。

优选地，所述第二后密封头设有通孔，用于穿出所述换能器的信号线，使所述换能器的信号引线出至所述第二密封腔体的外部；

所述第一后密封头设有电缆接头，用于连接所述换能器的信号引线。

优选地，所述注水通道包括：

U型水槽，所述U型水槽设置于所述第一前密封头上，且所述U型水槽与所述第一密封腔体连通；

注水管，所述注水管设置于所述第一密封腔体内，并位于所述第二密封腔体外，所述注水管的一端与所述U型水槽连接，所述注水管的另一端穿出所述第一密封腔体的外部，用于连接水泵；所述注水管与所述U型水槽构成J形管路；

注水阀门，所述注水阀门与所述注水管连接，且位于所述第一密封腔体的外部。

优选地，所述排水通道包括：

排水孔，所述排水孔设置于所述第一后密封头上，通过所述排水孔使所述第一密封腔体的内部与外部连通；

排水管，所述排水管的一端与所述排水孔连接；

排水阀门，所述排水阀门与所述排水管连接。

优选地，干孔内弹性波速度测试探头包括：锥形整流罩，所述锥形整流罩的大端部与所述第一前密封头连接，并罩于所述第一前密封头的外部。

优选地，所述换能器的数量为多个，多个所述换能器沿所述第二密封腔体的长度方向呈线性阵列分布。

优选地，所述绝缘物质为聚氨酯凝胶；

优选地，所述第一柔性管状结构、所述第二柔性管状结构为聚氨酯管；

优选地，所述换能器为压力波换能器。

本发明第二个方面提供一种干孔内弹性波速度的测试方法，采用上述的干孔内弹性波速度测试探头进行，包括：

通过注水通道向外胆的第一密封腔体内部注入水，使所述第一密封腔体内部的空气由排水通道排出，并将内胆与外胆之间的空间全部充满水；

当所述第一密封腔体内部的水压高于外部气压时，使探头变挺但又没有膨胀变粗后，停止注水，此时所述探头呈现状态称为微压充水状态；

再将所述探头放入井孔内的待测位置，然后通过所述注水通道向所述第一密封腔体内注水，直至所述外胆膨胀后使外胆外壁与孔壁紧密接触为止，此时探头呈现状态称为压力充水状态，并停止注水；使所述探头内部保持压力不变，即实现将干孔弹性波速测试转换为有水井孔进行弹性波速测试。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述探头，通过整体结构的创新，由柔性管状结构的内胆、外胆形成有水环境，实现将对干孔弹性波速测试转换为有水井孔弹性波速测试，利用压力波传感器进行弹性波速度测试，效率高，精度好；外胆在水压作用下可随井孔形状变形，不仅可用于直井孔和斜井孔，还可用于弯孔和不圆的井孔，适用范围广。

本发明上述探头，直径小，完全靠在水压作用下外胆膨胀与孔壁紧密耦合，放掉外胆内的水后，外胆立刻恢复原来直径，不会发生探头卡在井孔中取不出来的卡孔现象。

本发明上述探头，通过设置操作杆，利用操作杆可准确地将探头放入测试位置，操作简单直观，不需要用电缆提升，不伤害电缆，因此可以用更细的电缆。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的干孔弹性波速度测试探头的结构示意图；

图2为本发明一优选实施例的干孔弹性波速度测试探头的外胆微压充水状态示意图；

图3为本发明一优选实施例的干孔弹性波速度测试探头的外胆压力充水状态示意图；

图4为本发明一应用例的干孔弹性波速度测试探头的测试过程示意图；

图5为本发明一应用例的地面激发孔内接收方式的波形数据示例；

图6为本发明另一应用例中用于孔内激发-孔内接收的测试过程示意图；

图7为本发明另一应用例中孔内激发-孔内接收方式的波形数据示例；

图中标记分别表示为：1为外胆、2为内胆、3为换能器、4为操作杆接口、5为操作杆、6为电缆、7为锥形整流罩、8为数据采集终端、9为地层、10为井孔、11为锤头、101为第一密封腔体、102为第一前密封头、103为第一后密封头、104为注水管、 105为注水阀门、106为注水孔、107为排水孔、108为排水管、109为排水阀门、110 为第一凹槽、111为第二凹槽、112为U型水槽、201为第二密封腔体、202为第二前密封头、203为第二后密封头、204为第一连接件、205为第二连接件、206为电缆接头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一优选实施例的干孔弹性波速度测试探头的结构示意图，图中包括：外胆1、内胆2及换能器3；其中，内胆2设置于外胆1的内部，换能器3 设置于内胆2的内部。在测试时，将探头伸入井孔10的待测位置，该探头由外胆1 及内胆2形成有水环境，在干孔(无水孔)中利用压力波传感器进行弹性波速度测试。

其中，外胆1为两端敞口式的第一柔性管状结构，第一柔性管状结构具有弹性，在水压作用下能膨胀起来；作为一优选方式，第一柔性管状结构可以采用聚氨酯管。在第一柔性管状结构的前端、后端分别设有第一前密封头102、第一后密封头103，使第一柔性管状结构的内部构成第一密封腔体101；第一密封腔体101内设有注水通道和排水通道，注水通道用以向第一密封腔体101内部注入水。排水通道用以排出第一密封腔体101内部的水和空气，在注水前第一密封腔体101内为空气。具体实施时当向第一密封腔体101内注水时，第一密封腔体101内的空气先通过排水通道排出，在空气排完后，再排水。上述第一柔性管状结构的前端、后端中的“前”、“后”是相对插入待测井孔10的位置而言，第一柔性管状结构的后端为靠近待测井孔10的入口端。

内胆2设置于第一密封腔体101内，内胆2为两端敞口式的第二柔性管状结构，第二柔性管状结构的两端分别设有第二前密封头202、第二后密封头203，使第二柔性管状结构的内部构成第二密封腔体201；第二前密封头202、第二后密封头203分别固定于第一前密封头102、第一后密封头103上，使内胆2固定于外胆1的第一密封腔体101内。作为一优选方式，第二柔性管状结构可以采用聚氨酯管。换能器3设置于第二密封腔体201内，并在换能器3与第二密封腔体201之间填充绝缘物质。作为一优选方式，绝缘物质采用聚氨酯凝胶或煤油等其弹性波速接近于水的物质，其作用是为了传递弹性波。由于传感器等电子元器件浸泡在其中，因此必须具有绝缘性。

作为一优选方式，换能器3为压力波换能器3；压力波换能器3既包括把压力波转换成电信号的换能器3(即将换能器3作为传感器使用)，也包括把电信号转换为压力波的换能器3(即将换能器3作为震源使用)。在具体实施时，将作为震源用的换能器3的输入端与激振驱动电路连接，作为传感器用的换能器3的输出端与外部的数据采集终端8连接；数据采集对接收到的数据进行处理，得到介质的弹性波速度。

通过向第一密封腔体101内注水，使外胆1膨胀并使外胆1外壁与待测井孔壁紧密接触，使探头呈压力充水状态，从而实现将干孔弹性波速测试转换为有水井孔弹性波速测试。上述探头能够在干孔内通过内外胆结构创造一个有水环境，使用压力波换能器3实现高效率和高精度的弹性波速度测量。上述探头的结构简单，操作方便，适合在包括垂直向上的钻孔在内的各种钻孔内进行测试。

在其他部分优选实施例中，参照图1所示，干孔内弹性波速度测试探头包括操作杆接口4和操作杆5，其中，操作杆接口4设置于第一后密封头103的外端。操作杆5 为杆状部件，操作杆5的一端与操作杆接口4连接，另一端为自由端，用于操作者手持。利用操作杆5可准确地将探头放入测试位置，操作简单直观，不需要用电缆6提升，不伤害电缆6，因此，可以用更细的电缆6。

在其他部分优选实施例中，第二前密封头202、第二后密封头203分别与第一前密封头102、第一后密封头103插接固定。作为一优选方式，参照图1所示，在第二前密封头202、第二后密封头203的外端(位于第二密封腔体201外部)设有向外延伸的凸起，即在第二前密封头202、第二后密封头203的外端分别形成用于插接第一连接件 204、第二连接件205。在第一前密封头102、第一后密封头103的内端(位于第一密封腔体101内部)分别设有用于承插第一连接件204、第二连接件205的第一凹槽110、第二凹槽111，且第一凹槽110、第二凹槽111的尺寸与第一连接件204、第二连接件 205相匹配，将第一连接件204插入第一凹槽110内，第二连接件205插入第二凹槽111 内，使内腔的两端与外腔的两端固定。当然第二前密封头202与第一前密封头102，以及第二后密封头203与第一后密封头103之间除了采用插接连接方式固定以外，也可以采用其他的连接方式实现固定。

在其他部分优选实施例中，参照图1所示，第二后密封头203设有通孔，用于穿出换能器3的信号线，使换能器3的信号引线出至第二密封腔体201的外部。

第一后密封头103设有电缆接头206，用于连接换能器3的信号引线。

在其他部分优选实施例中，换能器的数量可以为一个或者多个，当采用多个换能器进行测量时，将多个换能器沿第二密封腔体的长度方向呈线性阵列分布。

在其他部分优选实施例中，参照图1所示，注水通道包括U型水槽112(或U型水管)、注水管104和注水阀门105；其中，U型水槽112设置于第一前密封头102上，且U型水槽112与第一密封腔体101连通。U型水槽112的一端连接注水管104，另一端为注水孔106，从注水孔106向第一密封腔体101内注水。

注水管104设置于第一密封腔体101内，并位于第二密封腔体201外，注水管104 的一端与U型水槽112连接，注水管104的另一端穿出第一密封腔体101的外部，可用于连接水泵；注水管104与U型水槽构成J形管路。

注水阀门105与注水管104连接，且位于第一密封腔体101的外部。将注水阀门105的进水口外接水泵。通过注水阀门105控制注水通道内进水的开关。

在其他部分优选实施例中，排水通道包括：排水孔107、排水管108及排水阀门109，其中，排水孔107设置于第一后密封头103上，通过排水孔107使第一密封腔体的内部与外部连通；排水管108的一端与排水孔107连接；排水阀门109与排水管108连接。

在其他部分优选实施例中，干孔内弹性波速度测试探头包括锥形整流罩7，锥形整流罩7的大端部与第一前密封头102连接，并罩于第一前密封头102的外部。采用锥形结构的整流罩可以减少贯入阻力，使探头更容易放入钻孔内。

基于上述干孔内弹性波速度测试探头，在另一实施例中提供一种干孔内弹性波速度的测试方法，采用上述的干孔内弹性波速度测试探头进行，包括以下步骤：

测试前：

参照图1所示，首先把注水阀门105与水泵连接，排水阀门109与废水桶连接。

然后打开注水阀门105与排水阀门109，启动水泵向外胆1内部注水，将外胆1内部的空气由排水孔107经过排水阀门109排出。

当内胆2与外胆1之间的空间全部充满了水，并有少量的水通过排水阀门109流进废水桶后，关掉排水阀门109。

待外胆1的内部水压略高于外部气压，探头变挺但又没有膨胀变粗时，关闭水泵和注水阀门105，这时探头呈现状态称为微压充水状态，参照图2所示，为外胆1微压充水状态示意图，图中显示外胆1内充满了水，探头变挺，但是水压不足以使外胆1外壁鼓胀变粗；至此，准备工作完成。将探头放入井孔10前先给探头充水至微压状态的目的是使探头挺起来，更容易放入孔中。

测试时：

首先把操作杆5与外胆1的第一后密封头103上的操作杆接口连接；

用电缆6将探头与数据采集设备连接；

将注水阀门105与水泵连接；

用操作杆5把探头放入井孔10内需要的位置。

打开注水阀门105，开动水泵向探头的内胆和外胆1之间注水，直至外胆1膨胀，并使外胆1外壁与孔壁紧密接触为止，此时探头呈现状态称为压力充水状态，参照图3 所示，为外胆1压力充水状态示意图，由图中显示了外胆1内充满了水，在水压力作用下外胆1外壁鼓胀变粗，如果放在井孔10中，这时外胆1外壁与孔壁紧密耦合。

关闭注水阀门和水泵，使探头内保持压力不变，然后就可以和有水井孔10一样进行弹性波速测试。

待测试完成后，打开排水阀门109，水流进废水桶，使外胆1收缩回到原来的大小，然后用操作杆取出探头。

如果井孔10较深，不能一次测试完，可以通过操作杆放入需要的深度，重复以上过程，完成所有深度的测试。

参照图4所示，基于上述干孔弹性波速度测试探头的结构特征，提供干孔弹性波速度测试探头的第一应用例，本应用例中的换能器全部采用将压力波信号转换为电信号的换能器3，即传感器，传感器的输出端与外部的数据采集终端8连接。该传感器可以采用水听器。

该探头内的换能器3由12个等间距呈线性排放的传感器构成线性传感器阵列，其中，传感器间距0.2m。测试时，①将探头充水至微压充水状态；②用操作杆把探头放置到井孔10中所要测试的位置，使最前端的传感器对准测试段的最大深度；③将探头充水至压力充水状态，并将探头外胆1外壁与孔壁密切耦合；④用锤头11 冲击井口位置的地面，冲击产生的弹性波穿过地层9依次到达井孔10中的各个传感器并被传感器感知，同时冲击锤头11上的力传感器输出一信号(触发信号)给数据采集终端8；⑤数据采集终端8接收到触发信号后开始采集并记录由井孔10中的传感器感知到的振动信号；⑥如果探头的传感器阵列无法覆盖整个测试井段，则打开排水阀给外胆1放水，然后通过操作杆把探头移动至新的位置，重复步骤③～⑤至整个测试井段测试完毕，然后，⑦打开放水阀给外胆1放水至无压状态，然后取出探头，结束测试。

参照图5所示，由于采用线性传感器阵列，把各传感器接收到的波形数据按传感器深度排列，可以看到弹性波的到达时间由浅到深依次变大。井孔10内由第i 个传感器和第i+1个传感器之间的地层9的弹性波速度可由下式计算：

Vi＝δDi/δTi

δDi＝(第i+1个传感器的深度-第i个传感器的深度)

δTi＝(弹性波到达第i+1个传感器的时间-弹性波到达第i个传感器的时间)。

参照图6所示，基于上述干孔弹性波速度测试探头的结构特征，提供上述干孔弹性波速度测试探头的另一应用例，本应用例中第一个换能器为将电信号转换为机械振动的换能器(震源)，其余的换能器为把压力波信号转换为电信号的换能器，亦即传感器。

该探头的换能器由12个换能器构成换能器阵列，其中，第一个换能器为把电压信号转换为机械振动信号的换能器(即作为震源使用)，作为发射信号源，将第一个换能器的输入端与激振驱动电路连接；且第一个换能器与剩余11个换能器等间距呈线性排列。剩余11个换能器为传感器(剩余11个换能器把震动信号转换为电信号，即作为传感器使用)，将11个传感器的输出端与外部的数据采集终端8连接；数据采集对接收到的数据进行处理，得到得到介质的弹性波速度。信号源距第一个传感器的距离为0.2m，传感器间距亦为0.2m。测试时，①将探头充水至微压充水状态；②用操作杆把探头放置到井孔10中所要测试的位置，使最前端的换能器对准测试段的最大深度；③将探头充水至压力充水状态，探头外胆1外壁与孔壁密切耦合；④数据采集终端8给信号源发出激发命令，信号源发射弹性波，弹性波穿过外胆1内的水和外胆1外壁，沿孔壁产生折射，折射波再次穿过外胆1外壁和外胆1内的水依次到达井孔10中的各个传感器并被传感器感知，数据采集终端8 发出激发命令的同时开始采集并记录由井孔10中的传感器感知到的振动信号；⑥如果探头的传感器阵列无法覆盖整个测试井段，则打开放水阀给外胆1放水，然后通过操作杆把探头移动至新的位置，重复步骤③～⑤至整个测试井段测试完毕，然后，⑦打开放水阀给外胆1放水至无压状态，然后取出探头，结束测试。

参照图7所示，由于采用多个传感器呈线性阵列排列，把各传感器接收到的波形数据按传感器深度排列起来，可以看到弹性波的到达时间由浅到深依次变大。井孔10内由第i个传感器和第i+1个传感器之间的地层9的弹性波速度可由下式计算：

Vi＝δDi/δTi

δDi＝(第i+1个传感器的深度—第i个传感器的深度)

δTi＝(弹性波到达第i+1个传感器的时间—弹性波到达第i个传感器的时间)。

上述实施例所述的干孔弹性波速度测试探头及测试方法，不仅可用于地下水位低、岩石裂缝发育，无法维持孔内水位的干孔的弹性波速度测试，也可以用于平孔和向上倾斜的斜孔以及隧洞、地下厂房等天花板上的向上垂直孔的波速测试，抗干扰好，测试效率高，操作方便，安全可靠，可为隧洞、地下厂房等岩土工程提供有力的测试工具和测试方法。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。