CN117784214A - 基于多波场的便携式围岩物性快速检测设备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地质勘察技术领域，公开了一种基于多波场的便携式围岩物性快速检测设备与方法。旨在解决现有技术中测试方法较为繁琐，需要复杂的观测系统布设，消耗大量的人力且施作存在局限性，无法满足生产中对于围岩物性快速检测的要求的技术问题。本发明包括设于激发点的夯锤、和得以采集地震波的检波器；夯锤旁安装得以同步地震波激发与采集时间的信号激发器，检波器的供电输入端与振动信号输出端均连接数据采集器；数据采集器的信号输出端连接终端计算机，终端计算机的信号输入端还连接信号激发器输出端；终端计算机内置存储器和数据分析处理器，以实现地震数据频谱的自动分析、自动滤波、初至和频散曲线的自动拾取、波速和层厚的自动计算以及岩石物性的自动分析。
Description
技术领域
本发明涉及地质勘察技术领域，尤其涉及一种基于多波场的便携式围岩物性快速检测设备与方法。
背景技术
随着我国经济技术的快速发展，我们的基建开始向西部山区发展。交通隧道、引水隧洞、水电工程等一系列的地下工程开工建设。在工程建设中，地质岩层的物性指标至关重要，一方面这些物性指标有助于了解岩层自身的结构，另一方面这些物性指标对于工程设计也有一定的影响，特别是支护参数的选取等。岩体物性是岩石重要的物理特征，在一定程度上表征岩石或岩体的特性，也反映了岩体场变产生的物性变化或岩体间的物性差异。
在岩石物性测试中，实验室获取波速较为简单，但需要现场采集大量的岩样，同时实验室获取波速时岩样的力学状态和现场有显著不同，仅用于参考。而现场原位测试的方法较为繁琐，不但要进行钻孔，而且在测试过程中需要对钻孔进行保压处理。此外，物探的方法也可以用于现场围岩速度的获取，但传统的物探方法需要复杂的观测系统布设，隧道或地下工程中施作存在局限性。因此，无论室内波速测试无法还原现场岩石的受力状态，而现场检测需要消耗大量的人力。现有的围岩物性测试手段无法满足生产中对于围岩物性快速检测的要求。
综上，如何在现场获取围岩物性对工程建设有着重要的意义，但现有的测试方法费时费力，亟待一种新的方法或设备快速解决物性测试问题。
发明内容
鉴于以上技术问题，本公开提供了一种基于多波场的便携式围岩物性快速检测设备与方法，解决了现有技术中测试方法较为繁琐，需要复杂的观测系统布设，消耗大量的人力且施作存在局限性，无法满足生产中对于围岩物性快速检测的要求的技术问题。
根据本公开的一个方面，提供一种基于多波场的便携式围岩物性快速检测设备，包括
设于激发点得以激发地震波的夯锤、和设置于激发点观测点位得以采集地震波的检波器；
所述夯锤旁安装得以同步地震波激发与采集时间的信号激发器，
所述检波器的供电输入端与振动信号输出端均连接数据采集器；
所述数据采集器的信号输出端连接终端计算机，所述终端计算机的信号输入端还连接信号激发器输出端；所述终端计算机内置存储器和数据分析处理器，以实现地震数据频谱的自动分析、自动滤波、初至和频散曲线的自动拾取、波速和层厚的自动计算以及岩石物性的自动分析。
所述检波器包括频带范围为0.5-3000Hz的宽频带加速度检波器。
所述激发点的锤击震源外部设有辅助降幅机构，所述辅助降幅机构包括套装在所述锤击震源外的弹性压板和外壳，所述外壳上设有螺旋轨，所述外壳的顶面转动形式设置转动环，所述转动环上设有卡装扣，所述转动环上贯穿安装刚性压杆，所述刚性压杆的顶部设有卡块，所述卡块上安装复位弹簧，所述复位弹簧一端处于所述转动环上，另一端处于所述卡块下，所述刚性压杆的底部设有压辊。
根据本公开的另一个方面，提供一种基于多波场的便携式围岩物性快速检测方法，包括如下步骤：
(1)布设检波器：确定围岩探测区域，布设与围岩探测区域相耦合的的检波器；
(2)设置激发点：布置好检波器后，在检波器得以接受信号的范围内间隔设置多个激发点；
(3)激发激发点：激发任意一个或多个激发点，检波器同步接收地震波信号根据互换原理，将采集到的单道地震波信号按照偏移距进行排列；将每个记录中的接收点和激发点进行互换，将一收多发的地震波信号记录转化为炮集记录；
(4)频谱分析：分析炮集记录的频谱，借助短时傅里叶变化或小波变换对炮集记录进行频谱分析，分别确定高频带、低频带的主频范围，并对其进行滤波处理；
(5)提取折射波和瑞雷波：根据不同频带的范围，利用带通滤波对炮集记录进行波场分离，分别提取折射波和瑞雷波；
(6)分析判断围岩横纵波速度模型：
(6.1)获得纵波速度：对折射波记录内拾取初至，并标记折射波旅行时对应的偏移距，形成时距曲线；采用折射波法层状介质模型求解折射波时距曲线，获得表层至深层的纵波速度Vp1、Vp2…Vpn...和表层至深层的厚度hp1、hp2…hpn...；
(6.2)获得横波速度：分析瑞雷波记录并提取其频散曲线；利用频散曲线反演横波速度，获得表层至深层的速度Vs1、Vs2…Vsn…和表层至深层的厚度hs1、hs2…hsn...；
(7)根据已知的纵波速度与横波速度分析判断围岩性状。
所述步骤(1)中布设与围岩探测区域耦合的带有强磁面的检波器，包括如下步骤：采用树脂耦合剂将检波器铁质底座粘合在围岩上、或将带大头钉的检波器底座打入围岩中，然后把检波器的强磁面与铁质底座吸合以耦合检波器与围岩。
所述步骤(2)中激发点的排列长度为围岩洞径的3倍。
所述步骤(2)中激发点的数量为8-10个。
所述步骤(2)中激发点的激发方式采用16磅锤击。
所述步骤(5)中提取折射波，包括将炮集记录波形带通滤波到260-600Hz，拾取折射波初至；所述步骤(6.1)中采用折射波法层状介质模型求解折射波时距曲线，包括如下步骤：
a根据Snell定律：
b确定折射波路径OM′M″P″M′R
c折射波旅行时曲线方程为
式中：θ1为表层折射角；
Θ2为深层折射角；
V1为表层折射波旅行速度；
V2为深层折射波旅行速度；
V3为深层折射波平移速度；
OM′M″P″M′R为折射波路径；
t为折射波旅行时间；
h1为表层深度；
h2为深层深度；
x为折射波移动距离。
所述步骤(5)中提取折射波瑞雷波，包括将地震波炮集记录滤波到10-100Hz；所述步骤(6.2)中提取瑞雷波频散曲线，包括如下步骤：利用FK或倾斜叠加法计算频散能量，并拾取能量最大值得到频散曲线，然后基于贝叶斯理论面波频散曲线随机反演结果。
所述步骤(7)中根据已知的纵波速度与横波速度分析判断不同深度围岩性状；包括如下步骤：
根据纵波速度与横波速度计算泊松比：
式中：σ为泊松比；
Vp为纵波速度；
Vs为横波速度；
计算岩体相对完整性，即浅表层岩体与深层岩体的纵波速度之比的平方：
式中：
Kv为岩体相对完整性指数；
Vpm为浅表层岩体纵波速度；
Vpr为深层岩体纵波速度。
本发明的有益效果在于：
1.该系统设备组成简单，便于操作，能够快速获取围岩表层及围岩内部的纵波波速，具有较强的实用性，并且具备推广应用前景；为工程设计和施工提供更全面、准确的信息，提高工程的安全性和可靠性，同时也有助于相关领域的技术进步和创新；
2.提高检测效率，多波场检测方法可以同时获取多种波场的传播特性，从而可以在次检测过程中获得更多的围岩物性信息减少了检测时间和工作量，提高了检测效率；
3.全面了解围岩性质，多波场检测方法可以获取多种波场的传播特性，包括横波、纵波、表面波等，从而可以更全面地了解围岩的物理性质，包括弹性模量、泊松比、密度等参数，为后续的工程设计和施工提供更全面的依据；
4.精细化工程设计，通过对围岩进行多波场检测，可以更准确地了解围岩内部的构造特征和应力状态，从而可以进行更精细化的工程设计，优化施工方案，降低工程风险；
5.及时发现安全隐患，通过对围岩进行多波场检测，可以及时发现围岩内部的异常情况和安全隐患，为及时采取应对措施提供依据，从而保障工程的安全稳定；
6.促进工程技术进步，多波场检测方法需要相应的设备和技术支持，通过不断研究和改进检测技术，可以促进相关领域的技术进步和创新，推动工程技术水平的提高；
7.设置辅助降幅机构，可以在数据收集后快速减震降振幅，消能量，一方面便于补充试验，另一方面保护刚刚成型的隧洞的建筑结构，防止余震对隧洞的损伤。
附图说明
图1为基于多波场的便携式围岩物性快速检测方法流程图；
图2为检波器布设位置示意图；
图3为围岩展开为平面状态下激发点布设位置示意图；
图4为基于多波场的便携式围岩物性快速检测设备示意图；
图5为炮集记录示意图；
图6为单炮接收记录示意图；
图7为辅助降幅机构的立体图；
图8为图7所示结构的主视图；
图9为图7所示结构的右视图；
图10为炮集记录折射波初至波形图；
图11为折射波时间距离曲线波形图；
图12为折射波时间距离曲线计算参考图；
图13为频散曲线波形图；
图中各部件名称：1、数据采集器；2、终端计算机；3、设备开关；4、检波器链接孔；5、检波器线束；6、触发线束插孔；7、检波器；8、触发线束；9、锤击震源；10、激发点；11、螺旋轨；12、弹性压板；13、刚性压杆；14、复位弹簧；15、卡装扣；16、压辊；17、卡块；18、转动环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本例公开一种基于多波场的便携式围岩物性快速检测设备，参见图1至图13，
包括设于激发点得以激发地震波的夯锤、和设置于激发点观测点位得以采集地震波的检波器7；
夯锤旁安装得以同步地震波激发与采集时间的信号激发器，
检波器7的供电输入端与振动信号输出端均连接数据采集器1；数据采集器1上设有设备开关3、检波器连接孔4、和触发线束插孔6，检波器连接孔4经检波器线束5连接检波器7，触发线束插孔6经触发线束8连接锤击震源9；
数据采集器1的信号输出端连接终端计算机2，终端计算机2的信号输入端还连接信号激发器输出端；终端计算机2内置存储器和数据分析处理器，以实现地震数据频谱的自动分析、自动滤波、初至和频散曲线的自动拾取、波速和层厚的自动计算以及岩石物性的自动分析。
检波器7包括频带范围为0.5-3000Hz的宽频带加速度检波器。
激发点的锤击震源外部设有辅助降幅机构，辅助降幅机构包括套装在锤击震源外的弹性压板12和外壳，外壳上设有螺旋轨11，外壳的顶面转动形式设置转动环18，转动环18上设有卡装扣15，转动环18上贯穿安装刚性压杆13，刚性压杆13的顶部设有卡块17，卡块17上安装复位弹簧14，复位弹簧14一端处于转动环18上，另一端处于卡块17下，刚性压杆13的底部设有压辊16。
工作原理：降幅机构的工作原理在于，当一次实验结束后，通过对震源处贴紧橡胶制成的弹性材质，实现对余震能量的快速吸收，进一步的实现振幅的降幅，降幅过程如下，当实验结束，数据统计后，弹性压板12沿着螺旋轨11转动下滑，直至处于锤击震源底部，与接触面相邻，弹性压板12下滑的过程中，刚性压杆13也滑动向下，直至转动卡扣可以扣装在卡装扣15上，卡装完成后，对弹性压板12提供一定下压的压力，之后，转动转动环18，带动压辊16随同滚动，在滚动过程中，形成非均衡形式的压辊16和弹性压板12间的挤压，以紊乱的形式，快速改变共振频率。
本例公开一种基于多波场的便携式围岩物性快速检测方法，参见图1至图12，包括如下步骤：
(1)布设检波器：确定围岩探测区域，布设与围岩探测区域相耦合的的检波器；采用树脂耦合剂将检波器底座粘合在围岩上、或将带大头钉的检波器底座打入围岩中，将传感器与底座磁吸吸合以耦合检波器与围岩，其中检波器为线性排列，单道接收，多道激发，如图2探测围岩物性，放置检波器7，最小偏移距为1.4米，炮间距为1.4米；
(2)设置激发点：布置好检波器后，在检波器得以接受信号的范围内间隔设置多个激发点；激发点的排列长度为围岩洞径的3倍；激发点的数量为8-10个；激发点的激发方式采用16磅锤击；锤击激发点并记录地震数据，若激发点受遮挡或不具备激发条件时，跳过该点再后续激发点进行激发；
(3)激发激发点：激发任意一个或多个激发点，检波器同步接收地震波信号根据互换原理，将采集到的单道地震波信号按照偏移距进行排列；将每个记录中的接收点和激发点进行互换，将一收多发的地震波信号记录转化为炮集记录；
(4)频谱分析：分析炮集记录的频谱，借助短时傅里叶变化或小波变换对炮集记录进行频谱分析，分别确定高频带、低频带的主频范围，并对其进行滤波处理；
(5)提取折射波和瑞雷波：根据不同频带的范围，利用带通滤波对炮集记录进行波场分离，分别提取折射波和瑞雷波；
提取折射波：将炮集记录波形带通滤波到260-600Hz，拾取折射波初至；
提取折射波瑞雷波：将地震波炮集记录滤波到10-100Hz；
(6)分析判断围岩横纵波速度模型：
(6.1)获得纵波速度：对折射波记录内拾取初至，并标记折射波旅行时对应的偏移距，形成时距曲线；
采用折射波法层状介质模型求解折射波时距曲线，包括如下步骤：
a根据Snell定律：
b确定折射波路径OM′M″P″M′R
c折射波旅行时曲线方程为
式中：θ1为表层折射角；
Θ2为深层折射角；
V1为表层折射波旅行速度；
V2为深层折射波旅行速度；
V3为深层折射波平移速度；
OM′M″P″M′R为折射波路径；
t为折射波旅行时间；
h1为表层深度；
h2为深层深度；
x为折射波移动距离。
获得表层至深层的纵波速度Vp1、Vp2…Vpn...和表层至深层的厚度hp1、hp2…hpn...；获得表层至深层的横波速度1130m/s和2400m/s，首层厚度为1.65m；
(6.2)获得横波速度：分析瑞雷波记录并提取其频散曲线；包括如下步骤：利用FK或倾斜叠加法计算频散能量，并拾取能量最大值得到频散曲线，然后基于贝叶斯理论面波频散曲线随机反演结果。利用频散曲线反演横波速度，获得表层至深层的速度Vs1、Vs2…Vsn...和表层至深层的厚度hs1、hs2…hsn...；得到横波速度为615m/s和1400m/s，首层厚度为1.5m；
根据已知的纵波速度与横波速度分析判断围岩性状；
泊松比：材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值(横向应变与纵向应变之比值)，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。泊松比与纵横波速度比之间的关系可以表示成：
岩体完整性系数又称裂隙系数，为岩体与岩石的纵波速度之比的平方：
式中：
Kv为岩体相对完整性指数；
Vpm为浅表层岩体纵波速度；
Vpr为深层岩体纵波速度。
隧道开挖会引起围岩扰动，其范围约为2～3倍洞泾。对于深埋隧道，其均匀半空间即最深层的波速为完整的围岩速度，表层波速为被扰动后的围岩速度，即可评价表层围岩完整性。
尽管已描述了本发明的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本实发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于多波场的便携式围岩物性快速检测设备，其特征在于：包括设于激发点得以激发地震波的夯锤、和设置于激发点观测点位得以采集地震波的检波器；
所述夯锤旁安装得以同步地震波激发与采集时间的信号激发器；
所述检波器的供电输入端与振动信号输出端均连接数据采集器；
所述数据采集器的信号输出端连接终端计算机，所述终端计算机的信号输入端还连接信号激发器输出端；所述终端计算机内置存储器和数据分析处理器，以实现地震数据频谱的自动分析、自动滤波、初至和频散曲线的自动拾取、波速和层厚的自动计算以及岩石物性的自动分析。
2.如权利要求1所述的基于多波场的便携式围岩物性快速检测设备，其特征在于：还包括设于激发点锤击震源外部设有辅助降幅机构，所述辅助降幅机构包括套装在所述锤击震源外的弹性压板和外壳，所述外壳上设有螺旋轨，所述外壳的顶面转动形式设置转动环，所述转动环上设有卡装扣，所述转动环上贯穿安装刚性压杆，所述刚性压杆的顶部设有卡块，所述卡块上安装复位弹簧，所述复位弹簧一端处于所述转动环上，另一端处于所述卡块下，所述刚性压杆的底部设有压辊。
3.如权利要求1所述的基于多波场的便携式围岩物性快速检测设备，其特征在于：所述检波器包括频带范围为0.5-3000Hz的宽频带加速度检波器。
4.一种基于多波场的便携式围岩物性快速检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)布设检波器：确定围岩探测区域，布设与围岩探测区域相耦合的的检波器；
(2)设置激发点：布置好检波器后，在检波器得以接受信号的范围内间隔设置多个激发点；
(3)激发激发点：激发任意一个或多个激发点，检波器同步接收地震波信号根据互换原理，将采集到的单道地震波信号按照偏移距进行排列；将每个记录中的接收点和激发点进行互换，将一收多发的地震波信号记录转化为炮集记录；
(4)频谱分析：分析炮集记录的频谱，借助短时傅里叶变化或小波变换对炮集记录进行频谱分析，分别确定高频带、低频带的主频范围，并对其进行滤波处理；
(5)提取折射波和瑞雷波：根据不同频带的范围，利用带通滤波对炮集记录进行波场分离，分别提取折射波和瑞雷波；
(6)分析判断围岩横纵波速度模型：
(6.1)获得纵波速度：对折射波记录内拾取初至，并标记折射波旅行时对应的偏移距，形成时距曲线；采用折射波法层状介质模型求解折射波时距曲线，获得表层至深层的纵波速度Vp1、Vp2...Vpn...和表层至深层的厚度hp1、hp2...hpn...；
(6.2)获得横波速度：分析瑞雷波记录并提取其频散曲线；利用频散曲线反演横波速度，获得表层至深层的速度Vs1、Vs2...Vsn...和表层至深层的厚度hs1、hs2...hsn...；
(7)根据已知的纵波速度与横波速度分析判断围岩性状。
5.如权利要求4所述的基于多波场的便携式围岩物性快速检测方法，其特征在于：所述步骤(1)中布设与围岩探测区域耦合的带有强磁面的检波器，包括如下步骤：采用树脂耦合剂将检波器铁质底座粘合在围岩上、或将带大头钉的检波器底座打入围岩中，然后把检波器的强磁面与铁质底座吸合以耦合检波器与围岩。
6.如权利要求4所述的基于多波场的便携式围岩物性快速检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中激发点的排列长度为围岩洞径的3倍。
7.如权利要求4所述的基于多波场的便携式围岩物性快速检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中激发点的数量为8-10个。
8.如权利要求4所述的基于多波场的便携式围岩物性快速检测方法，其特征在于：所述步骤(5)中提取折射波，包括将炮集记录波形带通滤波到260-600Hz，拾取折射波初至；所述步骤(6.1)中采用折射波法层状介质模型求解折射波时距曲线，包括如下步骤：
a根据Snell定律：
b确定折射波路径OM′M″P″M′R
c折射波旅行时曲线方程为
式中：θ1为表层折射角；
Θ2为深层折射角；
V1为表层折射波旅行速度；
V2为深层折射波旅行速度；
V3为深层折射波平移速度；
OM′M″P″M′R为折射波路径；
t为折射波旅行时间；
h1为表层深度；
h2为深层深度；
x为折射波移动距离。
9.如权利要求4所述的基于多波场的便携式围岩物性快速检测方法，其特征在于：所述步骤(5)中提取折射波瑞雷波，包括将地震波炮集记录滤波到10-100Hz；所述步骤(6.2)中提取瑞雷波频散曲线，包括如下步骤：利用FK或倾斜叠加法计算频散能量，并拾取能量最大值得到频散曲线，然后基于贝叶斯理论面波频散曲线随机反演结果。
10.如权利要求4所述的基于多波场的便携式围岩物性快速检测方法，其特征在于：所述步骤(7)中根据已知的纵波速度与横波速度分析判断不同深度围岩性状；包括如下步骤：
根据纵波速度与横波速度计算泊松比：
式中：σ为泊松比；
Vp为纵波速度；
Vs为横波速度；
计算岩体相对完整性，即浅表层岩体与深层岩体的纵波速度之比的平方：
式中：
Kv为岩体相对完整性指数；
Vpm为浅表层岩体纵波速度；
Vpr为深层围岩纵波速度。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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