孔間聲波CT 技術(shù)的電火花震源設(shè)計(jì)及應(yīng)用

丁 朋，付 華，樓加丁，孫永清

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081）

西南地區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，存在溶洞、溶蝕裂隙、軟弱夾層等不良地質(zhì)體，具有隱蔽性和不確定性，探測(cè)難度較大。鉆探方法探測(cè)準(zhǔn)確，但僅是“一孔之見(jiàn)”，如果密集鉆孔，則成本大、工期長(zhǎng)?？组g聲波CT 技術(shù)反映的是兩個(gè)鉆孔之間剖面上的地質(zhì)特征，分辨率高、成本低，對(duì)工程中各種不良地質(zhì)體如巖溶、陷落柱、裂隙、斷裂破碎帶、采空區(qū)軟弱夾層、地下空洞和不明埋設(shè)物等具有較好的判斷效果［1-2］。巖溶探測(cè)采用的孔間聲波CT技術(shù)普遍使用電火花震源激發(fā)聲波，與炸藥相比，具有安全可靠、綠色環(huán)保、能量可控、一致性好、頻譜豐富、操作方便等優(yōu)點(diǎn)［3-4］。

目前，電火花震源的充放電操控普遍采用人工方式。連續(xù)充放電次數(shù)過(guò)多過(guò)快時(shí)，電容升溫較快，容易損壞設(shè)備器件，須待冷卻后方可再次使用，影響工作效率，且設(shè)備較為笨重。放電過(guò)程中可能出現(xiàn)殘余電壓的情況，較高的殘余電壓存在安全隱患，因此設(shè)備需要具備儲(chǔ)能電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和殘余電壓清零功能。放電瞬間能量釋放越集中，激發(fā)的聲波振幅越大，穿透距離也就越遠(yuǎn)。常用的高壓繼電器通斷響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾十毫秒到幾百毫秒，能量釋放相對(duì)分散，需要進(jìn)一步縮短高壓放電開(kāi)關(guān)的通斷響應(yīng)時(shí)間，以期達(dá)到微秒級(jí)。高壓放電電極末端容易燒蝕損壞，需要進(jìn)一步提高使用壽命?；谏鲜鰡?wèn)題，項(xiàng)目組研制了智能可控電火花震源，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化充放電、無(wú)間斷連續(xù)工作、高效電聲轉(zhuǎn)換、余壓自動(dòng)清零、設(shè)備經(jīng)久耐用等功能。

1 基本原理

電火花震源是一種將存儲(chǔ)在高壓電容器中的電能通過(guò)浸沒(méi)于水中的放電電極瞬間放電產(chǎn)生火花形成振動(dòng)波的裝置，分為充電和放電過(guò)程兩個(gè)工作狀態(tài)。圖1為電火花震源的基本原理示意。

圖1 電火花震源基本原理示意

Us 是震源充電系統(tǒng)，充電時(shí)開(kāi)關(guān)S1 閉合，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，充電系統(tǒng)對(duì)電容C充電；充電完成后，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S2閉合。電容C通過(guò)放電電極瞬間放電，將電極周圍的水電離汽化，形成高溫高壓區(qū)，產(chǎn)生沖擊波，電能轉(zhuǎn)換成聲波能量、部分熱能和光能［3-4］。

最大激發(fā)能量值是電火花震源最重要的指標(biāo)，直接關(guān)系電火花震源的穿透距離和分辨率。電容蓄能公式為

式中，E 為電容蓄能值；C 為電容容量；U 為電容電壓值。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體工作流程

將220V 交流電經(jīng)過(guò)升壓整流裝置轉(zhuǎn)變?yōu)閹浊Х踔辽先f(wàn)伏的直流高壓電，對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充電，存儲(chǔ)震源激發(fā)所用的能量，在儲(chǔ)能裝置能量蓄積到一定數(shù)值后，控制系統(tǒng)通過(guò)控制放電裝置，將存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中的高壓電能通過(guò)專用電極瞬間放電，在水中通過(guò)脈沖大電流，使周圍水汽化，形成高溫高壓區(qū)，從而產(chǎn)生沖擊波。同時(shí)電極放電產(chǎn)生電磁感應(yīng)信號(hào)傳至聲波采集主機(jī)，采集主機(jī)同步采集記錄電火花震源發(fā)射的聲波。電火花震源總體工作流程見(jiàn)圖2。

圖2 電火花震源總體工作流程

2.2 總體設(shè)計(jì)方案

采用微控制器、LCD顯示屏、高壓檢測(cè)模塊與其他外圍電路相結(jié)合的軟硬件方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化控制。升壓電容和儲(chǔ)能電容均采用新型電容器替代傳統(tǒng)鋁電解電容器，具有重量輕、無(wú)極性、能量轉(zhuǎn)換效率高、散熱性好等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)激發(fā)聲波，期間無(wú)需冷卻，且充電時(shí)間明顯縮短，大大提升了工作效率，同時(shí)電聲轉(zhuǎn)換效率顯著提高，同等能量級(jí)別下透距更大。高壓放電控制電路以可控硅、脈沖變壓器為核心組件，具有無(wú)觸點(diǎn)、通斷無(wú)涌流、投切速度快（高達(dá)微秒級(jí)）、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)手動(dòng)和斷電后余壓自動(dòng)清零電路，確保安全生產(chǎn)。放電探頭的放電電極采用同軸圓柱結(jié)構(gòu)，并在放電電極末端使用耐高壓、耐高溫、耐電弧燒蝕和高導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的鎢銅，發(fā)射能量穩(wěn)定、一致性好、壽命長(zhǎng)。

3 設(shè)備介紹

電火花震源主要由控制箱及放電探頭兩部分組成，支持全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)3 種工作方式。最大蓄能10 000 J，完整基巖中透距可達(dá)80 m以上；能量可控，充電時(shí)間1～40 s；連續(xù)發(fā)射次數(shù)不受限制，一致性好；放電探頭經(jīng)久耐用。電火花震源結(jié)構(gòu)示意及設(shè)備簡(jiǎn)介見(jiàn)圖3。

圖3 電火花震源結(jié)構(gòu)示意及設(shè)備簡(jiǎn)介

3.1 設(shè)備組成

電火花震源實(shí)物見(jiàn)圖4。

（1）控制箱。由程控板、升壓整流電路、儲(chǔ)能器、高壓檢測(cè)電路、高壓放電控制電路、同步觸發(fā)信號(hào)發(fā)生電路、剩余能量清零電路、保護(hù)電路、液晶屏等組成，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

（2）放電探頭。由電極固定裝置、同軸圓柱放電電極、多孔塑膠套等組成。

圖4 電火花震源實(shí)物

3.2 控制程序

控制箱中運(yùn)行的控制程序啟動(dòng)后，將首先顯示啟動(dòng)界面，然后自動(dòng)進(jìn)入“參數(shù)設(shè)置界面”。

（1）參數(shù)設(shè)置界面。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置均為默認(rèn)的初始值，可對(duì)工作模式（全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)）、能量級(jí)別（放電能量值）、激發(fā)間隔（全自動(dòng)模式下，兩次放炮之間的時(shí)間間隔）等進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面見(jiàn)圖5。參數(shù)設(shè)置完畢后，通過(guò)旋鈕鼠標(biāo)點(diǎn)擊“確定”按鈕，進(jìn)入“運(yùn)行界面”。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

（2）運(yùn)行界面。實(shí)時(shí)顯示放炮次數(shù)、工作模式、激發(fā)間隔、工作狀態(tài)、蓄電電壓、蓄電能量、充電時(shí)間、能量級(jí)別等信息，工作模式不同，顯示的信息會(huì)稍有區(qū)別。點(diǎn)擊面板上的“充電按鍵”或通過(guò)旋鈕鼠標(biāo)點(diǎn)擊程序界面上的“充電”按鈕，設(shè)備將立即啟動(dòng)工作，其中全自動(dòng)模式下的運(yùn)行界面見(jiàn)圖6。由圖可知，本次設(shè)置的放電能量級(jí)別為2 300 J，每間隔30 s 自動(dòng)放炮一次。任何工作模式下，充電期間均可通過(guò)物理按鍵或旋鈕鼠標(biāo)，強(qiáng)行中止充電或立即放炮。

圖6 全自動(dòng)工作模式下運(yùn)行界面

工作結(jié)束后，可使用清零按鍵或旋鈕鼠標(biāo)清除儲(chǔ)能電容中剩余的能量。若忘記清零而直接關(guān)機(jī)，設(shè)備亦會(huì)通過(guò)余壓清零電路自動(dòng)清零。

4 使用方法

電火花震源可與項(xiàng)目組研發(fā)的孔間聲波CT 儀配套使用，工作示意見(jiàn)圖7。

圖7 孔間聲波CT工作示意

開(kāi)始觀測(cè)前，先將兩個(gè)鉆孔注滿水，并在放電探頭多孔塑膠套內(nèi)注滿食鹽水溶液，按照?qǐng)D7 布置并連接設(shè)備，使用220V交流發(fā)電機(jī)或市電為電火花震源供電，電火花震源能量蓄積到一定能量等級(jí)（用戶自定義閾值）后放電，放電探頭瞬間釋放能量，使周圍介質(zhì)汽化，形成高溫高壓區(qū)，產(chǎn)生沖擊波；同時(shí)電火花震源產(chǎn)生同步信號(hào)，并通過(guò)同步信號(hào)電纜發(fā)送給采集主機(jī)，測(cè)定到首波到達(dá)的波形后，該組射線對(duì)測(cè)量完畢。觀察該組波形是否正常，如果正常，則移動(dòng)收發(fā)探頭開(kāi)啟下一組數(shù)據(jù)的測(cè)量工作，否則對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行重新測(cè)量。整個(gè)剖面測(cè)量完畢后，將數(shù)據(jù)錄入到室內(nèi)處理軟件，進(jìn)行首波初至判讀和層析成像處理［5］。

圖8 波形記錄

圖8 為某水電站防滲帷幕灌漿后開(kāi)展聲波CT質(zhì)量檢查所獲取的部分測(cè)量數(shù)據(jù)。由圖可看出，波形干凈、初至清晰，提取首波初至?xí)r間十分方便。整個(gè)剖面所有射線首波初至?xí)r間提取完成后，將數(shù)據(jù)按照特定格式進(jìn)行編排，然后錄入到聲波CT處理軟件中進(jìn)行反演，重繪出射線所掃描區(qū)域內(nèi)的巖體波速分布剖面圖。一般聲波在致密完整巖體中的傳播速度較高，而在疏松碎裂巖體、溶洞及巖溶裂隙區(qū)等不良地質(zhì)體波速較低［6］。由巖體波速分布剖面圖可較為直觀且準(zhǔn)確地判定不良地質(zhì)體的位置、空間分布和形態(tài)，為后期工程處理提供可靠的基礎(chǔ)資料。

5 工程應(yīng)用

5.1 工程概況

某水庫(kù)壩址以上控制流域面積366 km2，正常蓄水位589 m，總庫(kù)容6 553萬(wàn)m3，壩前抬高水位53 m，年供水能力5 000萬(wàn)m3，可滿足水庫(kù)工程任務(wù)，既保證工業(yè)園區(qū)、縣城的供水，又同時(shí)兼顧左右岸及下游灌溉及人畜飲水。根據(jù)工程規(guī)模、工程效益及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性，工程規(guī)模為Ⅲ等中型。

壩址左岸主要為溶蝕地貌，右岸為侵蝕低山地貌，河床寬緩，無(wú)跌坎、深潭發(fā)育。壩址區(qū)有多條斷層通過(guò)。為推動(dòng)該水庫(kù)初設(shè)階段工作有序開(kāi)展，查明壩址區(qū)的巖石物理力學(xué)參數(shù)，需要開(kāi)展單孔聲波、鉆孔錄像、孔間聲波CT等相關(guān)物探工作。

5.2 應(yīng)用成果

對(duì)多個(gè)鉆孔剖面進(jìn)行了孔間聲波CT探測(cè)，其中CZK10-CZK11 及CZK30-ZK7 的孔間聲波CT 成果見(jiàn)圖9和圖10。

圖9 CZK10-CZK11聲波CT成果

圖10 CZK30-ZK7聲波CT成果

結(jié)合圖9 與其他物探資料及巖芯資料可知，CZK10-CZK11 剖面強(qiáng)風(fēng)化巖體以下基巖聲波在4 600 m/s以上，在高程505～507 m之間存在低于微風(fēng)化背景值的區(qū)域，解譯為巖體破碎區(qū)。

結(jié)合圖10 與其他物探資料及巖芯資料可知，CZK30-ZK7 剖面強(qiáng)風(fēng)化巖體以下存在一相鄰的破碎區(qū)域，聲波波速在4 600～4 300 m/s，此外在高程485～494 m 之間存在一低于新鮮巖體背景值的區(qū)域，解譯為巖體破碎區(qū)。

6 結(jié) 語(yǔ)

智能可控電火花震源設(shè)備具有能量精細(xì)化控制、數(shù)字化監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化充放電、余壓自動(dòng)清零、高效電聲轉(zhuǎn)換、初至波清晰、分辨率高、無(wú)間斷連續(xù)工作、工作效率高、經(jīng)久耐用等特點(diǎn)。該設(shè)備可作為孔間聲波CT技術(shù)的震源，與項(xiàng)目組研制的孔間聲波CT 儀配合使用，既能對(duì)溶洞、采空區(qū)、斷層破碎帶、松動(dòng)圈進(jìn)行精確探測(cè)，又能對(duì)巖體質(zhì)量、大體積混凝土質(zhì)量、地下隱蔽工程質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確檢查和評(píng)價(jià)。設(shè)備可廣泛應(yīng)用到水電巖溶勘探、防滲帷幕及堤防隱患探測(cè)、建基巖體質(zhì)量檢測(cè)、灌漿效果檢查等工程物探領(lǐng)域，現(xiàn)已成功應(yīng)用到多個(gè)水電勘探項(xiàng)目和工民建項(xiàng)目，具有解決復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題的能力，取得了較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。