单孔VS跨孔，哪种钻孔波速测试更实用？

2020-03-12
欧美大地仪器设备中国有限公司
应用行业：

内容节点: 概述; 实验/设备条件; 样品提取; 实验/操作方法; 实验结果/结论; 仪器/耗材清单

波速测试是一种快速、准确的原位测试技术，它可以获得岩土体的纵波、横波速度，并根据波速计算动弹性模量、泊松比等动力学参数，为工程设计提供依据。

钻孔波速测试常用的方法为：单孔检层法与跨孔平穿法。

不同测试方法，波在岩土体传播途径不一样，为了更加有利于合理选取场地岩土体特征波速值，通常采用单孔法和跨孔法对比的测试方法。

单孔波速测试

一般采用单孔地表激发孔中接收法，即地面激发弹性波，孔内由三分量传感器接收。当地面震源采用叩板时可正反向激发，并产生剪切波，利用剪切波震相差180°的特性来识别剪切波的初至时间。

单孔波速测试示意图

记录仪器由井中三分量传感器和地震仪构成。

叩板震源一般距所测孔口2m～5m，平放1块木板，测试孔应位于木板长轴的中垂线上。木板长2m～3m，宽约0.5m，厚0.2m～0.3m，上压约500kg～1000kg的重物使木板与地面紧密接触。当分别水平敲击木板两端时，产生剪切波，垂直敲击木板时产生压缩波。三分量检波器置于井中某一深度，接收由震源产生的弹性波信号，并通过连接电缆传输到工程动测仪中记录并存储以备后期数据处理之用。

单孔波速测试系统构成与地上S波激发源

现场测量一般按照以下流程进行

STEP1

将井中三分量检波器放下至预定的深度，气囊充气或打开支架使探头贴紧井壁，从而准确记录记录P波和S波；

STEP2

将叩板置于靠近井口位置并使用重物压紧，用于激发S波和P波；

STEP3

重锤垂直敲击叩板产生P波，记录P波走时；

STEP4

锤击叩板一侧，产生S波，探头在相同深度接收信号并记录走时，然后改变震源方向的极性，即锤击另一侧并记录；

STEP5

检查数据质量是否合格，无问题则松开检波器并移至下一个深度。在需要的深度间隔重复此流程，直到获得一套完整的测量数据。

波速计算

单孔波速测试数据要素

由于震源板离孔口有一定距离，所以计算测段内地层波速时需将弹性波的非纵测线旅行时，计算公式如下：

t'为压缩波或剪切波从震源到接收点经斜距校正后的时间(s)(相当于波从孔口到接收点的时间)；

t为压缩波或剪切波从震源到接收点的时间(s)；

x为接收点距离孔口的垂直距离(m)；

h为震源板ZX与测试孔ZX的距离(m)。

每一波速层的压缩波速度或剪切波速度按照下式计算：

V为压缩波或剪切波速度(m／s)；

△H 为波速层厚度(m)；

△t为压缩波或剪切波到达波速层顶面和底面的时间差(s)

推荐设备配置

单孔波速测试系统（100m以内）

针对深度小于100m的勘测工作；

井中接收设备可根据需求选择一种或多种；

可运行在常规地震仪上，兼容SSC、OYO、ABEM、DMT、Geometric及国产地震仪；

推荐波速测试应用软件为：ReflexW 2D，Seismik Cross以及骄佳PS Log。

01

地面震源

大锤

大锤用于在地面激发生成地震波（P 波或S波）。锤柄上绑定有一个压电触发单元，可输出压电信号，进而被一个小盒子转换为TTL脉冲，向地震仪提供精确的触发信号。对于深度在100米以内的浅层VSP勘探，大锤是合适的震源。

长度: 1000 mm

重量: 5 kg。

02

井中接收设备

BGK5井中检波器

传感器自然频率: 10 Hz (其它频率可定制)

传感器排列: 4个水平(45°)/1个垂直

可操作深度: ZD100 m

探头长度: 600 mm

探头直径: 51 mm

探头重量: 2.8 kg

电缆重量: 145 g每米

电缆可承受拉力: 2150 N

适用孔径: 75 mm (若使用垫圈则可更大)

耦合装置: 可膨胀气囊

深度标记: 电缆上每2米

接头: 适配地震仪

存放: 绞于绞盘

BGK3/7井中检波器

传感器自然频率: 10 Hz (其它频率可定制)

传感器排列: 三轴 (BGK3) 或 6 水平 (30°)/1 垂直 (BGK7)

可操作深度: ZD100 m

探头长度: 705 mm

探头直径: 50 mm

探头重量: 3 kg

电缆可承受拉力: 2150 N

电缆重量: 145 g每米

适用孔径: 75 mm (若使用垫圈则可更大)

耦合机制: 充气气囊

定向: 磁性罗盘 (+/-2.5°)

深度标记: 电缆上每2米

接头: 适配地震仪

存放: 绞于绞盘

DDS 双探头接收系统

传感器自然频率: 28 Hz(其它频率可定制)

传感器排列: 三轴

可操作深度: 100 m

检波器数量: 2

检波器间隔: 2 m

检波器长度: 620 mm

检波器直径: 65 mm

检波器重量: 2.5 kg

电缆重量: 145 g每米

电缆可承受拉力: 2150 N

适用孔径: 75 mm

耦合机制: 充气气囊

定向: 磁性罗盘 (+/-2.5°)

深度标记: 电缆上每2米

接头: 适配地震仪

存放: 绞于绞盘

单孔波速测试系统（2000m）

01

井中接收设备

BGK3/7井中检波器

传感器自然频率: 15 Hz

(其它频率可定制)

传感器排列: 三轴

电源供应: 12 V 输入 72 V 输出

可操作深度: ZD 2000 m

ZD可承受压强: 200 bar

温度范围: 0-70 °C

探头长度: 800 mm

探头直径: 60 mm

探头重量: 8 kg

适用孔径: 75-200 mm

耦合机制: 电动机械臂

定向: 磁性罗盘 (+/- 2.5°)

通讯: 2 wire RS-485

井下电子单元: DSP = Blackfin 548,64 MB SDRAM

电缆终端: GO-4

A/D 转换: 24 bit

采样频率: 250-48000 Hz

道长度: Max. 21 s

触发方式: TTL, 检波器, 触点

软件: SmartRec (Geotomographie)

02

地震仪、软件及扩展

BGK1000是用于在干井或充水井中接收P波和S波的数字式井中检波器；按照设计，该井下检波器应配合装备有4芯电缆和Gearhart Owen电缆终端的绞车方可有效工作。检波器与井壁为机械耦合（电动机械臂）。传感器在井中的定向可由磁性罗盘获得。采集软件将地震数据存储为SEG2格式；该系统不需要地震仪；

推荐波速测试应用软件为：ReflexW 2D，Seismik Cross以及骄佳PS Log；

建议搭配DevProbe1井孔测斜探头，对震源和检波器进行精确定位，进一步提高观测精度；

跨孔波速测试

跨孔波速测试一般采用单孔激发，单孔或两个孔中接收法，孔中由三分量传感器接收，采用水平同步方式，即激发点和接收点一般位于相同高程，激发点和接收点之间的距离均根据钻孔测斜数据进行校正。

跨孔波速测试示意图

实际工作中，为了减少或消除震源延时引起的测试误差，常采用3个钻孔直线排列，单孔激发，两孔接收的方法。

三孔波速测试示意图

跨孔波速测试系统构成

现场测量一般按照以下流程进行

STEP1

将井中震源下放至预定深度，并打开推靠机构使之紧贴孔壁，将三分量检波器下放至另一个井的相同深度并贴紧孔壁；

STEP2

在地表的指令下激发震源，记录P波和S波走时。BIS-SH震源每次放炮同时产生P波和S波；

STEP3

检查数据质量无误后存储。松开震源，旋转180度后再次贴紧井壁（改变SH震源的极性方向）。井中检波器保持夹紧在相同位置。反向放炮并再次存储数据；

STEP4

一旦完成该深度的数据采集，移动检波器和震源到新的深度，并重复该过程；

STEP5

在需要的深度间隔重复此流程，直到获得一套完整的测量数据。

数据计算公式如下

双孔波速测试

V为P波或S波波速，L为激发孔与接收孔间的距离（经孔斜校正后），t为P波或S波在孔间传播时间。

三孔波速测试

V为P波或S波波速，L1，L2分别为激发孔与两个接收孔间的距离（经孔斜校正后），t1，t2分别为P波或S波在到达两个接收孔的时间。

土动力学参数计算

其中，μ为动泊松比，Ed为动弹性模量（GPa），Gd为动剪切模量（GPa）。

推荐设备配置

跨孔波速测试系统（60m以内）

01

震源供能设备

IPG800脉冲发生器+RCU

激发电压: 800 V

激发能量: 10kJ

电源供应: 2 x 12 V (汽车电池)

脉冲释放方式: 单脉冲或连续 (5/10 shots)

重复率: 10 s

尺寸: 53 x 43 x 23 cm

重量: 15 kg

特性: 脉冲计数, 测试信号，紧急关闭按钮

RCU: 启动/停止工作, 输出触发信号，紧急关闭按钮

02

井中震源

BIS-SH-DS型S波震源

生成的地震波类型: SH/P

信号频率: ZD 4 kHz

(与地质情况和孔间距有关)

可操作深度: 最深 60 m

探头长度: 880 mm

探头直径: 65 mm

探头重量: 8.5 kg

电缆重量: 665 g每米

适用孔径: 75-100 mm(若使用垫圈则更大)

耦合装置: 充气气囊

定向装置: 刚性抗扭管

深度标记: 电缆上每2米

接头: 接脉冲发生器 IPG800

存放: 绞于绞盘

03

井中接收设备

BGK5井中检波器

传感器自然频率: 10 Hz (其它频率可定制)

传感器排列: 4个水平(45°)/1个垂直

可操作深度: ZD100 m

探头长度: 600 mm

探头直径: 51 mm

探头重量: 2.8 kg

电缆重量: 145 g每米

电缆可承受拉力: 2150 N

适用孔径: 75 mm (若使用垫圈则可更大)

耦合装置: 可膨胀气囊

深度标记: 电缆上每2米

接头: 适配地震仪

存放: 绞于绞盘

04

地震仪、软件及扩展

该跨孔波速测试系统探测深度在为近地表至60m，兼顾了探测精度和使用成本，具有良好的便携性和性价比。

可运行在常规地震仪上，兼容SSC、OYO、ABEM、DMT、Geometric及国产地震仪；

推荐波速测试应用软件为：ReflexW 2D，Seismik Cross以及骄佳PS Log；

建议搭配DevProbe1井孔测斜探头，对震源和检波器进行精确定位，进一步提高观测精度。

跨孔波速测试系统（大于60m）

01

震源供能设备

IPG5000脉冲发生器+RCU

激发电压: 5000 V

激发能量: 20-30kJ

电源供应: 230 V/110 V

脉冲释放: 单次或连续

重复率: 8 s (或在3 - 8 s间自由选择)

尺寸: 52 x 32 x 53 cm

重量: 60 kg

特性：脉冲计数，触发测试，紧急关闭按钮，内/外操作模式

RCU: 单次或连续脉冲释放，脉冲计数，触发测试，触发输出，紧急关闭按钮

02

井中震源

BIS-SH-DS型S波震源

生成的地震波类型: SH/P

信号频率: ZD 4 kHz

(与地质情况和孔间距有关)

可操作深度: 最深 60 m

探头长度: 880 mm

探头直径: 65 mm

探头重量: 8.5 kg

电缆重量: 665 g每米

适用孔径: 75-100 mm(若使用垫圈则更大)

耦合装置: 充气气囊

定向装置: 刚性抗扭管

深度标记: 电缆上每2米

接头: 接脉冲发生器 IPG800

存放: 绞于绞盘

03

井中接收设备

BGK3/7井中检波器

传感器自然频率: 10 Hz (其它频率可定制)

传感器排列: 三轴 (BGK3) 或 6 水平 (30°)/1 垂直 (BGK7)

可操作深度: ZD100 m

探头长度: 705 mm

探头直径: 50 mm

探头重量: 3 kg

电缆可承受拉力: 2150 N

电缆重量: 145 g每米

适用孔径: 75 mm (若使用垫圈则可更大)

耦合机制: 充气气囊

定向: 磁性罗盘 (+/-2.5°)

深度标记: 电缆上每2米

接头: 适配地震仪

存放: 绞于绞盘

04

地震仪、软件及扩展

该跨孔波速测试系统主要针对深度大于60m的地下结构勘查；

可运行在常规地震仪上，兼容SSC、OYO、ABEM、DMT、Geometric及国产地震仪；

推荐波速测试应用软件为：ReflexW 2D，Seismik Cross以及骄佳PS Log；

可额外配置MBAS-D数字式多站井中采集系统，系统可同时拥有S波地震层析成像和跨孔波速测试两种功能。

建议搭配DevProbe1井孔测斜探头，对震源和检波器进行精确定位，进一步提高观测精度。

P波跨孔地震层析成像系统（IPG跨孔地震成像系统）

01

震源供能设备

IPG5000脉冲发生器+RCU

激发电压: 5000 V

激发能量: 20-30kJ

电源供应: 230 V/110 V

脉冲释放: 单次或连续

重复率: 8 s (或在3 - 8 s间自由选择)

尺寸: 52 x 32 x 53 cm

重量: 60 kg

特性：脉冲计数，触发测试，紧急关闭按钮，内/外操作模式

RCU: 单次或连续脉冲释放，脉冲计数，触发测试，触发输出，紧急关闭按钮

02

井中震源

SBS42型P波震源

生成的地震波类型: P波

信号频率：ZD5 kHz(视地质情况和孔距而定)

可操作深度: ZD400 m

探头长度: 645 mm

探头直径: 45 mm

探头重量: 3.8 kg

电缆重量: 206 g每米

电缆可承受拉力 3400 N

适用孔径: 最小 50 mm

耦合装置: 不需要

深度标记: 电缆上每2米

接头: 连接至至脉冲发生器 IPG5000

存放：绞于绞盘

03

井中接收设备

BHC4水听器链

传感器: SQ54 或AQ2000

频率响应: 从1 到 10.000 Hz 的平坦响应

前置放大: 4 或 10 倍

电源供应: 5号电池(电池盒放置在地表)

可操作深度深达 500 m

水听器数量: 24

(其它数量可定制)

水听器间隔: 1 m (其它间隔可定制)

水听器直径: 38 mm

电缆重量: 200 g每米

可承受拉力: 4700 N

适用孔径: 最小. 50 mm

深度标记: 电缆上每 2 m

插头: 适用任何地震仪

存放: 绞于绞盘

04

地震仪、软件及扩展

该P波地震层析成像系统探测深度可达200m，可运行在常规地震仪上，兼容SSC、OYO、ABEM、DMT、Geometric及国产地震仪；

推荐跨孔成像应用软件为：GEOTOM CG和Geogiga XW TOMO；

建议搭配DevProbe1井孔测斜探头，对震源和检波器进行精确定位，进一步提高观测精度。

S波跨孔地震层析成像系统

01

震源供能设备

IPG5000脉冲发生器+RCU

激发电压: 5000 V

激发能量: 20-30kJ

电源供应: 230 V/110 V

脉冲释放: 单次或连续

重复率: 8 s (或在3 - 8 s间自由选择)

尺寸: 52 x 32 x 53 cm

重量: 60 kg

特性：脉冲计数，触发测试，紧急关闭按钮，内/外操作模式

RCU: 单次或连续脉冲释放，脉冲计数，触发测试，触发输出，紧急关闭按钮

02

井中震源

BIS-SH型S波震源

生成的地震波类型: SH/P

信号频率: ZD 4 kHz

(与地质情况和孔间距有关)

可操作深度: 最深100 m

探头长度: 880 mm

探头直径: 65 mm

探头重量: 8.5 kg

电缆重量: 665 g每米

适用孔径: 75-100 mm(若使用垫圈则更大)

耦合装置: 充气气囊

定向装置: 刚性抗扭管

深度标记: 电缆上每2米

接头: 接脉冲发生器 IPG5000

存放: 绞于绞盘

03

井中接收设备

MBAS-D数字式多站井中采集系统

传感器自然频率: 10 Hz

传感器方向: 三轴

可操作深度: 深达100 m

ZD站台数量: 10

检波器间隔: 1 or 2 m

检波器长度: 735 mm

检波器直径: 65 mm

检波器重量: 2.5 kg

电缆长度 460 g每米

适用孔径: 75 mm

耦合机制: 充气气囊

定向: 刚性抗扭管

深度标记: 电缆上每2米

存放：绞盘和仪器箱

供电: PC USB 端口

A/D 转换: 24 bit

采样频率: 256-32768 Hz

记录长度: ZD4 s

触发: TTL, 检波器

软件: Soilspy (Micromed)

04

地震仪、软件及扩展

该S波地震层析成像系统采用数字化井中采集设备，检波器链直接与电脑连接，采用Soilspy软件控制，无需地震仪；

推荐跨孔成像应用软件为：GEOTOM CG和Geogiga XW TOMO；

可额外配置BGK3/7井中检波器，系统可同时拥有S波地震层析成像和跨孔波速测试两种功能。

建议搭配DevProbe1井孔测斜探头，对震源和检波器进行精确定位，进一步提高观测精度。

性能对比

下图为江西彭泽核电厂一期核岛工程中，对两个区域，分别进行单孔与跨孔波速测试，所得到的波速成果对比图。（资料来源见参考文献）

单孔与跨孔波速曲线对比图

1-单孔纵波速度 2-单孔横波速度 3-跨孔纵波速度 4-跨孔横波速度

从波速曲线整体分析可知，单孔法测试得到的速度整体比跨孔法的速度低8％～15％，单孔法波速曲线起伏比跨孔法大，在出现薄层互层的情况下，单孔法所测曲线能够出现较为明显的反映，而跨孔法反映不是很明显。

从信号的频谱分析可以看出，单孔法的频率比跨孔法低一些，根据弹性波传播理论可知，在相同的介质中，低频信号传播速度比高频信号慢一些。

在其它地区的试验统计结果认为，单孔法比跨孔法波速结果低5％~20％。单孔法是根据垂直方向相邻两个信号之间的时差来计算速度，而跨孔法是根据弹性波在两个钻孔之间的传播时差来计算，具有较强的平均效应，所以单孔法对于岩体中存在的缓倾角裂隙、薄层互层反映更为灵敏。但是，由于受裂隙等因素影响较小，跨孔法更能够较为准确地提供岩体的整体波速。

总结

单孔法与跨孔法波速测试在实际应用中各有优缺点。从测试结果得到如下结论。

单孔法测试得到的速度整体比跨孔法的速度低8％～15％；

单孔法波速曲线起伏比跨孔法大，能够反映岩体裂隙发育程度、薄层互层等地质现象；

跨孔法能够较为准确反映岩体的平均波速。

单孔法与跨孔法波速测试均可得到较好的效果，在应用中应根据不同需要进行方法的选择。

参考文献

陈哲，章中良，吴魁彬，单孔与跨孔波速测试在工程中的应用[J],地质学刊，2010，34（2），192-195

董树巍，刘伟强，波速测试在岩土工程勘察中的应用[J]，工程技术，2009，357-358

胡龙胜，覃继，跨孔波速测试技术在沉积地层中的应用[J]，水运工程，2013（7），114-117

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