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

        2020-01-02 05:22:52樓加丁孫永清
        水利水電快報(bào) 2019年12期
        關(guān)鍵詞:電火花震源聲波

        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。基于上述問(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?chē)乃婋x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(zhuān)用電極瞬間放電,在水中通過(guò)脈沖大電流,使周?chē)纬筛邷馗邏簠^(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(mǎn)水,并在放電探頭多孔塑膠套內(nèi)注滿(mǎn)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(hù)自定義閾值)后放電,放電探頭瞬間釋放能量,使周?chē)橘|(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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。

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