《大距离跨孔声波探测技术研究》

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课题针对跨孔声波探测穿透距离短,不能满足工程需要的问题,研制了能实现大距离跨孔声波探测的大能量声波震源、高灵敏检波器、智能化测试声波仪等系统硬件。主要表现在:

一、主要研究内容:

(1)研制了小体积、大能量新型电火花震源和相应大能量电火花专用发射头;

(2)研制了具有频率高、频带宽、动态范围大的高分辨弯扭式压电检波器;

(3)研制了新型一体式地层声波CT探测仪;

(4)采用弯曲射线追踪和全波形反演相结合的成像方法,显著提高了地层CT成像精度;

(5)综合以上技术,首次实现了穿透距离超过100米的大距离跨孔声波探测。

二、核心技术研究:

1、首次研制了一种小体积、大能量新型电火花震源及相应大能量电火花专用发射头,为大距离声波探测提供了需要的高能震源方式;

新型大能量电火花震源经多次试验,地层穿透大于100m,激发震源频带宽、高频成分丰富,完全适合于大距离跨孔声波探测作业。具体特点如下:

①新的电火花震源具有高电容量、高额定电压及适合急充急放的特点,实现了小体积大能量的特点,试验探测距离大于100m;

②采用内置22Ah锂离子充电电池,可持续工作8小时以上,打破了大多数传统电火花震源需要自带发电机的野外工作模式,便携高效;

③激发震源频带宽、高频成分丰富,为探测提高分辨率提供了一种理想震源。

④发射头能量聚焦,不易损坏、使用寿命可达6000次。

2、首次研制了具有频率高、频带宽、动态范围大的高分辨弯扭式压电检波器,提高了超长跨孔条件下声波信号接收的灵敏度和分辨率;

新型弯扭式检波器设计采用惯性棒直接作用在压电片的中心点,使力的作用线和支点(压电片边缘固定端)之间形成较大的力臂,因此,在受到即便是很轻微的振动时,惯性棒在其惯性力和与其上端连接的约束弹簧片的弹力作用下向压电陶瓷片中心作用外力,使压电片产生较大的弯扭变形,从而产生较大的压电信号,从而使检波器的分辨率和灵敏度得以提高。

对比实验表明新制传感器在灵敏度、频率响应和稳定性方面都具有明显优势。

3、研制了新型一体式声波CT探测仪,实现了同步16通道、24位AD精度、通道间光电隔离(耐电达2000v);

4、首次采用弯曲射线追踪和全波形反演相结合的声波CT成像方法,提高了CT成像精度;

在数据处理时采用以射线追踪CT成像为基础,结合全波形反演的算法大大的提高了CT成像的精度。该课题在CT数据成像处理上以波动方程正演中的非均匀介质二维声波、粘声波、弹性波以及粘弹性波交错网格高阶有限差分正演模拟为基础,以走时、相位、振幅和波速相结合,对地层的参数进行反演,得到了较好的效果。

三、试验研究:

该项目开发的测试系统已应用于贵阳枢纽隧道注浆工程检测、南(宁)钦(州)铁路采空区、沪昆铁路岩溶路基、无锡世贸中心地基探测等项目中,成果测试距离长、结果准确、测试快捷,特别是解决了深层大跨距不良地质体的探测难题,大大降低了因不良地质体造成的各种地基失稳等工程事故和财产损失,提高了施工进度,产生了巨大的经济效益。

成果说明

课题开发的大跨距跨孔声波CT系统成功解决了大距离跨孔探测问题,同时声波CT成像精度显著提高,设备系统具有集成化程度高,设备轻便,测试快捷,测试距离长,准确率高的特点。该成果的推广具有重大的社会和经济效益。 (1)该项技术研制的新型一体式声波CT探测设备,采用弯曲射线追踪和全波形反演相结合的成像方法,显著提高了地层CT成像精度,首次实现了大距离(穿透距离超过100m)跨孔声波探测。测试距离的增大从根本上扩大了跨孔CT的应用领域,成功解决了深层大型不良地质体的探测难题,为工程建设提供了重要参考依据。 (2

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