技术领域
[0001] 本
发明属于岩土工程领域，特别涉及一种测定区域岩体等效波速的方法。
背景技术
[0002] 岩土工程中，岩体波速是岩体
质量和稳定评价的重要指标之一。岩体波速能够反映岩体完整性，岩体内部裂隙越少、完整性越好，岩体波速越大，岩体质量越高；相反，岩体2
波速低则说明岩体质量相对较差。根据公式E＝ρc(其中c为岩体波速，E为
弹性模量，ρ为岩体
密度)可知，岩体波速大小还能反映岩体弹性模量的大小。因此，在工程施工过程中，岩体波速的测定是岩体质量检测的重要方式。一般地，将能够反映整个区域岩体的岩体完整性、裂隙发育程度等平均性质的波速称为等效波速。
[0003] 现有的岩体波速测定采用的是传统的单孔
声波测试法，如图3所示，把一只声发射换能器和两只接收换能器安装在同一钻孔中，根据两只接收换能器的间距
和声波初至时间差，即可计算出接收换能器所在
位置的岩体的波速。该方法是一种二维方法，通常选取重要的断面位置钻取声波测试钻孔，通过该方法获得的岩体波速虽然可反映岩体质量的变化特征，但该方法测定的波速仅为某一直线或者某一断面在一定深度处的波速特征，无法准确反映一定区域内岩体的整体质量。目前工程实践中急需开发出测定岩体等效波速的方法，以更准确地反映一定区域岩体的整体质量，有助于在工程实践中对岩体性质进行更精确的整体评估。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，提供一种测定区域岩体等效波速的方法，以便于在工程实践中对岩体性质进行更精确的整体评估。
[0005] 本发明所述方法采用爆破实验产生的弹性波的来代替岩体微震产生的弹性波，采用微震
定位算法计算爆破实验的
震源位置。
[0006] 本发明所述测定区域岩体等效波速的方法，步骤如下：
[0007] (1)在待测岩体区域安装至少5个
传感器，各传感器形成空间网状结构分布并将待测岩体区域
覆盖，在待测岩体区域设置至少6个爆破孔；以某一个传感器的位置为坐标原点建立三维直
角坐标系，测量各传感器和各爆破孔孔底中心处的三维坐标，将第i个传感器的三维坐标记作(xi,yi,zi)，第j个爆破孔孔底中心处的三维坐标记作(xj,yj,zj)；
[0008] (2)在每个爆破孔的孔底安装炸药，于不同时间点分别在各爆破孔中进行一次爆破试验，通过传感器记录各次爆破试验产生的弹性波
波形信息，并从采集到的波形信息中读取各传感 器接收到弹性波的起跳时刻；
[0009] (3)根据地质勘探资料或者单孔声波测试法初步确定待测岩体区域的波速范围为v1～vkm/s，在v1～vk范围取k个不同的波速v1,v2,…,vk，相邻波速之间的波速差不超过50m/s；
[0010] (4)①设待测岩体区域的波速为vl，采用微震定位算法计算在第j个爆破孔中进行爆破实验时震源的计算位置(xj1,yj1,zj1)，以第j个爆破孔孔底的中心处作为在该爆破孔中进行爆破实验时震源的真实位置，根据式(1)计算在第j个爆破孔中进行爆破实验时，震源的计算位置(xj1,yj1,zj1)与其真实位置(xj,yj,zj)之间的距离ξj1，
[0011]
[0012] 式(1)中，j为1～m之间的正整数，m为爆破孔的数量，j取遍1～m之间的正整数即可得到在每一个爆破孔中进行爆破实验时，各震源的计算位置与其真实位置之间的距离ξ11,ξ21,…,ξm1，然后根据式(2)计算在各个爆破孔中进行爆破实验时，各个震源的计算位置与其真实位置之间的平均距离ξ1，
[0013]
[0014] ②分别设待测岩体区域的波速为v2,v3,…,vk，重复步骤①的操作，得到当待测岩体区域的波速为v2,v3,…,vk、在各个爆破孔中进行爆破实验时，各个震源的计算位置与其真实位置之间的平均距离ξ2,ξ3,…,ξk；
[0015] ③根据式(3)得到ξ1,ξ2,…,ξk中的最小值ξθ，
[0016] ξθ＝min{ξ1,ξ2,…,ξk} (3)
[0017] ξθ对应的波速即为待测岩体区域的等效波速。
[0018] 上述方法中，所述各传感器形成空间网状结构分布将待测岩体区域覆盖是指：若将各传感器沿待测区域岩体的表面连接起来，会形成一个传感器网络，该传感器网络将待测岩体区域包覆在内。
[0019] 上述方法中，爆破孔设置在待测岩体区域的不同高程和不同断面并且爆破孔位于各传感器形成的空间网状结构内。
[0020] 上述方法中，所述传感器的布置应避免任意三个传感器位于同一直线且避免任意四个传感器位于同一平面。
[0021] 上述方法中，所述vk与v1之间波速差为1000～1500m/s。
[0022] 上述方法中，所述爆破孔的深度为1.5～2.5m，孔径为30～40mm。
[0023] 上述方法中，每个爆破孔中炸药的用量为150～250g，安装炸药后将爆破孔的孔口用松散的土粒封堵，所述炸药为乳化炸药。
[0024] 上述方法中，所述传感器的数量随着待测岩体区域的增大而增加，传感器为压电式传感器，优选为
加速度传感器和速度传感器。
[0025] 上述方法中的步骤(3)，当地质勘探资料中记载了岩体的波速范围时，可根据勘探资料初步确定待测岩体区域的波速范围；当地质勘探资料中未记载波速范围时，采用单孔声波测试法在待测岩体的至少3个断面和高程测试岩体波速，由此确定初步确定待测岩体区域的波速范围。
[0026] 上述方法中，设待测岩体区域的波速为vl，采用微震定位算法计算在第j个爆破孔中进行爆破实验时震源的计算位置(xj1,yj1,zj1)的方法如下：
[0027] 震源参数θj1＝(tj1,xj1,yj1,zj1)是以下一组n-1个线性方程的解，n为传感器的个数。
[0028]
[0029] 式 (4) 中，(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),…,(xn-1,yn-1,zn-1)、(xn,yn,zn) 依 次 为 第1,2,…,n-1,n个传感器的三维坐标，t1,j，t2,j，…，tn-1,j、tn,j分别为在第j个爆破孔中进行爆破试验时，第1,2,…,n-1,n个传感器的接收到弹性波的时间。
[0030] 当式(4)中的v取v1，且j取遍1～m之间的所有正整数，m为爆破孔的数量，即可得到(xj1,yj1,zj1)。
[0031] 同理，依次让式(4)中的v取v2，v3…vk，且j取遍1～m之间的所有正整数，m为爆破孔的数量，即可得到(xj2,yj2,zj2)，(xj3,yj3,zj3)，…(xjk,yjk,zjk)。
[0032] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0033] 1、本发明提供了一种测定区域岩体等效波速的方法，该方法将微震定位与岩体波速测定技术相结合，是一种三维方法，该方法的测试结果反映能够一定区域岩体的整体质量，有助于在工程实践中对岩体性质进行更精确的整体评估，克服了传统二维方法只能测定区域岩体 在某一直线或某一断面在一定深度处的波速，无法有效反映区域内岩体整性质的不足。
[0034] 2、由于本发明所述方法中，各传感器形成空间网状结构分布将待测岩体区域覆盖，并且尽量避免了传感器沿直线和平面布置的几率，这有利于提高传感器网络的抗干扰能
力，将爆破孔设置在传感器形成的空间网状结构内，保证了所有爆破孔在爆破实验时岩体产生的弹性波
信号能被传感器有效采集，进而保证了等效波速测定结果的准确性。
[0035] 3、本发明所述方法的操作简单，采用常规设备即可实现，在实际工程中的可操作性强，容易推广应用。
附图说明
[0036] 图1是
实施例中传感器和爆破孔在待测岩体区域的布置位置示意图；
[0037] 图2是实施例中编号为2-1的爆破孔在待测岩体区域布置的剖视图；
[0038] 图3是现有单孔声波测试法测定岩体波速的示意图；
[0039] 图中，1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、1-8为传感器，2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7为爆破孔，3—岩体，4—信号
电缆，5—发射换能器，6、7—接收换能器，L—爆破孔的深度，D—爆破孔的孔径。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图对本发明所述测定区域岩体等效波速的方法作进一步说明。有必要指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟悉人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明的保护范围。
[0041] 本实施例中，待测岩体区域的尺寸为280m×125m×105m，测定等效波速的步骤如下：
[0042] (1)①如图1所示，在待测等效波速的岩体区域安装8个加速度传感器，将各传感器分别编号为1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7和1-8，这8个传感器形成空间网状结构分布并将待测岩体区域覆盖，传感器的布置避免了任意三个传感器位于同一直线上、任意四个传感器位于同一平面内；
[0043] ②如图1所示，在待测岩体区域布置7个爆破孔，将各爆破孔分别编号为2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6和2-7，各爆破孔位于待测岩体区域的不同高程和不同断面且所有爆破孔都位于上述8个传感器形成的空间网状结构内；编号为2-1的爆破孔的布置方式如图2所示，其他爆破孔的布置方式与编号为2-1的爆破孔相同，都遵循爆破孔垂直于岩壁布置的原则，各爆破孔的深度L为1.5～2.5m，孔径D为40mm。
[0044] ③以编号为1-1的传感器的位置为坐标原点，建立直角三维坐标系，采用全站仪测量各 传感器和爆破孔孔底中心处的三维坐标。将编号为1-i的记传感器的三维坐标记为(xi,yi,zi)，各传感器的三维坐标如表1所示。将编号为2-j的爆破孔底中心处的三维坐标记为(xj,yj,zj)，各爆破孔孔底中心处的三维坐标如表2所示。
[0045] 表1各传感器的三维坐标
[0046]
[0047] 表2各爆破孔孔底中心处的三维坐标
[0048]
[0049] (2)在每个爆破孔的孔底安装200g乳化炸药，连接导爆线和高压静电起爆器，将各爆破孔的孔口用现场的松散的土粒封堵，以减少爆破时的
能量损失。按照爆破孔的编号从2-1～2-7的顺序，每间隔20min依次在各爆破孔中进行一次爆破试验，通过传感器采集每一次爆破产生的弹性波的波形信息，并从采集到的波形信息中读取各传感器接收到弹性波的起跳时刻，将在编号为2-j的爆破孔中进行爆破试验时，编号为1-i的传感器接收到弹性波的起跳时刻记为ti,j，如表3所示。
[0050] 表3各传感器接收到弹性波的起跳时刻ti,j
[0051]
[0052]
[0053] (3)根据地质勘探资料，初步确定待测岩体区域的波速范围为4000～4450m/s，在该波速范围内，以50m/s为间隔，选取v1＝4000m/s、v2＝4050m/s、v3＝4100m/s、v4＝4150m/s、v5＝4200m/s、v6＝4250m/s、v7＝4300m/s、v8＝4350m/s、v9＝4400m/s、v10＝
4450m/s共10个波速值。
[0054] (4)①设待测岩体区域的波速为vl，采用微震定位算法计算在编号为2-j的爆破孔中进行爆破实验时震源的计算位置(xj1,yj1,zj1)，具体计算方法如下：
[0055] 通过求解如式(5)所示的一组7个线性方程，即可得到在待测岩体区域岩体波速为v1条件下，在编号为2-j的爆破孔中进行爆破实验时，震源参数为θjl＝(tjl,xjl,yjl,zjl)，其中，tj1为震源发生的时间，(xj1,yj1,zj1)为震源三维坐标的计算值，即震源的计算位置。
[0056]
[0057] 式(5)中，(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)、(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)、(x7,y7,z7)、(x8,y8,z8)依次为编号为1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、1-8的传感器的三维坐标，t1,j、t2,j、t3,j、t4,j、t5,j、t6,j、t7,j、t8,j分别为在编号为2-j的爆破孔中进行爆破试验时，编号为1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7和1-8的传感器接收到弹性波的起跳时刻。
[0058] 当式(5)中的v取v1＝4000m/s，且j取遍1～7中的整数，即可得到(xj1,yj1,zj1)，结果如表4-1中的第二列所示。
[0059] 依次让式(5)中的v取v2，v3…v10，且j取遍1～7中的整数，即可得到(xj2,yj2,zj2)，(xj3,yj3,zj3)，(xj4,yj4,zj4)，(xj5,yj5,zj5)，(xj6,yj6,zj6)，(xj7,yj7,zj7)，(xj8,yj8,zj8)，(xj9,yj9,zj9)，(xj10,yj10,zj10)，结果如表4-1及表4-2所示。
[0060] 表4-1震源三维坐标的计算值(单位：m)
[0061]
[0062] 表4-2震源三维坐标的计算值(单位：m)
[0063]
[0064] 由于炸药安装在爆破孔的孔底，因此在某一爆破孔中进行爆破实验时，可认为爆破时震源的真实位置即为该爆破孔孔底的中心位置。因此，如果在岩体波速为v的条件下采用微震定位算法计算出的某一次爆破试验的震源位置与该爆破孔孔底的中心位置越接近，即震源的计算位置与其真实位置之间的距离越小，说明在该岩体波速v下采用微震定位计算出的震源位置就越准确，进一步说明设的岩体波速v就更接近岩体的等效波速。
[0065] 设待测岩体区域的波速为vl，在编号为2-j的爆破孔中进行爆破实验时震源的计算位置为(xj1,yj1,zj1)，以编号为2-j的爆破孔孔底的中心位置作为在该爆破孔中进行爆破实验时震源的真实位置，根据式(1)计算在编号为2-j的爆破孔中进行爆破实验时，震源的计算位置(xj1,yj1,zj1)与真实位置(xj,yj,zj)之间的距离ξj1，
[0066]
[0067] 式(1)中，j为1～7之间的正整数，j取遍1～7之间的正整数即可得到在每一个爆破孔中 进行爆破实验时，各震源的计算位置与其真实位置之间的距离ξ11,ξ21,…,ξ71，然后根据式(2)计算在各个爆破孔中进行爆破实验时，各个震源的计算位置与其真实位置之间的平均距离ξ1，结果如表5-1所示，
[0068]
[0069] ②分别设岩体区域的波速为v2,v3…,v10，重复步骤①中除计算震源的计算位置以外的操作，得到当岩体区域的波速为v2,v3…,v10、在各个爆破孔中进行爆破实验时，各个震源的计算位置与其真实位置之间的平均距离ξ2,ξ3,…,ξ10(见表5-1和5-2)；
[0070] 表5-1ξj1～ξj5和ξ1～ξ5的计算结果
[0071]
[0072] 表5-2ξj6～ξj10和ξ6～ξ10的计算结果
[0073]
[0074] ③根据式(3)得到ξ1,ξ2,…,ξ10中的最小值ξθ，ξθ＝ξ4＝11.2(米)，[0075] ξθ＝min{ξ1,ξ2,…,ξ10} (3)
[0076] ξθ对应的波速v4＝4150m/s即为待测岩体区域的等效波速。
