一种冻结壁扩展速度超声波检测方法与流程

本发明涉及冻结壁监测技术领域。具体地说是一种冻结壁扩展速度超声波检测方法。

背景技术：

冻结法是井巷工程应用人工制冷技术暂时冻结地下水以加固不稳定冲积层、松软含水层、富水砂层的特殊施工方法。该方法主要利用不透水且抗压强度较高的冻结帷幕承担地层压力、地层水冻结成冰产生的冻胀压力与渗流压力等，故冻结壁发育正常与否是冻结法凿井施工的成败关键。冻结壁扩展速度是判断冻结壁发育状况的重要指标之一。利用冻结壁扩展速度即可预测冻结壁形成设计厚度的时间，又能及时发现冻结壁出现异常情况。但是当地下水流速大于5m/d时，冻结壁往往会出现形状不规则、强度不均匀、开窗地点随机等异常状况，扩展速度也会相应出现异常。目前主要的冻结壁扩展速度监测手段为测温孔测温法，在流速较大的地层条件下受到影响较大，不能够有效反应冻结壁的扩展速度，不能实现对冻结壁交圈状况的“早期预报、过程监测、效果评价”。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种冻结壁扩展速度超声波检测方法，用以解决在地下水流速大于5m/d时，测温孔测温法需利用理想冻土圆柱假设计算冻结壁扩展速度，从而导致检测结果与实际偏差较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种冻结壁扩展速度超声波检测方法，包括如下步骤：

(1)改装冻结器结构；

(2)在超声波检测之前应当对冻结孔b和声测孔a进行验收；

(3)冻结壁扩展速度超声波检测，得到冻结壁扩展速度，然后与温度检测孔推测冻结壁扩展速度进行对比，用于监测冻结壁扩展过程。

上述冻结壁扩展速度超声波检测方法，改装后的冻结器包括：供液管(9)上部侧壁设有进水管(2)，供液管(9)的顶部设有超声波监测口(1)，进水管(2)通过进水胶管与进水干管(7)连接，进水胶管与进水干管(7)之间安装有进水闸阀(5)，进水干管(7)、进水胶管、进水管(2)、超声波监测口(1)与供液管(9)之间流体导通；在超声波监测口(1)的顶端安装有封口帽(3)；回流管(14)通过回水胶管(11)与回水干管(8)连接，在回水胶管与回水干管(8)之间安装有回水闸阀(6)，回流管(14)、回水胶管(11)和回水干管(8)之间流体导通；在回水胶管(11)上安装有测温管(12)，在进水干管(7)和回水干管(8)上均设有放空阀(13)；在回流管(14)的侧壁上设有测流管(10)；所述供液管(9)和所述回流管(14)位于冻结孔b内，所述供液管(9)即为冻结管b；在声测孔a中下方有声测管a。

上述冻结壁扩展速度超声波检测方法，检查声测孔a中的声测管a和冻结孔b中的冻结管b内是否有异物堵塞，同时检查声测管a和冻结管b管身是否有裂纹、弯曲或压扁情况；声测孔a中的声测管a与冻结孔b中的冻结管b之间应保持平行，不平行度应小于等于1‰；声测孔a中的声测管a和冻结孔b中的冻结管b安装完毕后将上口封闭，以免落入异物，致使孔道堵塞；声测孔a中的声测管a和冻结孔b中的冻结管b管道均高于地表300mm～500mm，保证声测孔a中的声测管a和冻结孔b中的冻结管b露出地表的高度相同。

上述冻结壁扩展速度超声波检测方法，包括：

(3-1)冻结前阶段测量；

(3-2)冻结过程阶段测量。

上述冻结壁扩展速度超声波检测方法，在步骤(3-1)中：

(3-1-1)准确测量声测孔a和声测孔b的圆心距s、声测孔a中的声测管a和冻结孔b中的冻结管b的内径d和外径d，测量精度为±1mm，且声测孔a和声测孔b的圆心距s小于2.5m；

(3-1-2)打开进水闸阀(5)，从进水管(2)向冻结孔b内注入盐水，开机试循环，当测温管(12)测得冻结管b内盐水温度为-25～-28℃后，关闭进水闸阀(5)和回水闸阀(6)，停止盐水循环，打开封头帽(3)，将超声波探头(4)的接收换能器从超声波监测口(1)下放至冻结孔b的供液管(9)中；在声测孔a中的声测管a放入盐水，将超声波探头(4)的发射换能器下放至声测孔a中的声测管a，同步提升声测孔a内的超声波探头(4)的发射换能器和冻结孔b内的超声波探头(4)的接收换能器，使超声波探头(4)的发射换能器和超声波探头(4)的接收换能器在同一水平位置上；

(3-1-3)标定超声波检测仪从声测孔a的超声波探头(4)的发射换能器至冻结孔b的超声波探头(4)的接收换能器系统产生的系统延迟时间t0后，记录每次测点的未冻结时超声波波速vb，及超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间τb；

(3-1-4)当未冻结时超声波波速vb和超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间τb与不同深度同一土层的检测结果不一致时，需要及时分析地质原因，排查空洞、地下水流速原因，达到早期预报的目的；

(3-1-5)检测完毕后，及时拧紧冻结孔b的冻结器上的封头帽(3)，并检查封头帽(3)垫圈封水情况，防止盐水泄露。

上述冻结壁扩展速度超声波检测方法，

在步骤(3-1-3)中，系统延迟时间t0的计算方法如(ⅰ)所示：

t0＝t1+tb+ty(ⅰ)

其中t1为仪器本身声延时间，在-25～-28℃盐水中十字交叉，按采样键，测得声时值作为声延时间；tb为穿过冻结管壁的时间，tb＝(d-d)/v1，其中d为冻结管外径；d为冻结管内径；v1为钢质冻结管波速；ty为穿过耦合-25～-28℃盐水的时间，ty＝(d-dh)/v2，其中dh为超声波探头的外径；v2为-25～-28℃盐水声速波速。

上述冻结壁扩展速度超声波检测方法，在步骤(3-2)中：

(3-2-1)当冻结时间为td1时，将超声波探头(4)的发射换能器置于声测孔a中的声测管a内，将超声波探头(4)的接收换能器置于冻结孔b中的冻结管b内，使超声波探头(4)的发射换能器和超声波探头(4)的接收换能器的位置与冻结前的步骤(3-1-2)的超声波探头(4)在同一水平上，不平行度小于等于1‰；记录td1时的超声波波速为vd1；超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间为τd1，检测推测冻结壁扩展位置为sd1；

(3-2-2)当冻结时间为td2时，将超声波探头(4)的发射换能器置于声测孔a中的声测管a内，将超声波探头(4)的接收换能器置于冻结孔b中的冻结管b内，使超声波探头(4)的发射换能器和超声波探头(4)的接收换能器的位置与冻结前的步骤(3-1-2)的超声波探头(4)在同一水平上，不平行度小于等于1‰；记录td2时的超声波波速为vd2；超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间为τd2，检测推测冻结壁扩展位置sd2；

(3-2-3)得到两次检测时间内的冻结壁扩展速度v公式如(ⅱ)：由于和提取sd1和sd2项则有：和得到公式如(ⅱ)：

两次检测时间间隔为△t＝td2-td1；△s在两次检测时间冻结壁向未冻土侧发展的距离，△s＝sd2-sd1；声测孔a和冻结孔b的圆心距s；vb为未冻结时超声波波速；vd1为td1时的超声波波速；vd2为td2时的超声波波速；τd1为td1时超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间；τd2为td2时超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间；

(3-2-4)将由(ⅱ)计算得到的冻结壁扩展速度v与测温孔测温法推测冻结壁扩展速度进行对比，当出现误差突变超过7～10％时，视为冻结壁出现异常状况，利用超声波法或冻结器内纵向测温法对声测区域附近的冻结孔一一排查，对于一直不交圈冻结孔及时采取注浆和强化冻结措施，达到过程监测及效果评价的目的。

上述冻结壁扩展速度超声波检测方法，在步骤(3-1)中，冻结前阶段的检测频次为两次；在步骤(3-2)中，冻结过程阶的检测频次为1次/3天。

上述冻结壁扩展速度超声波检测方法，冻结过程阶段的频次，当水文孔、测温孔数据常规监测手段得到数据存在误差突变时，检测频次可增加。

上述冻结壁扩展速度超声波检测方法，在步骤(3-1-2)中，超声波探头(4)下放至供液管(9)时，上、下相邻两测点的间距为250～600mm。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

本发明将冻结管原进水口改为双通口，进水管接斜管作为新的进水口，以冻结孔为声测孔，不需要再增加其他声测孔，方法简单。

本发明可以实现在冻结前早期预报，当超声波波速异常、通行时间与其它同水平检测结果不一致情况，需要及时分析地质原因，排查空洞、地下水流速等原因，达到早期预报的目的；在冻结阶段，当出现超声波推测冻结壁扩展速度突变的情况时，需及时判断冻结壁出现异常状况，利用超声波法或冻结器内纵向测温法对声测区域附近的冻结孔一一排查，对于一直不交圈冻结孔及时采取注浆、强化冻结等措施，达到过程监测及效果评价的目的。

地下水流速大于5m/d时，冻土柱为非规则的形状；如图3所示，测温孔法是假设冻土柱为圆柱；如图4所示，采用本发明方法所得到的冻结壁扩展速度是实际测量值，不需要利用理想冻土圆柱假设，超声波检测得到的冻结壁扩展速度相比于测温孔测温法得到的冻结壁扩展速度，偏差较小。因为在大流速情况下，冻土柱不是圆柱，而是非规则形状，而本发明中利用超声波测出的扩展速度为客观值；测温孔由于假设冻土柱为圆柱，所以偏差较大，至于偏差是多少并没有定量衡量方法，其与流速导致冻土柱非规则形状与圆柱相差多少有关，不是个定值，也没有定量的计算方法。

附图说明

图1本发明冻结壁扩展速度超声波检测方法的超声波检测冻结壁扩展速度示意图；

图2本发明冻结壁扩展速度超声波检测方法的下放超声波探头的冻结孔改装图；

图3测温孔法中假设冻土柱为圆柱的示意图；

图4地下水流速大于5m/d时，冻土柱为非规则的形状示意图。

图中附图标记表示为：1-超声波监测口；2-进水管；3-封口帽；4-超声波探头；5-进水闸阀；6-回水闸阀；7-进水干管；8-回水干管；9-供液管；10-测流管；11-回水胶管；12-测温管；13-放空阀；14-回流管；15-鱼鳞扣/丝扣。

具体实施方式

第一步：改装冻结器结构；

如图2所示，将原进水口改为双通口，进水管接斜管作为新的进水口。改装后的冻结器包括：供液管9上部侧壁设有进水管2，供液管9的顶部设有超声波监测口1，进水管2通过进水胶管与进水干管7连接，进水胶管与进水干管7之间安装有进水闸阀5，进水干管7、进水胶管、进水管2、超声波监测口1与供液管9之间流体导通；在超声波监测口1的顶端安装有封口帽3；回流管14通过回水胶管11与回水干管8连接，在回水胶管11与回水干管8之间安装有回水闸阀6，回流管14、回水胶管11和回水干管8之间流体导通；在回水胶管11上安装有测温管12，在进水干管7和回水干管8上均设有放空阀13；在回流管14的侧部上设有测流管10；供液管9和回流管14位于冻结孔b内，供液管9即为冻结管b；在声测孔a中下方有声测管a。

第二步：在超声波检测之前应当对冻结孔和声测孔进行验收；

1)检查声测孔a中的声测管a内和冻结孔b中的冻结管b内是否有异物堵塞，同时检查声测管a和冻结管b的管身是否有裂纹、弯曲或压扁等情况；

2)声测孔a中声测管a与冻结孔b中冻结管b之间应基本上保持平行，不平行度应控制在1‰以下；3)声测孔a中的声测管a和冻结孔b中的冻结管b安装完毕后应将上口封闭，以免落入异物，致使孔道堵塞；4)声测孔a中的声测管a和冻结孔b中的冻结管b应高于地表300mm～500mm，尽量保证声测孔a中的声测管a和冻结孔b中的冻结管b露出地表的高度相同。

第三步：冻结壁扩展速度超声波检测。冻结壁扩展速度超声波检测分为两个检测阶段：(1)冻结前阶段；(2)冻结过程阶段。各个阶段的超声波检测方法大致相同。但检测频次不同。其中，冻结前阶段检测两次；冻结过程阶段根据水文孔、测温孔数据正常与否进行适当调整，一般为1次/3天。

(1)冻结前阶段测量

(1-1)准确测量声测孔a和冻结孔b的圆心距s、声测孔a中的声测管a和冻结孔b中的冻结管b内径d和外径d，测量精度为±1mm，且s小于2.5m；

(1-2)打开进水闸阀5，从进水管2向冻结管b内注入盐水，开机试循环，当测温管12测得冻结管b内盐水温度为-25～-28℃后，关闭进水闸阀5和回水闸阀6，停止盐水循环，打开封头帽3，将超声波探头4的接收换能器下放至冻结孔b的供液管9中，将超声波探头4的发射换能器下放至声测孔a中的声测管a内，下放至检测位置，同步提升超声波探头4的发射换能器和超声波探头4的接收换能器，使超声波探头4的发射换能器和超声波探头4的接收换能器在同一水平上；上、下相邻两测点的间距宜为250～600mm。

(1-3)标定超声波检测仪从声测孔a的超声波探头4的发射换能器至冻结孔b的超声波探头4的接收换能器系统产生的系统延迟时间t0后，记录每次测点的未冻结时超声波波速vb，及超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间τb；

系统延迟时间t0的计算方法如(ⅰ)所示：

t0＝t1+tb+ty(ⅰ)

其中t1为仪器本身声延时间，在-25～-28℃盐水中十字交叉，按采样键，测得声时值作为声延时间；tb为穿过冻结管壁的时间，tb＝(d-d)/v1，其中d为冻结管外径；d为冻结管内径；v1为钢质冻结管波速；ty为穿过耦合-25～-28℃盐水的时间，ty＝(d-dh)/v2，其中dh为超声波探头的外径；v2为-25～-28℃盐水声速波速。

(1-4)当未冻结时超声波波速vb和超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间τb与不同深度同一土层的检测结果不一致时，需要及时分析地质原因，排查空洞、地下水流速原因，达到早期预报的目的；

(1-5)检测完毕后，及时拧紧冻结孔b的冻结器山的封头帽3，并检查封头帽3垫圈封水情况，防止盐水泄露。

(2)冻结过程阶段测量

冻结过程阶段一般为1～60d，该阶段内检测方法与冻结前阶段超声波检测基本一致。每个测点的测量水平要与冻结前阶段超声波检测保持一致，不平行度应控制在1‰以下。

(2-1)当冻结时间为td1时，将超声波探头4的发射换能器置于声测孔a中声测管a内，将超声波探头4的接收换能器置于冻结孔b中的冻结管b内，使超声波探头4的发射换能器和超声波探头4的接收换能器的位置与冻结前的步骤(1-2)的超声波探头4在同一水平上，不平行度应小于等于1‰；记录td1时的超声波波速为vd1；超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间为τd1，检测推测冻结壁扩展位置为sd1；

(3-2-1)当冻结时间为td2时，将超声波探头4的发射换能器置于声测孔a内，将超声波探头4的接收换能器置于冻结孔b中的冻结管b内，使超声波探头4的发射换能器和超声波探头4接收换能器的位置与冻结前的步骤(1-2)的超声波探头4在同一水平上，不平行度应小于等于1‰；记录td2时的超声波波速为vd2；超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间为τd2，检测推测冻结壁扩展位置sd2；

(2-3)得到两次检测时间内的冻结壁扩展速度v公式如(ⅱ)：

如图1所示：

提取sd1和sd2项则有则得到公式(ⅱ)：

△t为两次检测时间间隔，△t＝td2-td1；△s为在两次检测时间冻结壁向未冻土侧发展的距离，△s＝sd2-sd1；声测孔a和冻结孔b的圆心距s；vb为未冻结时超声波波速；vd1为td1时的超声波波速；vd2为td2时的超声波波速；τd1为td1时超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间；τd2为td2时超声波由声测孔a至冻结孔b的通行时间；

(2-3)将由(ⅱ)计算得到的冻结壁扩展速度v与测温检测孔推测冻结壁扩展速度进行对比，当出现误差突变超过7～10％的情况时，视为冻结壁出现异常状况，利用超声波法或冻结器内纵向测温法对声测区域附近的冻结孔一一排查，对于一直不交圈冻结孔及时采取注浆和强化冻结措施，达到过程监测及效果评价的目的。

整个冻结过程阶段，检测频率根据水文孔、测温孔数据等常规监测手段数据正常与否进行适当调整，一般为1次/3天。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。