工程與環境物探中的彈性波方法及其發展現狀

  彈性波方法是目前工程與環境物探技術的主體，包含地震波、聲波和超聲等方法。它們之間沒有本質差別，都是利用彈性波的傳播規律進行探測，差異僅在于使用的振動頻率、傳播距離、分辨率不同。頻率低于200HZ的彈性波為地震波，200HZ和20KHZ之間的為聲波，高于20KHZ的為超聲波。因此，在這里可以對三種波一并分析。

 

  彈性波探測的理論基礎是彈性波的傳播規律，最基本的規律是反射、散射、折射定律。彈性波有代表壓縮變形的縱波和剪切變形的橫波，兩種波在遇到界面時要發生相互轉換，在有自由界面存在的條件下產生表面波。彈性波在層狀介質內傳播的基本規律是很簡單的，即反射和折射定律。但是在具有邊界、表面、內部界面、缺陷等不同結構存在的條件下，彈性波的傳播特性變得十分復雜，會發生透射、反射/散射波、波型轉換和導波；介質表面傳播的Rayleigh波和Love波，分層界面間的Stonely波，板中的Lamb波等；在板、柱、管等有自由邊界的結構內，彈性波存在多模態和頻散現象，形成各類導波。此外，不同尺度大小的異常結構，對不同波長的散射效應是不同的；了解波的這些傳播規律，是應用彈性波進行勘探和檢測的基礎。

 

  由于研究對象的差異、觀測條件的限制和研究精度的不同要求，需要采取不同的觀測方式和資料處理方法，由此在工程與環境物探中形成了幾種不同的勘測方法與技術。目前較常用的有8種，即反射波法、折射波法、散射波法、面波法、CT成像法、聲波測速、相控陣掃描成像法和超聲導波法等等。他們在觀測方式上各不相同，資料處理基于不同的原理、方法和處理流程，根據不同的參數進行解釋。

 

  以地震波為手段的反射地震、折射地震、散射地震成像、地震面波等方法主要用于場地和線路的工程勘查；以聲波和超聲為手段的反射與透射、聲波散射成像、聲波CT、相控陣成像、超聲導波等技術主要用于工程檢測；地震CT和聲波CT主要用于工程病害診斷。現對各種方法的應用現狀作以簡單介紹。

 

  地震反射波法

 

  地震反射波法是地球物理學中發展最早的探測方法，理論基礎是Snell定律。該方法假定介質近乎層狀，橫向變化小于縱向變化，反射面橫向尺度遠大于波長（D＞3 ）。在石油與煤炭資源勘查中廣為應用，已發展起以CDP/CMP為核心的資料處理技術，應用到3D地震勘探。工程勘查中借鑒這種石油勘探技術，在我國東部平原和古老山地工程場地與線路勘察中應用效果良好，但在西部造山帶地區因地質條件復雜，橫向變化較大，應用效果很不理想。

 

  地震折射波法

 

  地震折射是發展最早的地震勘探方法之一，主要用于工程勘查。工作原理是地震波在高速界面超臨界角入射時的全反射理論。主要用于松散層與基巖接觸界面的追蹤，勘探深度不大，對于基巖界面起伏不大的場合效果較好，工作效率高。對于造山帶地區基巖界面起伏較大的場合，勘探結果誤差較大大。同時，對于有低速層的場合不適用。由于勘探精度較差，分辨層位較少，目前應用減少。

 

  地震散射波法

 

  地震散射成像是近年發展起來新的觀測與資料處理方法，它基于波動傳播的惠更斯原理，當彈性波入射到異常體時，異常體作為新的震源向周圍介質散射能量。根據接收到的散射波的運動學與動力學特征可確定異常體的位置與性狀。散射方法在觀測方案、資料處理方法等方面均與反射法不同，它以偏移成像代替CDP疊加，以疊加能量最大原理代替速度譜分析。SSP地表地震剖面法是基于地震散射，用于工程勘察。TST隧道超前預報技術也是建立在地震散射理論基礎之上的，在云南、重慶、四川隧道超前預報與地震邊坡勘查中有很多成功的應用。聲波與超聲散射方法主要用于工程檢測，如相控陣聲波與超聲成像技術都是建立在散射基礎上的。散射方法可探測到尺度小于和等于波長的異常體，在使用相同波長的條件下，散射成像技術可以比反射技術分辨出更細小的異常體，分辨率提高一個數量級。

 

  地震面波法

 

  地震面波是工程勘查中常用的方法，特別是瞬態面波法。該方法是基于層狀介質自由表面面波的傳播規律。當波動在自由表面附近傳播時，能量隨深度

 

  呈負指數衰減，面波在傳播中發生頻散，不同頻率的波透射的深度不同，相速度不同。通過頻率-速度曲線確定介質模量隨深度的分布。該方法工作簡便，但勘探深度不大，一般可達20-30米，在地質條件橫向變化不大的地區效果較好，在東部地區的場地和線路勘察中有很多成功的應用實例。在西部造山帶地區因地質條件橫向變化劇烈，勘探結果代表性較差。

 

  工程CT成像法

 

  工程CT成像方法是通過參量沿射線路徑的積分來反演介質內部結構的成像方法（Computer  Tomography），常用的成像物理量有介質的波速和衰減系數。從觀測方式上分有透射CT和表面CT等種類，從參量上分有波速CT和率減CT等種類。波速對介質力學模量敏感，率減系數對介質完整性更敏感。從使用的波長、頻率上工程又可分為地震波CT和聲波CT，前者多用于工程地質勘察和病害診斷，后者主要用于混凝土結構的檢測與缺陷診斷。該方法分辨率高、可靠性好、圖像直觀，是目前工程物探領域最受信賴的技術。國內外有很多地震CT用于礦床構造勘查的成功實例，用于核電場地勘查、隧道病害診斷、邊坡地質條件評價的工程實例有幾十個，滿足了工程設計和病害治理的需要，效果很好。聲波CT目前在混凝土橋梁整體澆注質量評價和缺陷診斷中發揮著重要作用，成功的應用實例已有幾十個。

 

  聲波檢測法

 

  聲波檢測法是多種聲波檢測技術的統稱，其中包括巖體、混凝土的聲波波速測量、聲波基樁檢測、聲波錨桿檢測、混凝土裂縫深度檢測、成橋的VSP聲波測樁等。工作原理基于聲波的直線傳播、反射與繞射理論。聲波檢測種類繁多，新方法層出不窮。 在鐵路、高速公路、水電建設、市政工程建設中聲波檢測的領域越來越廣。

 

  相控陣超聲成像

 

  相控陣超聲成像技術是近年來工程檢測領域發展起來的最新的探測技術，類似于醫學檢查診斷中的B超。它的基本原理是利用相移控陣技術形成干涉波場，在需要的方向和距離上相干疊加，達到聚焦的目的。同時，利用陣列接收和合成孔徑技術進行散射掃描成像。該技術因為發射和接收都具有空間的窄波束特性，所以在空間上具有很高的橫向分辨率。操作便捷，圖像直觀，分辨率高，便于工程應用。在金屬結構探測中，超聲相控陣探測深度可達10cm以上，分辨率達到0.5mm。英國、法國已開發出了主頻1-3MHZ的超聲成像專業設備，在國內外飛機、航天器、油氣管道、大型壓力容器等金屬結構的質量檢測中發揮了重要作用。混凝土質量檢測的超聲相控陣成像技術也已成熟，主頻 100KHZ-1MHZ，探測的深度可達1m以上，分辨率為厘米級，在法國已開始實驗。俄羅斯已開發出300KHZ的大功率超聲反射CT成像設備，近幾年來在地鐵隧道襯砌質量檢測中應用效果良好，這是目前分辨率最高的工程物探技術，超過了地質雷達。

 

  超聲導波檢測技術

 

  超聲導波是近年發展起來新的超聲檢測技術。基本原理是利用板、柱、管等結構體（波導體）中縱橫波的多次反射、類型轉換和相干疊加，形成了具有不同振動模態的超聲波。這些超聲波在結構中傳播遇到缺陷時形成反射與散射，通過接收不同模態的超聲波可檢測出不同部位的缺陷。導波的特點之一是具有多種振動模態，每種模態具有獨特的波結構，利用波結構的不同特點檢測不同部位缺陷；導波的特點之二是具有強烈的頻散特性，不同模態、不同頻率相波速不同，應用中需要認真進行模態判別、頻率分析和相波速測定。該技術的研發主要起源于美國和英國，近幾年發展很快，漸近成熟，我國已開始引進。主要用于金屬管道、壓力容器、復合板材、飛行器結構的缺陷檢測和質量控制，取得了常規方法難以達到效果。特別是對于金屬管道內腐蝕探測這類疑難問題，渴望有所突破。