工程與環(huán)境物探中的彈性波方法及其發(fā)展現狀

  彈性波方法是目前工程與環(huán)境物探技術(shù)的主體，包含地震波、聲波和超聲等方法。它們之間沒(méi)有本質(zhì)差別，都是利用彈性波的傳播規律進(jìn)行探測，差異僅在于使用的振動(dòng)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(shí)要發(fā)生相互轉換，在有自由界面存在的條件下產(chǎn)生表面波。彈性波在層狀介質(zhì)內傳播的基本規律是很簡(jiǎn)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(huì )發(fā)生透射、反射/散射波、波型轉換和導波；介質(zhì)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(tài)和頻散現象，形成各類(lèi)導波。此外，不同尺度大小的異常結構，對不同波長(cháng)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(jìn)行勘探和檢測的基礎。

 

  由于研究對象的差異、觀(guān)測條件的限制和研究精度的不同要求，需要采取不同的觀(guān)測方式和資料處理方法，由此在工程與環(huán)境物探中形成了幾種不同的勘測方法與技術(shù)。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(guān)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(jìn)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(chǎng)地和線(xiàn)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(shù)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?，F對各種方法的應用現狀作以簡(jiǎn)單介紹。

 

  地震反射波法

 

  地震反射波法是地球物理學(xué)中發(fā)展最早的探測方法，理論基礎是Snell定律。該方法假定介質(zhì)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(cháng)（D＞3 ）。在石油與煤炭資源勘查中廣為應用，已發(fā)展起以CDP/CMP為核心的資料處理技術(shù)，應用到3D地震勘探。工程勘查中借鑒這種石油勘探技術(shù)，在我國東部平原和古老山地工程場(chǎng)地與線(xiàn)路勘察中應用效果良好，但在西部造山帶地區因地質(zhì)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(fā)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(shí)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(chǎng)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(chǎng)合，勘探結果誤差較大大。同時(shí)，對于有低速層的場(chǎng)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(fā)展起來(lái)新的觀(guān)測與資料處理方法，它基于波動(dòng)傳播的惠更斯原理，當彈性波入射到異常體時(shí)，異常體作為新的震源向周?chē)橘|(zhì)散射能量。根據接收到的散射波的運動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特征可確定異常體的位置與性狀。散射方法在觀(guān)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(shù)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(shù)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(cháng)的異常體，在使用相同波長(cháng)的條件下，散射成像技術(shù)可以比反射技術(shù)分辨出更細小的異常體，分辨率提高一個(gè)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(tài)面波法。該方法是基于層狀介質(zhì)自由表面面波的傳播規律。當波動(dòng)在自由表面附近傳播時(shí)，能量隨深度

 

  呈負指數衰減，面波在傳播中發(fā)生頻散，不同頻率的波透射的深度不同，相速度不同。通過(guò)頻率-速度曲線(xiàn)確定介質(zhì)模量隨深度的分布。該方法工作簡(jiǎn)便，但勘探深度不大，一般可達20-30米，在地質(zhì)條件橫向變化不大的地區效果較好，在東部地區的場(chǎng)地和線(xiàn)路勘察中有很多成功的應用實(shí)例。在西部造山帶地區因地質(zhì)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(guò)參量沿射線(xiàn)路徑的積分來(lái)反演介質(zhì)內部結構的成像方法（Computer  Tomography），常用的成像物理量有介質(zhì)的波速和衰減系數。從觀(guān)測方式上分有透射CT和表面CT等種類(lèi)，從參量上分有波速CT和率減CT等種類(lèi)。波速對介質(zhì)力學(xué)模量敏感，率減系數對介質(zhì)完整性更敏感。從使用的波長(cháng)、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(zhì)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(guān)，是目前工程物探領(lǐng)域最受信賴(lài)的技術(shù)。國內外有很多地震CT用于礦床構造勘查的成功實(shí)例，用于核電場(chǎng)地勘查、隧道病害診斷、邊坡地質(zhì)條件評價(jià)的工程實(shí)例有幾十個(gè)，滿(mǎn)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(zhì)量評價(jià)和缺陷診斷中發(fā)揮著(zhù)重要作用，成功的應用實(shí)例已有幾十個(gè)。

 

  聲波檢測法

 

  聲波檢測法是多種聲波檢測技術(shù)的統稱(chēng)，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(xiàn)傳播、反射與繞射理論。聲波檢測種類(lèi)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(lǐng)域越來(lái)越廣。

 

  相控陣超聲成像

 

  相控陣超聲成像技術(shù)是近年來(lái)工程檢測領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的最新的探測技術(shù)，類(lèi)似于醫學(xué)檢查診斷中的B超。它的基本原理是利用相移控陣技術(shù)形成干涉波場(chǎng)，在需要的方向和距離上相干疊加，達到聚焦的目的。同時(shí)，利用陣列接收和合成孔徑技術(shù)進(jìn)行散射掃描成像。該技術(shù)因為發(fā)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(guān)，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(kāi)發(fā)出了主頻1-3MHZ的超聲成像專(zhuān)業(yè)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(zhì)量檢測中發(fā)揮了重要作用?；炷临|(zhì)量檢測的超聲相控陣成像技術(shù)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(kāi)始實(shí)驗。俄羅斯已開(kāi)發(fā)出300KHZ的大功率超聲反射CT成像設備，近幾年來(lái)在地鐵隧道襯砌質(zhì)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(shù)，超過(guò)了地質(zhì)雷達。

 

  超聲導波檢測技術(shù)

 

  超聲導波是近年發(fā)展起來(lái)新的超聲檢測技術(shù)?；驹硎抢冒?、柱、管等結構體（波導體）中縱橫波的多次反射、類(lèi)型轉換和相干疊加，形成了具有不同振動(dòng)模態(tài)的超聲波。這些超聲波在結構中傳播遇到缺陷時(shí)形成反射與散射，通過(guò)接收不同模態(tài)的超聲波可檢測出不同部位的缺陷。導波的特點(diǎn)之一是具有多種振動(dòng)模態(tài)，每種模態(tài)具有獨特的波結構，利用波結構的不同特點(diǎn)檢測不同部位缺陷；導波的特點(diǎn)之二是具有強烈的頻散特性，不同模態(tài)、不同頻率相波速不同，應用中需要認真進(jìn)行模態(tài)判別、頻率分析和相波速測定。該技術(shù)的研發(fā)主要起源于美國和英國，近幾年發(fā)展很快，漸近成熟，我國已開(kāi)始引進(jìn)。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(zhì)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(lèi)疑難問(wèn)題，渴望有所突破。