工程与环境物探中的弹性波方法及其发展现状

  弹性波方法是目前工程与环境物探技术的主体，包含地震波、声波和超声等方法。它们之间没有本质差别，都是利用弹性波的传播规律进行探测，差异仅在于使用的振动频率、传播距离、分辨率不同。频率低于200HZ的弹性波为地震波，200HZ和20KHZ之间的为声波，高于20KHZ的为超声波。因此，在这里可以对三种波一并分析。

 

  弹性波探测的理论基础是弹性波的传播规律，最基本的规律是反射、散射、折射定律。弹性波有代表压缩变形的纵波和剪切变形的横波，两种波在遇到界面时要发生相互转换，在有自由界面存在的条件下产生表面波。弹性波在层状介质内传播的基本规律是很简单的，即反射和折射定律。但是在具有边界、表面、内部界面、缺陷等不同结构存在的条件下，弹性波的传播特性变得十分复杂，会发生透射、反射/散射波、波型转换和导波；介质表面传播的Rayleigh波和Love波，分层界面间的Stonely波，板中的Lamb波等；在板、柱、管等有自由边界的结构内，弹性波存在多模态和频散现象，形成各类导波。此外，不同尺度大小的异常结构，对不同波长的散射效应是不同的；了解波的这些传播规律，是应用弹性波进行勘探和检测的基础。

 

  由于研究对象的差异、观测条件的限制和研究精度的不同要求，需要采取不同的观测方式和资料处理方法，由此在工程与环境物探中形成了几种不同的勘测方法与技术。目前较常用的有8种，即反射波法、折射波法、散射波法、面波法、CT成像法、声波测速、相控阵扫描成像法和超声导波法等等。他们在观测方式上各不相同，资料处理基于不同的原理、方法和处理流程，根据不同的参数进行解释。

 

  以地震波为手段的反射地震、折射地震、散射地震成像、地震面波等方法主要用于场地和线路的工程勘查；以声波和超声为手段的反射与透射、声波散射成像、声波CT、相控阵成像、超声导波等技术主要用于工程检测；地震CT和声波CT主要用于工程病害诊断。现对各种方法的应用现状作以简单介绍。

 

  地震反射波法

 

  地震反射波法是地球物理学中发展最早的探测方法，理论基础是Snell定律。该方法假定介质近乎层状，横向变化小于纵向变化，反射面横向尺度远大于波长（D＞3 ）。在石油与煤炭资源勘查中广为应用，已发展起以CDP/CMP为核心的资料处理技术，应用到3D地震勘探。工程勘查中借鉴这种石油勘探技术，在我国东部平原和古老山地工程场地与线路勘察中应用效果良好，但在西部造山带地区因地质条件复杂，横向变化较大，应用效果很不理想。

 

  地震折射波法

 

  地震折射是发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临界角入射时的全反射理论。主要用于松散层与基岩接触界面的追踪，勘探深度不大，对于基岩界面起伏不大的场合效果较好，工作效率高。对于造山带地区基岩界面起伏较大的场合，勘探结果误差较大大。同时，对于有低速层的场合不适用。由于勘探精度较差，分辨层位较少，目前应用减少。

 

  地震散射波法

 

  地震散射成像是近年发展起来新的观测与资料处理方法，它基于波动传播的惠更斯原理，当弹性波入射到异常体时，异常体作为新的震源向周围介质散射能量。根据接收到的散射波的运动学与动力学特征可确定异常体的位置与性状。散射方法在观测方案、资料处理方法等方面均与反射法不同，它以偏移成像代替CDP叠加，以叠加能量最大原理代替速度谱分析。SSP地表地震剖面法是基于地震散射，用于工程勘察。TST隧道超前预报技术也是建立在地震散射理论基础之上的，在云南、重庆、四川隧道超前预报与地震边坡勘查中有很多成功的应用。声波与超声散射方法主要用于工程检测，如相控阵声波与超声成像技术都是建立在散射基础上的。散射方法可探测到尺度小于和等于波长的异常体，在使用相同波长的条件下，散射成像技术可以比反射技术分辨出更细小的异常体，分辨率提高一个数量级。

 

  地震面波法

 

  地震面波是工程勘查中常用的方法，特别是瞬态面波法。该方法是基于层状介质自由表面面波的传播规律。当波动在自由表面附近传播时，能量随深度

 

  呈负指数衰减，面波在传播中发生频散，不同频率的波透射的深度不同，相速度不同。通过频率-速度曲线确定介质模量随深度的分布。该方法工作简便，但勘探深度不大，一般可达20-30米，在地质条件横向变化不大的地区效果较好，在东部地区的场地和线路勘察中有很多成功的应用实例。在西部造山带地区因地质条件横向变化剧烈，勘探结果代表性较差。

 

  工程CT成像法

 

  工程CT成像方法是通过参量沿射线路径的积分来反演介质内部结构的成像方法（Computer  Tomography），常用的成像物理量有介质的波速和衰减系数。从观测方式上分有透射CT和表面CT等种类，从参量上分有波速CT和率减CT等种类。波速对介质力学模量敏感，率减系数对介质完整性更敏感。从使用的波长、频率上工程又可分为地震波CT和声波CT，前者多用于工程地质勘察和病害诊断，后者主要用于混凝土结构的检测与缺陷诊断。该方法分辨率高、可靠性好、图像直观，是目前工程物探领域最受信赖的技术。国内外有很多地震CT用于矿床构造勘查的成功实例，用于核电场地勘查、隧道病害诊断、边坡地质条件评价的工程实例有几十个，满足了工程设计和病害治理的需要，效果很好。声波CT目前在混凝土桥梁整体浇注质量评价和缺陷诊断中发挥着重要作用，成功的应用实例已有几十个。

 

  声波检测法

 

  声波检测法是多种声波检测技术的统称，其中包括岩体、混凝土的声波波速测量、声波基桩检测、声波锚杆检测、混凝土裂缝深度检测、成桥的VSP声波测桩等。工作原理基于声波的直线传播、反射与绕射理论。声波检测种类繁多，新方法层出不穷。 在铁路、高速公路、水电建设、市政工程建设中声波检测的领域越来越广。

 

  相控阵超声成像

 

  相控阵超声成像技术是近年来工程检测领域发展起来的最新的探测技术，类似于医学检查诊断中的B超。它的基本原理是利用相移控阵技术形成干涉波场，在需要的方向和距离上相干叠加，达到聚焦的目的。同时，利用阵列接收和合成孔径技术进行散射扫描成像。该技术因为发射和接收都具有空间的窄波束特性，所以在空间上具有很高的横向分辨率。操作便捷，图像直观，分辨率高，便于工程应用。在金属结构探测中，超声相控阵探测深度可达10cm以上，分辨率达到0.5mm。英国、法国已开发出了主频1-3MHZ的超声成像专业设备，在国内外飞机、航天器、油气管道、大型压力容器等金属结构的质量检测中发挥了重要作用。混凝土质量检测的超声相控阵成像技术也已成熟，主频 100KHZ-1MHZ，探测的深度可达1m以上，分辨率为厘米级，在法国已开始实验。俄罗斯已开发出300KHZ的大功率超声反射CT成像设备，近几年来在地铁隧道衬砌质量检测中应用效果良好，这是目前分辨率最高的工程物探技术，超过了地质雷达。

 

  超声导波检测技术

 

  超声导波是近年发展起来新的超声检测技术。基本原理是利用板、柱、管等结构体（波导体）中纵横波的多次反射、类型转换和相干叠加，形成了具有不同振动模态的超声波。这些超声波在结构中传播遇到缺陷时形成反射与散射，通过接收不同模态的超声波可检测出不同部位的缺陷。导波的特点之一是具有多种振动模态，每种模态具有独特的波结构，利用波结构的不同特点检测不同部位缺陷；导波的特点之二是具有强烈的频散特性，不同模态、不同频率相波速不同，应用中需要认真进行模态判别、频率分析和相波速测定。该技术的研发主要起源于美国和英国，近几年发展很快，渐近成熟，我国已开始引进。主要用于金属管道、压力容器、复合板材、飞行器结构的缺陷检测和质量控制，取得了常规方法难以达到效果。特别是对于金属管道内腐蚀探测这类疑难问题，渴望有所突破。