高精度弹性波CT成像在水利电力工程中的应用---谢克[精选].doc

弹性波CT成像 在水利电力工程中的应用 谢 克 摘要：弹性波CT成像技术在水利电力工程中的应用已经有好几年了，并得到了发展。不同的发射震源解决不同的工程问题，也得到不同的效果。 关键词：高精度弹性波CT成像 勘探比较 发射震源 工程事例 解决工程问题 1、概述 高精度弹性波CT成像技术是利用地震波或声波进行地球物理高精度层析成像。是通过人为设置的弹性波射线，让射线穿过工程探测对象（工程地质体），从而达到探测其内部异常（物理异常）的地球物理反演新技术，是探测地下岩溶、断层、破碎带等地质缺陷的有效手段。近几年来，我们先后利用该新技术在广西几个大的水利电力工程中应用，取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益。 2、工作原理 高精度弹性波CT成像和其它科学领域的成像技术（如医学X射线透视诊断技术）相类似，是一种边界投影反演方法，它的工作原理如下：利用物体外部边界某种物理观测数据，依据一定的物理定律和数学关系进行反演计算，以得到物体内部与观测场相关的物理参数分布，并以图像的形式表现出来。 不同岩性的弹性波速度是不同的，同一种岩石，由于受空隙度、饱和度、流体性质及裂隙发育程度甚至温度等因素影响，其弹性波速度有很大的变化。无论介质有多复杂，由点源激发的弹性波的传播完全可以用Huygens原理来描述。基于Huygens原理的射线追踪有两种实现的方法，一是基于网络理论的最短路经算法，二是基于动力学的波阵面算法,这两种算法能模拟直达波、折射波、反射波、散射波和绕射波，而且是一次计算既可得到一个共激发点记录的全部走时，计算效率高，很适合于高精度弹性波CT成像的大量高精度射线追踪计算。我们用软件系统采用Huygens原理的网络追踪算法---最短路径射线追踪算法作为正反演计算的射线追踪算法。 我们把一个二维速度模型用矩形网络进行离散化，认为每个网络就是一个速度单元，其速度分布用双线性函数近似： V（x，z）=a0+ a1x+ a2z+ a3xz 其中的系数可由网络上的四个速度节点值（Vl）的四个点坐标（xl，yl）求出。用克莱姆法则解四阶线性方程组的四阶分子矩阵，在此基础上又把速度节点之间插数个射线节点，并把速度节点也包括在内形成一张具有速度分布的射线网络图，经过射线网络的初始化，再计算节点的最小走时，作观测点上的走时与射线路径的拾取，对所有节点的最小走时和各入射点编号初至化，既走时赋无穷大，入射点编号清零。计算从某激发点（炮点）各节点的最小走时，并存下走时的入射点编号。拾取接收点的最小走时和对应的射线坐标。不断拟合直到所有激发点的射线追踪全部完成。经过6~20次的迭代，得到稳定的符合客观的反演速度场剖面图。对其结果进行加权平滑形成高精度弹性波CT成像图，并以速度色谱图的形式形成地质剖面图。 3、传统勘探方法和高精度弹性波CT成像勘探法的比较 3.1 传统勘探方法 在采用该新技术以前，水电站或火电厂的地质勘探以及其它工程的勘探均采用钻探的方法，按照工程需要在勘探线上均匀布置钻孔，例如：在120m长的地质剖面上按20间距布孔，需要布置7个钻孔。如遇到横跨江河的地质剖面（水电站的地质勘探是不可缺少的），还需要布置河中钻孔或斜孔，而河中钻孔或斜孔的施工难度大且费用又大大超过一般陆地钻探的费用。地质勘探采用钻探的方法花费大量的人力、物力、经费和时间，精度低，钻孔间20m的地质情况不能揭露，只能推测。特别是岩溶地区，基岩面高低起伏很大，岩溶裂隙、溶洞发育，依靠钻探一孔之见来揭露地质情况，已经不能满足当今高精度、高效率勘探的需要。 3.2 采用高精度弹性波CT成像勘探方法 采用该新技术以后，只需要在地质剖面的两端打两个钻孔就可以了，在其中一个钻孔激发弹性波，并在另一个孔中的n个等间距处接收，可以测得n个弹性波组旅行时间，然后，按一定的规律移动激发点和接收点的位置，直到完成预先设计好的观测系统。若整个观测系统共激发m次，则可以测得m×n个弹性波旅行时间（射线），根据此信息，用计算机做反演计算，建立和解算一组大型稀疏多元线性方程组，不断缩小网格状的单元格，经6~20次的优化迭代，即可以得到被检测地质体的内部的波速场图像，该波速场图像，直接反映了地质体的实际情况，然后再建立波速场与地质体的地球物理相关关系，地质体的物理异常（覆盖层分布，基岩内的构造、节理裂隙、岩溶等）的空间分布、大小、性质等就直接在该图上反映出来了。 例如：采用该新技术前在120m长的地质剖面上按20间距布孔，需要打7个钻孔，现在只需要打两个钻孔就可以了，节省了打5个钻孔的人力、物力和时间，并且提高了勘探精度。相同的剖面，应用该新技术前后的勘探效果用表3.2-1和表3.2-2表示： 表3.2-1 陆上120m长剖面外业费用比较一览表 需要打 钻孔（个） 打钻孔外 业费用（元）