地震绕射波法在管线探测上的数值模拟研究

刘文伍，田庆福，余森林

(南京测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019)

地震绕射波法在管线探测上的数值模拟研究

刘文伍*，田庆福，余森林

(南京测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019)

由于探测深度大且不受电磁干扰影响，地震波法是管线探测特别是非金属管线探测中应用较多的方法之一，常规地震波法往往都是根据探测剖面上反射同相轴来判断地下管线的位置，其受邻近并行管线及多次波干扰影响大。绕射偏移成像方法具有偏移归位、压制干扰、提高探测精度的作用，本文对多波绕射偏移成像方法应用于管线探测的可行性进行了研究，给出了不同类型绕射波旅行时的详细计算公式；通过正演模拟数据重点对比分析了地震绕射波法与常规地震映像法的探测效果，结果表明：①地震绕射波法采用多道同时接收，激发次数少，探测效率高；②地震绕射波法通过绕射偏移归位且成果采用能谱图显示，表达直观，探测精度高，探测效果明显优于常规地震映像法。

管线探测；地震映像法；绕射波；偏移成像；数值模拟

1 引 言

随着科学技术的发展、城市化建设进程的加快，电力、通讯电缆已多采用地下埋设的方式，与供水、排水、排污、工业管道等构成了密集的城市地下管线系统[1，2]。由于各种管线权属单位不同且缺乏沟通、管线施工过程中存在违反管线铺设规定的现象、管线施工建设不按规定进行竣工测量及城市地下管线档案管理不完善等原因造成大量地下埋设管线位置不清，给后期管线的维护和抢修带来极大困难。由于缺乏准确翔实的管线资料，在城市建设施工过程中，经常会发生“管线打架”、“停电断水”等事故，造成重大经济损失和不良的社会影响[2，3]。

地下管线位置不清带来的问题日益凸显，地下管线管理也被各级政府部门所重视，通过近年来物探工作者的不断研究和实践，管线探测技术方法得到了较快发展，根据探测原理及利用物性差异的不同，管线探测方法主要分为电磁感应法、直流电法、地质雷达法、高精度磁法及人工地震法[2～6]。人工地震法由于具有探测深度大且不受电磁干扰影响等特点，在管线探测上有着较为广泛的应用，但由于现今地震波法通常都是根据探测剖面上反射同相轴来判断地下管线的位置(地震映像法)，其探测精度及准确性受邻近并行管线及多次波的影响较大[4，7～9]。

本文针对现阶段地震波法管线探测的特点及不足，对多波绕射偏移成像方法应用于管线探测的可行性进行了研究，对地震绕射偏移成像的原理进行了介绍并给出了不同类型绕射波旅行时的详细计算公式；通过正演模拟数据对比分析了多波绕射偏移成像方法与常规地震映像法的探测效果，证明了多波绕射偏移成像方法应用于管线探测的可行性及优势，为高精度管线探测提供了一种新思路、新方法。

2 原理介绍

地震体波根据质点震动方向与传播方向的关系可以分为纵波(P)和横波(S)，横波包括SH型横波与SV型横波两种，其中纵波和SV型横波可以相互转化，但不论是非转换波(纵波、横波)还是转换波，都蕴含着探测区域的地质信息[10]。物理地震学的基本观点认为绕射是最基本的，反射波是反射界面上所有小面积元产生的绕射波的总和，叠前绕射偏移技术是基于射线偏移基础上使反射波自动归位到真实成像点上的一种成像方法，具有压制干扰、提高探测精度的作用[11～13]。

2.1 叠前绕射偏移原理

叠前绕射偏移成像方法首先将研究区域进行网格划分(如图1所示)，形成一系列网格单元并给定慢度参数，然后假设研究区域内某个网格单元(第m个网格单元)为异常点，计算任一炮检对(第k炮，i检波点)以该点为绕射点的绕射波旅行时tki，把对应道对应时刻的振幅值或振幅绝对值叠加后所得振幅值Am放置在该网格。

(1)

其中值Aki表示第k炮，第i检波点记录上对应旅行时刻的振幅值，M表示共M炮，N表示共N个检波点。

同理，遍历所有网格单元，只要网格足够精细，就能得到满足精度要求的成像。在绕射偏移叠加过程中，若某网格单元为异常点位置，则不同地震记录道对应时刻的记录点具有相关振幅，叠加能量强；反之，若某网格单元非异常点位置，则不同地震记录道对应时刻的记录点相关性差，叠加能量弱。即真正异常点所在位置的网格单元叠加后的总振幅增大，非异常点所在位置的网格单元叠加后的总振幅相对减弱，该方法方便、快捷，能将异常构造轮廓自动偏移到真实的空间位置上。

图1 网格单元剖分示意图

2.2 绕射旅行时计算

在叠前绕射偏移成像原理的基础上，根据纵波、横波、转换波(P-SV、SV-P)的动力学及运动学特点，分别分析推导不同种类波的旅行时。

2.2.1 非转换波旅行时计算

(1)绕射纵波旅行时计算

(2)

其中，xm，ym表示绕射点的横、纵坐标，xS，yS分别表示震源的横、纵坐标，xR，yR分别表示接受点的横、纵坐标，vp为纵波传播速度，可通过直达纵波求取。

(2)绕射横波旅行时计算

(3)

其中，xm，ym表示绕射点的横、纵坐标，xS，yS分别表示震源的横、纵坐标，xR，yR分别表示接受点的横、纵坐标，vs为横波传播速度，可通过直达横波求取。

2.2.2 转换波旅行时计算

(1)P-SV转换绕射波旅行时计算

P-SV转换绕射波旅行时由两部分组成，第一部分为震源到绕射点以纵波速度传播的旅行时，第二部分为绕射点到接收点以横波速度传播的旅行时：

(4)

其中xm，ym表示绕射点的横纵坐标，xS，yS分别表示震源的横纵坐标，xR，yR分别表示接受点的横纵坐标，vp，vs分别表示纵、横波速度，可分别通过直达纵波、横波求取。

(2)SV-P转换绕射波旅行时计算

同理，SV-P转换绕射波旅行时由两部分组成，第一部分为震源到绕射点以横波速度传播的旅行时，第二部分为绕射点到接收点以纵波速度传播的旅行时：

(5)

其中，xm，ym表示绕射点的横纵坐标，xS，yS分别表示震源的横纵坐标，xR，yR分别表示接受点的横纵坐标，vp，vs分别表示纵、横波速度，可分别通过直达纵波、横波求取。

3 数值模拟

3.1 单管线模型

3.1.1 模型参数与观测方式

结合现实情况，研究地震波在传播过程中遇到管线时的传播规律与波场特征，对比传统地震映像法，验证绕射偏移成像方法应用于管线探测的可行性及优势。建立如图2所示模型。模型长 10 m、深度6 m，管线异常的直径为 0.3 m，中心位于深度 4 m处。背景模型“1”及管线异常“2”的模型参数具体如表1所示。

模型参数 表1

图2 单管线模型及观测系统布置图

数值模拟选用主频为300 Hz的雷克子波，剖分网格大小为0.05 m×0.05 m。模拟采用弹性波方程进行计算，解方程方法为交错网格有限差分法，吸收边界采用PML吸收边界[14～16]，全排列接收，道间距为 0.5 m，共19道；炮间距为 5 m，共3炮，采样间隔为 0.01 ms，记录长度为 80 ms。

3.1.2 波场快照与波场记录

通过对第一炮不同时刻波场快照(如图3所示)观察分析可知：16.1 ms左右时纵波绕射波到达接收点位置；26.5 ms左右P-SV转换绕射波到达接收点位置；33.3 ms左右时SV-P转换绕射波到达接收点位置；42.9 m左右时横波绕射波到达接收点位置。结合数值模拟波场记录信号，标出了各种波的类型，具体如图4所示。

图3 不同时刻波场快照

图4 数值模拟地震记录

3.1.3 绕射偏移成像反演

根据上述介绍的绕射偏移成像方法，对模拟数据进行多波反演成像，反演成果如图5所示，图中黑色圆圈为管线模型实际位置。

图5 单管线模型绕射波反演成果图

3.1.4 地震映像法

针对上述单管线模型，用常规地震映像法(自激自收)进行数据采集，移动步距为 0.5 m，共21次激发接收，时间剖面如图6所示，根据时间剖面上纵波绕射波、转换绕射波(自激自收观测系统导致P-SV、SV-P转换波到时相同)及横波绕射波同相轴都能判断管线的水平位置，根据纵、横波波速即可求得管线埋深。

图6 单异常地震映像法时间剖面

3.1.5 模拟实验小结

(1)地震绕射波法与传统地震映像法均能对单管线进行有效探测，但由于地震绕射波法采用多道接收，激震次数少(模拟实验中为3次激震)，探测效率更高；

(2)地震绕射偏移成像中，由于受直达横波的影响，纵波绕射波、P-SV转换绕射波及SV-P转换绕射波成像效果相对横波绕射波成像效果较差，但4种波均能对管线位置有较好的反映，4种波具有相互印证的效果；

(3)地震绕射偏移成像反演结果反映的是位置信息，结果更直观。

3.2 双管线模型

3.2.1 模型参数与观测方式

双管线模型参数及观测方式与单管线模型完全相同，只是将单管线异常改为双管线异常，两根管线的水平位置分别位于 4 m、 6 m处，深度均为 4 m，具体模型如图7所示。

图7 双管线模型及观测系统布置图

3.2.2 绕射偏移成像反演

根据上述介绍的绕射偏移成像方法，对模拟数据进行多波反演成像，反演结果如图8所示，图中黑色圆圈为管线模型实际位置。

图8 双管线模型绕射波反演成果图

3.2.3 地震映像法

针对上述双管线模型，用常规地震映像法(自激自收)进行数据采集，同样移动步距为 0.5 m，共21次激发接收，时间剖面如图9所示，可以发现，对于双管线模型，由于管线间的相互影响，从时间剖面上我们无法断出管线的位置及深度。

图9 双异常地震映像法时间剖面

3.2.4 模拟实验小结

(1)地震绕射偏移成像中的纵波绕射波与横波绕射波能较准确地对双管线位置进行成像，由于横波绕射波不受直达波的影响，成像精度更高；

(2)地震绕射偏移成像中的P-SV转换绕射波及SV-P转换绕射波由于自身能量较弱且受直达横波干扰影响，成像效果不佳；

(3)从地震映像时间剖面上只能观察到两个管线的绕射波相互叠加、干涉，无法判断管线的位置。

4 结 语

文章对多波绕射偏移成像方法应用于管线探测的可行性进行数值模拟研究；对地震绕射偏移成像的原理进行了介绍并给出了不同类型绕射波旅行时的详细计算公式；通过正演模拟数据重点对比分析了多波绕射偏移成像方法与常规地震映像法的探测效果，结果表明：地震绕射波法采用多道同时接收，激发次数少，探测效率高；地震绕射波法通过绕射偏移归位且成果采用能谱图显示，表达直观，探测精度高，探测效果明显优于常规地震映像法；地震绕射波法探测中，横波绕射波效果最佳。本研究成果可为地震绕射波法应用于管线探测提供理论依据。

目前，地震绕射偏移成像法中地震波的传播速度是通过直达波到时求取，其在实际探测过程中存在一定误差，如何在高效(小排列、少激震次数)探测过程中获得准确速度参数是今后一个时期内的重要攻关课题。

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The Numerical Simulation Research of Seismic Diffracted Wave Method on the Pipeline Detection

Liu Wenwu，Tian Qingfu，Yu Senlin

(Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation Co.Ltd，Nanjing 210019，China)

Deep detecting depth and not affected by electromagnetic interference，seismic wave method is one of commonly used method in pipeline detection. Conventional seismic wave method is based on the detection section to determine the position of underground pipeline and the detection results affected by the adjacent parallel pipeline and multiple wave. Diffraction migration imaging method is useful for migration homing，suppress interference and improve the detection accuracy. In this paper，the multiple wave diffraction migration imaging method is studied to pipeline detection. Through the forward modeling data，analysis detection effect of diffraction migration imaging method and the conventional seismic image method，the results show that： ①Using multi-channel receive，Seismic diffraction method has higher detection efficiency；②Through diffraction migration homing and using the energy spectrum diagram to displaythe results，diffraction migration imaging results intuitive，detection of high precision，detection effect is superior to conventional seismic image method.

pipeline detection；seismic image method；diffracted wave；migration imaging；numerical simulation

1672-8262(2017)01-158-07

P631.4

A

2016—11—09 作者简介：刘文伍(1973—)，男，高级工程师，主要从事地下管线探测等相关技术管理工作。