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堤防CT成像的数值模拟与应用研究

刘宇锋  
【摘要】:由于运行年代久远,造成了我国江河堤防的质量良莠不齐。每到雨季,存在隐患的堤防工程就会给当地居民的生命和财产安全带来严重的威胁。因此,为了有效防控洪水,堤防隐患探测工作显得十分重要。对于堤防隐患检测,需要一种成本低且高效的方法,运用无损检测技术去探测堤防的结构就是一个有效的途径。在众多探测方法中,地震CT成像技术应用在堤防上的案例还比较少,没有较为具体的经验可以借鉴,且能满足高效精确的要求。因此该研究具有一定的实用价值。本文利用地震CT的方法在堤防上进行隐患探测研究,进而获得堤防的内部层析成像图。首先介绍了国内外的堤防隐患探测现状及堤防的结构,进而介绍了国内外地震层析成像技术的现状。然后简述了以射线理论为基础的地震CT的基本原理,射线追踪的几种方法、Radon变换与逆变换、离散图像重建的原理、层析成像反演的方法。对于射线追踪技术,主要介绍了打靶法、直射线追踪法和解析追踪法,三种方法都属于初值问题射线追踪,并分析了各自的局限性。另外介绍了几种反演方法:反投影技术(BPT)、代数重建技术(ART)、联合迭代重建技术(SIRT)、正交分解最小二乘法(LSQR)。BPT方法分辨率太低,只适合粗略扫描的场合;ART法计算速度快,但是有时存在不收敛问题;SIRT法稳定性好,但是计算成本高一些;正交分解(LSQR),适合非病态的线性方程组。其次,在井间CT的基础上研究堤防CT,利用MATLAB平台基于堤防的梯形结构编写了程序,对堤防进行地震CT的数值模拟,且对该程序做了详细的介绍。选用直射线追踪的方法进行正演,之后选择ART和SIRT方法进行反演,通过图像评价的方法分析对比,得出两种反演方法在堤防CT应用中的优缺点及适用条件。经过数值模拟,得出SIRT算法收敛快速且稳定,提高了精度和效率。之后对堤防中弹性波传播速度的特性进行分析,用实际的堤防钻孔资料和室内实验进行对比,得出多种参数对堤防中饱和土与非饱和土的波速影响规律。最后将地震CT技术应用在实际的堤防工程上,将采集的数据处理后利用MABLAB平台编程的程序进行计算,然后得到清晰的堤防断面的层析成像图,验证了地震CT技术探测堤防内的隐患构造的可行性。


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