楊　坪，周飛棚，薛守寶，王建秀，宋　立

1.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室, 上海 200092；2.同濟大學 土木工程學院, 上海 200092

一、概況

工程物探是應用于工程建設的地球物理勘探，主要測量地下巖土體、障礙物與周圍巖土體之間彈性參數(shù)、電性參數(shù)、磁性參數(shù)等指標的差異，從而對地下巖土體的分布狀況進行確定。工程物探在中國始于20世紀50年代初，由著名地球物理學家顧功敘先生率領(lǐng)電法組，在北京石景山地區(qū)進行地下水資源勘測研究[1]。隨著科學技術(shù)的進步以及實際工程中不斷地應用實踐，工程物探不僅在技術(shù)以及設備上得到了快速發(fā)展，應用領(lǐng)域也得到了大幅度的擴展。目前，工程物探技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于軌道交通、市政道路、橋梁、隧道、高速公路、鐵路、管線鋪設、水利工程等領(lǐng)域?？梢?，工程物探的前景十分廣闊，急需培養(yǎng)大量掌握工程物探專業(yè)知識人才。

“工程物探”作為土木工程學院地質(zhì)工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，傳統(tǒng)的教學過程中，工程物探各種方法的基本原理是重點介紹的內(nèi)容。諸如：反射波、折射波、繞射波的時距曲線等內(nèi)容，由于原理比較抽象，不能很好地進行演示，學生理解比較困難，導致學生學習積極性下降。因此，無法達到教學的真正目的，對后續(xù)教學內(nèi)容的銜接造成一定的阻礙。因此，工程物探教學迫切需要更新傳統(tǒng)教育觀念、創(chuàng)新教學方法。

國內(nèi)外許多學者已經(jīng)通過開發(fā)軟件或是建立平臺的方法在教學過程中進行輔助與應用，在教學起到了很大的促進作用。而其中模塊化在程序軟件制作中也有很多的應用，是軟件平臺制作中一種十分有效的方法。如廖云伢等[2]提出了通過Java和Matlab相聯(lián)接，設計虛擬實驗平臺，詳細介紹了該平臺的設計以及實現(xiàn)的過程。魏華[3]開發(fā)了健美操網(wǎng)絡教學資源與教學平臺，通過運用網(wǎng)絡資源改善了該學校健美操的教學模式，為學生學習起到促進作用。蔣寧等[4]建立基于Zoho Wiki的云計算輔助教學平臺。趙曉英[5]闡述了模塊化程序的幾個特點，同時對模塊程序的制作流程、執(zhí)行過程以及參數(shù)傳遞進行了解釋，并以Visual FoxPro編寫程序加以驗證。邢菁等[6]系統(tǒng)地解釋了模塊化程序，以及其在一體化平臺中的應用。魏赟等[7]介紹了VB兩種不同過程的設計過程，并進行驗證，得出VB模塊化的特性。何曉波[8]介紹了大型系統(tǒng)控制程序模塊化設計方法，將復雜、大規(guī)模的系統(tǒng)控制進行模塊化，使其更簡單清晰。因此，本文總結(jié)前人的研究經(jīng)驗，將模塊化程序應用于工程物探教學平臺中。通過改變不同的影響因素，得到各種振動波的時距曲線以及地層界面形態(tài)的軟件平臺。學生可在教學平臺上改變各個參數(shù)，實現(xiàn)對振動波的傳播變化規(guī)律更深入的理解。通過老師對基本原理的闡述以及學生在教學平臺上的體驗，能夠很好地提高“工程物探”課程的接受度，為后續(xù)內(nèi)容的開展做好鋪墊。

二、模塊化程序設想

“工程物探”課程中，在講解有關(guān)振動波的傳播方式時，當?shù)卣鸩ǖ竭_地層界面時，可能會同時產(chǎn)生反射波、折射波和繞射波等多種波的傳播，學生一時難以理解，不利于教學的進行，為了能更好地展示各個振動波傳播的規(guī)律，在進行程序設計過程中，可以將其分為反射波、折射波以及繞射波模塊，分別進行模塊化設計。學生可以對各種波的傳播特征分別進行理解，然后對各個模塊進行綜合，最終達到對各種波的傳播特點深入了解，能夠很好地達到教學目的。

將MATLAB仿真技術(shù)和GUI(Graphical User Interfaces)界面[9]引入到可視化工程物探方法原理綜合解釋平臺，并通過模塊化程序的方法開發(fā)了折射波、反射波和繞射波時距曲線等模塊。

該教學模式發(fā)揮了教師為主導，學生為主體的教學思想，通過課堂仿真，學生可以對各個模塊的性能與參數(shù)的輸入有所了解。通過對仿真參數(shù)的調(diào)整，可以使學生更深入地了解時距曲線，快速全面掌握時距曲線的知識。

MATLAB中GUI圖形用戶界面是由窗口、圖標、菜單、文本、按鈕等對象構(gòu)成的用戶界面，如圖1。通過GUI圖形用戶界面，可以設計出包括反射波模塊、折射波模塊以及繞射波模塊等多個模塊，對每個模塊分別進行設計，最終完成一個工程物探方法原理綜合解釋平臺如圖2。

圖1　GUI圖形用戶界面

圖2　工程物探方法原理綜合解釋平臺

三、模塊化程序?qū)崿F(xiàn)

1．反射波模塊

反射波是振動波在遇到不同介質(zhì)之間的界面時，當兩種介質(zhì)的波阻抗（其數(shù)值為介質(zhì)密度p與波速v的乘積）不相同時，該振動波會產(chǎn)生一個返回原來密度介質(zhì)的波束，該波束則稱為反射波。反射波的時距曲線方程為：

其中：t—時間（s）；x—距振源距離（m）；h—振源距地層界面深度（m）；θ—地層傾角（°）；v—在該層介質(zhì)的速度（m/s）。

根據(jù)反射波的時距曲線方程，通過MATLAB設計水平地層的反射波的模塊，得到反射波模塊如圖3和圖4。

圖3表明，當選擇反射波時距曲線選項后，只出現(xiàn)與反射波有關(guān)的參數(shù)，通過改變波速、地層厚度，以及檢波器距離參數(shù)，可以得到不同情況下的時距曲線。

當?shù)貙觾A斜時，反射波的規(guī)律則有所不同，可通過選擇傾斜地層反射波模塊演示地層傾斜時反射波的傳播規(guī)律，如圖4所示。

圖3　水平地層的反射波模塊

圖4很好地演示不同的地層傾角下反射波的時距曲線，以及在傾斜的地層界面下反射波的傳播規(guī)律。地層傾斜時反射波的規(guī)律演示過程與地層水平時反射波的規(guī)律模塊并沒有關(guān)聯(lián)，為獨立模塊，也驗證了模塊化的優(yōu)勢所在。

圖4　傾斜地層反射波模塊

2．折射波模塊

地震波在傳播過程中，由于界面下層波速高于上層，則會產(chǎn)生折射。折射波的時距曲線方程為：

其中：t—時間（s）；x—距振源距離（m）；h—振源距地層界面深度（m）；θ—地層傾角（°）；φ—臨界角；v—在該層介質(zhì)的速度（m/s）。

根據(jù)折射波的時距曲線方程，通過MATLAB編制水平地層的折射波的模塊，如圖5所示。

圖5　水平地層的折射波模塊

圖5演示了在選擇二層水平介質(zhì)折射波時距曲線的選項時，折射波的各個參數(shù)出現(xiàn)，包括有地層厚度、臨界角，兩種介質(zhì)的速度以及檢波器的距離，輸入不同參數(shù)后可以得到不同情況下的折射波時距曲線以及折射波在水平二層介質(zhì)中的傳播規(guī)律，同時還能夠計算折射波的盲區(qū)。

當?shù)貙咏缑姘l(fā)生傾斜時，折射波時距曲線也會產(chǎn)生不一樣的變化，因此建立了另一個模塊來反映傾斜地層下折射波的特性，如圖6所示。

圖6所演示的是改變兩層介質(zhì)界面傾角后所得到的結(jié)果，能夠準確地反映出傾斜界面時折射波的時距曲線，以及折射波傳播規(guī)律。通過調(diào)節(jié)5個參數(shù)來改變波速以及地層性質(zhì)，從而能夠得到不同條件下折射波的基本規(guī)律，能夠更好地理解折射波的概念。

圖6　傾斜地層折射波模塊

3．繞射波模塊

地震波在斷層的斷點、斷棱，地層尖滅點，不均勻體、侵入體和地下礁的邊緣等所引起的波稱為繞射波。繞射波的時距曲線方程如下：

其中：t—時間（s）；x—距振源距離（m）；L—繞射點地表投影與振源距離（m）；h—振源距地層界面深度（m）；θ—地層傾角（°）；v—在該層介質(zhì)的速度（m/s）。

根據(jù)上述的時距曲線方程，建立一個繞射波模塊，如圖7所示。

圖7　水平地層的繞射波模塊

根據(jù)圖7，可得到水平界面繞射波與波在介質(zhì)傳播的速度、地層厚度、繞射點地表投影位置以及檢波器距離這4個參數(shù)有關(guān)。能夠看出通過改變一定的參數(shù)，時距曲線也發(fā)生相應的變化，能夠很好地從圖7中了解繞射波時距曲線的特性。

當?shù)貙咏缑媸莾A斜時，對振動波的傳播規(guī)律會產(chǎn)生很大的影響，傾斜界面的繞射波時距曲線模塊如圖8所示。圖8表明，該模塊與水平繞射波模塊相互獨立，同時多出一個界面傾角的參數(shù)。通過改變上述的參數(shù)，能夠很好地反映出傾斜界面繞射波模塊的特點。

圖8　傾斜地層的繞射波模塊

四、結(jié)論

（1）編制了反射波、折射波以及繞射波三個模塊，各個模塊之間相互獨立。各模塊能夠很好地反映各種振動波時距曲線與各參數(shù)之間的關(guān)系，通過改變參數(shù)輸入，能夠快速準確地了解到時距曲線的不同形態(tài)。

（2）工程物探教學中，將模塊化程序應用于工程物探方法原理綜合解譯平臺中，能夠更有效地在工程物探教學中發(fā)揮其優(yōu)勢，提高課堂效率，學生根據(jù)自己的時間，通過工程物探方法原理綜合解釋平臺演示，更快速更容易地理解工程物探中有關(guān)振動波的時距曲線的內(nèi)容。

（3）后續(xù)將繼續(xù)完善該平臺，可以制作手機APP搭載平臺，能夠使工程物探的教學更加簡便，在實際工程中，也可以對工程物探的技術(shù)人員進行基本概念、基本知識的培訓，提高效率。

參考文獻:

[1]王立群.中國工程物探的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].地球物理學報,1994(S1):385-395.

[2]廖云伢,王建新,盛羽.基于Java與Matlab集成的虛擬實驗平臺的設計與實現(xiàn)[J].計算機應用,2007, 27(2):394-396.

[3]魏華.健美操技術(shù)課網(wǎng)絡化教學平臺構(gòu)建[J].北京體育大學學報,2010,33(1):91-94.

[4]蔣寧,楊姝,楊雪華.基于Zoho Wiki的云計算輔助教學平臺[J].沈陽師范大學學報：自然科學版,2012,30(2):232-235.

[5]趙曉英.關(guān)于模塊化程序設計中的三個主要問題[J].雁北師范學院學報,2004,20(2):24-25.

[6]邢菁,林軍,黃偉.模塊化程序設計在一體化檢定平臺中的應用[J].電測與儀表,2015,52(15):88-91.

[7]魏赟,魏邦龍,馮婕,等.Visual Basic語言模塊化程序的設計[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息,2014(10):114-116.

[8]何曉波.大型系統(tǒng)程序設計模塊化[J].裝備維修技術(shù),2005(2):2-7.

[9]李國朝.MATLAB基礎及應用[M].北京：北京大學出版社,2011.