井间超高密度电阻率法溶洞探测研究

doi:10.11720/wtyht.2021.0266

井间超高密度电阻率法溶洞探测研究

苏宝^,¹, 刘晓丽²^,³, 卫晓波⁴, 高歌⁵, 王云鹏⁵

1.广东珠三角城际轨道交通有限公司,广东广州 510335

2.清华大学土木水利学院,北京 100084

3.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084

4.广州地铁集团有限公司,广东广州 510330

5.中国石油华北油田分公司勘探开发研究院,河北任丘 062552

Karst cave prospecting using cross-hole ultra-high density resistivity method

SU Bao^,¹, LIU Xiao-Li²^,³, WEI Xiao-Bo⁴, GAO Ge⁵, WANG Yun-Peng⁵

1. Guangdong Pearl River Delta Intercity Rail Transit Co., Ltd., Guangzhou 510335,China

2. School of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China

3. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China

4. Guangzhou Metro Group Co. Ltd., Guangzhou 510330, China

5. Research Institute of Exploration and Development, Huabei Oilfield Company, PetroChina, Renqiu 062552,China

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2021-05-12 修回日期: 2021-06-21

基金资助:

国家重点研发项目.  2018YFC1504801
国家自然科学基金重大项目.  41941019
国家自然科学基金面上项目.  52079068

Received: 2021-05-12 Revised: 2021-06-21

作者简介 About authors

苏宝(1978-),男,硕士,高级工程师,从事轨道交通建设技术研究及管理工作。Email: youguyema@139.com

摘要

利用井间超高密度电阻率法对广州地铁某在建段浅层隐伏岩溶发育情况进行了探测实验。结果表明:利用现有勘察孔进行井间超高密度电阻率法探测溶洞是可行的,通过正反演计算获得的井间电阻率分布特征能直观给出溶洞在横向、纵向上的分布范围,但是对溶洞连通性不易区分,深度偏差为电极距大小。探测时,电法孔孔深一致,孔深和孔间距比大于1.5倍,电极间距1~2 m。

关键词： 城市地质 ; 井间电法 ; 超高密度电法 ; 溶洞

Abstract

The prospecting of shallowly concealed karst caves is studied using the cross-hole ultra-high density resistivity method. The results are as follows. It was feasible to prospect Karst caves using existing survey boreholes according to the cross-hole ultra-high density resistivity method. The transverse and longitudinal distribution ranges of karst caves can be directed reflected by the distribution characteristics of the cross-hole resistivity obtained through forward and inverse calculations. Meanwhile, it was difficult to distinguish the connectivity between karst caves, and the depth deviation was the distance between two adjacent electrodes. It is suggested that the depth of the boreholes used should be consistent, the ratio of the borehole depth to the borehole space should be higher than 1.5, and the electrode space should be 1~2 m in practice.

Keywords： urban geology ; cross-hole resistivity method ; ultra-high density resistivity method ; Karst cave

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本文引用格式

苏宝, 刘晓丽, 卫晓波, 高歌, 王云鹏. 井间超高密度电阻率法溶洞探测研究. 物探与化探[J], 2021, 45(5): 1354-1358 doi:10.11720/wtyht.2021.0266

SU Bao, LIU Xiao-Li, WEI Xiao-Bo, GAO Ge, WANG Yun-Peng. Karst cave prospecting using cross-hole ultra-high density resistivity method. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2021, 45(5): 1354-1358 doi:10.11720/wtyht.2021.0266

0 引言

我国很多城市地下发育灰岩,当城市地铁建设采用盾构施工时,由于土层和灰岩层的施工参数不同,不仅造成盾构施工难度加大,施工成本增加,而且由于灰岩中溶洞发育,常发生盾构机倾伏、被埋等施工安全事故,所以在轨道交通建设中,用地质测绘、遥感技术、静力触探、同位素示踪、勘察孔、工程物探等技术对地铁穿越的区域进行勘察,具有重要的工程意义和价值。其中,勘察孔是最实用、最直观、精度最高的探测溶洞方法,但勘察孔只能得到孔深范围内的岩溶发育情况,若要全面了解盾构机穿越范围内的隐伏岩溶,需要加密勘察孔,这样就大大增加了勘察成本,因此,工程物探成为了勘查隐伏岩溶的首选方法。工程物探主要包括:高密度电阻率法、探地雷达、跨孔电磁法、地面地震反射波法、跨孔地震法和微重力法,其中,地面地震反射波法、跨孔地震法、微重力法分辨率低,受环境影响大,主要用于宏观上土层与灰岩分界面、岩溶发育带的探测;探地雷达、跨孔电磁法的工作原理均为电磁波反射,由于电磁波能量受地层中含水程度影响大^[1],导致探测垂直、水平距离有限,通常不超过10 m;而高密度电阻率法由于电极距通常≥5 m,一般只能探测直径超过5 m的溶洞。

本文从降低探测成本出发,基于现有勘察孔,用井间超高密度电阻率法对广州某地铁线规划前的隐伏岩溶进行了探测,避免了隐伏岩溶对施工的影响,同时为同类工程提供借鉴。

1 探测原理

超高密度电阻率法勘探仍然基于在人工直流电场的作用下,地表的电场分布与地下岩土介质的电阻率分布相关的基本原理^[2,3,4],主要特点如下:

采用64电极排列方式,电极间距1~2 m。数据采集时,程序自动将每个排列的64个电极分为奇数组和偶数组,每组各32个电极;在2组电极中各选取1个作为供电电极A和B,在一次通电过程中同时测量其他电极相对于某一电极M的电位差,得到61个电位差(MN₁、MN₂、MN₃、……、MN₆₀、MN₆₁)数据(图1)。奇数组32个电极和偶数组32个电极互相配对做供电电极,即做一个排列就有32×32=1 024次供断电过程,每次供电可同时采集61个电位差数据,总数据量应为32×32×61=62 464个。

图1

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图1 超高密度电阻率法电极布置示意

Fig.1 Electrode layout of ultra-density resistivity method

与高密度电阻率法相比,超高密度电阻率法能一次布极、软件调控,实现多层次、多角度测试,采集的数据不仅具有丰富性、一致性,而且采集速度提高上百倍,大大提高了工作效率。其丰富性提高了反演结果的准确性和可靠性,一致性则避免了在高密度电法的数据采集中,有些偏重于横向分辨率,有些偏重于纵向分辨率,导致在同一地点采集的数据所产生的反演结果不同的缺点,加上电极间距1~2 m,可以进行更加精细的数据处理网格剖分,提高了电性异常体的分辨率,能更加真实反映出地下不同电性异常体的位置和大小。

2 溶洞探测实例

2.1 布极方式

在广州某地铁线规划前采用超高度电阻率法对清布站进行了隐伏岩溶探测,以避免隐伏岩溶对施工及运营的影响^[5,6,7]。超高密度电法布极方式分为地面^[8]、井—地及井—井3种形式,本次隐伏岩溶探测使用了井间超高密度电法,在2个勘察孔中分别放入32个电极,观测两孔间的电流和电压数据,电极距1 m(图2)。

图2

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图2 井间超高密度电法电极布置

Fig.2 Electrode layout of cross-hole ultra-density resistivity method

2.2 数据采集

为了节约探测成本,利用12个勘察孔,在工区内布置了21条井间超高密度电法测线,孔深和孔间距比大于1.5倍(图3)^[9],数据采集使用重庆奔腾数控技术研究所研发的WDJD-4型多功能数字直流激电仪。

图3

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图3 广州地铁清布站井间超高密度电法孔及测线布置示意

Fig.3 Layout of resistivity hole and survey line in Qingbu station of Guangzhou Metro

2.3 数据处理

每组井间电阻率剖面均以左侧勘察孔的32#电极所在点为原点(0,0),以2个勘察孔所在的直线为x轴,左侧勘察孔沿深度方向为y轴,建立直角坐标系统;对所采集的数据开展电阻率正反演计算,获取井间介质的电阻率特征差异;对采集的原始数据进行去除异常点、设置阻尼系数、网格剖分、拟合误差阈值、正演模拟处理,并在最小二乘法反演中增加组合反演、加强反演等相关工作,最终得到精度较高的二维成果剖面^[9,10,11,12]。

1)电法正演基本方程:

$▽·(σ·▽U)=- Iδ(r-r_c);r,r_c∈Ω$

式中:σ为电导率,I为电场强度,δ为狄拉克函数,r_c为电极位置。由式(1)可以得到任意电极处的电场强度分布特征。

2) 电法反演基本方程:

(2)

\begin{array}{l} \frac{\partial Φ (m)}{\partial m} = \frac{\partial Φ_{d} (m)}{\partial m} + λ \frac{\partial Φ_{m} (m)}{\partial m} = 0; \\ Φ_{d} (m) = || W_{d} [d_{0} - d (m)] {||}^{2}, \\ Φ_{m} (m) = || W_{m} (m - m_{0}) {||}^{2} 。 \end{array}

式中:m为电阻率;λ为平衡因子;d(m)和d₀分别为正演和实测的电场数据;m₀为反演初始模型;W_d和W_m为加权因子,用来控制迭代过程中对模型的修正量,其数值大小根据实测数据的信噪比确定,一般取0.005~0.2。

超高密度电阻率数据反演的具体步骤如下:首先,设一个电阻率的理论分布模型;其次,利用理论模型进行正演计算,得到理论电阻率数值;再次,计算实测数据与理论数值之间的差值后,根据不同的算法把差值归算到剖分的网格中去,以此来校正理论电阻率模型,并得到一个新的理论电阻率分布模型;最后,利用这个新的理论模型做正演计算,重复上述步骤,不断迭代拟合,直至拟合均方根误差足够小或满足要求时,结束反演。此时的理论电阻率分布模型被认为是最终的反演结果。

2.4 结果分析

以其中3条测线为例,将其反演剖面和勘察孔所获得的地层柱状图进行对比。3条测线所对应的勘察孔参数见表1。

表1 井间超高密度电阻率法勘察孔参数

Table 1 Parameters of resistivity holes

剖面序号	对应勘察孔 (电缆I—电缆II)	电缆I 孔深/m	电缆II 孔深/m	孔间距 /m
1	540—180	40.0	42.5	19.47
2	542—186	45.0	39.0	11.98
3	541—539	39.0	38.0	14.73
电极间距: 1 m		采样间隔:2 s

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图4为540孔~180孔超高密度电法反演电阻率剖面、地质推断剖面及地层柱状图。由图4可知:①根据180勘察孔地层柱状图,在28.7 m处见灰岩,但有裂隙发育,30.0~34.0 m、 34.7~40.0 m为溶洞,溶洞全充填,主要充填物为软塑状黏土,40.0~42.5 m为有裂隙发育的灰岩;②根据反演电阻率剖面,井间超高密度电法对溶洞造成的低阻异常反映明显,29.0~38.0 m有溶洞,但反演解释的溶洞顶上升偏差1.0 m,洞底上升偏差2.0 m,但对多层溶洞的分辨率低;③小于1.0 m的灰岩夹层分辨不出来。

图4

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图4 540孔~180孔反演电阻率剖面、地层柱状图及地质推断剖面

Fig.4 Inversion resistivity profile, stratigraphic histogram and geological inference profile between No.540 hole and No.180 hole

图5为542孔~186孔超高密度电法反演电阻率剖面、地质推断剖面及地层柱状图。由图5可知:①根据186勘察孔地层柱状图,在24.5 m处见灰岩,27.0~30.2 m、31.3~33.9 m、35.2~37.1 m有溶洞。②根据反演电阻率剖面图所示,28.0~35.5 m有溶洞,因为186孔深度不够,溶洞造成的低阻异常较明显;但反演解释的溶洞顶下降偏差1.0 m,同时造成溶洞底上升偏差1.6 m。③对多层溶洞的分辨率低。

图5

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图5 542孔~186孔反演电阻率剖面、地层柱状图及地质推断剖面

Fig.5 Inversion resistivity profile, stratigraphic histogram and geological inference profile between No.542 hole and No.186 hole

图6为541孔~539孔超高密度电法反演电阻率剖面、地质推断剖面及地层柱状图。由图6可知:①根据539勘察孔地层柱状图,在23.0 m处见灰岩,24.7~27.0 m、28.5~30.0 m、31.8~34.3 m有溶洞;②根据反演电阻率剖面,23.5~34.5 m有溶洞,但反演解释的溶洞顶上升偏差1.2 m,溶洞底下降偏差0.2 m。

图6

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图6 541孔~539孔反演电阻率剖面、地层柱状图及地质推断剖面

Fig.6 Inversion resistivity profile, stratigraphic histogram and geological inference profile between No.541 hole and No.539 hole

3 结语

1)利用勘察孔进行井间超高密度电法溶洞探测是可行的,且节约了钻孔费用。超高密度电法对充填溶洞探测灵敏度较高,对高、低阻异常区判定较为有效,数据重现性好,通过正反演计算获取的井间电阻率分布特征能直观地给出溶洞在横向、纵向上的分布范围,丰富了溶洞的探测手段。

2)根据溶洞与电阻率之间的对应关系能圈定溶洞发育范围,但对于直径小于电极距的溶洞及岩石夹层,容易被“掩盖”;对溶洞的连通性等还不易区分。

3)总体上看,反演电阻率剖面对井间岩面起伏、溶洞发育部位均有较好的定量解释,深度偏差基本上为电极距大小。

4)探测时,电法孔最好取同样孔深,避免探测盲区或造成单点异常,影响反演准确性;另外,孔深和孔间距之比应大于1.5倍,确保探测效果。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

郭贵安, 魏柏林.

井间电磁波CT技术在溶洞探测中的应用

[J]. 华南地震, 1999, 4(19):28-34.