基于三维电阻率法的水电工程隧道地质条件探查
Exploring geological conditions for tunnel construction in hydropower engineering using a 3D resistivity method
责任编辑: 叶佩, 沈效群
收稿日期: 2022-12-9 修回日期: 2023-03-27
基金资助: |
|
Received: 2022-12-9 Revised: 2023-03-27
作者简介 About authors
黄瑶(1988-),女,副教授,主要从事结构工程方面的教学与研究工作。Email:
为开展水电工程隧道施工地质条件的探查与研究,基于三维电阻率技术构建了隧道地质条件的计算模型,采用数值模拟获得隧道模型的三维电性分布特征;将该技术应用于云南某水资源配置工程现场探查,经钻孔验证,获得了良好的探查效果。研究结果表明三维电阻率法对水电工程隧道的施工地质条件探查具有好的适用性,能够准确判断地层层厚,圈定岩溶空洞的大小、位置及充填物性质。通过探测研究获得的定量、定性信息,为隧道施工管理、信息化建设和防灾提供了可靠的依据。
关键词:
To explore the geological conditions for the tunnel construction in hydropower engineering, this study built a calculation model for tunnel geological conditions using a 3D resistivity method. Through numerical simulations, this study determined the 3D resistivity distribution of the tunnel model. Then, the model was applied to the field exploration of a water resource allocation project in Yunnan, yielding satisfactory exploration results, as verified through drilling. The findings suggest that the 3D resistivity method can be effectively applied to the exploration of geological conditions for tunnel construction in hydropower engineering by accurately determining formation thicknesses, as well as the sizes, locations, and filling characteristics of karst cavities. The quantitative and qualitative data obtained from exploration in this study lay a reliable foundation for the management, informatization, and disaster prevention of tunnel construction.
Keywords:
本文引用格式
黄瑶.
HUANG Yao.
0 引言
随着工程隧道的建设量不断增加,所遇到的工程地质问题也越来越复杂。水电工程隧道由于用途的特殊性,隧道选址要求较高,隧道施工中对地质条件探查的要求也比较高。在隧道施工时,探测异常地质体,并确定其空间位置、形状、大小及埋深,查明有害地质体中填充物(如有害气体、地下水、沉积物或泥浆)的性质,探测不同岩性构造之间的分界面至关重要。为了有效获取隧道工作面前的地质构造,隧道地质条件探查的理论和技术一直是研究者们关注的焦点。近50年来,超前勘探从钻井和地质分析发展到非破坏性地球物理勘探,由于地球物理方法具有探测快速、破坏性较小以及施工高效等特点,在隧道地质条件的探查以及异常体的圈定方面得到了广泛应用[1⇓⇓⇓⇓-6]。由于电阻率法对隧道各地质结构的电性特征响应明显,对地层电导率差异敏感,识别地质结构及地层的能力较强,所以电阻率法在隧道地质条件探查方面发展迅速。采用高密度电阻率法可以准确探查出隧道前方溶洞的位置及判断出岩层的富水区[7-8],也可以探测出隧道隐伏断层的位置[9]。但上述电阻率法对隧道施工地质条件的探查与研究只是针对二维平面,对地质条件的空间分布特征研究较少,不能从整体空间上判断隧道地质条件。而水电工程隧道前方地质异常体的空间位置、形状、大小是预测隧道前方围岩质量,分析隧道施工过程中可能遇到的地质灾害的类型、风险和规模等亟待解决的关键难题,因此,对水电工程隧道的地质条件三维空间探查非常重要。
1 三维电阻率技术
2 数值模拟
为了研究三维电阻率法对水电工程隧道地质异常体的响应程度,基于AGI软件平台,通过构建2个水电工程隧道地质条件的数值模型,模拟测区内有含水溶洞、断层破碎带及岩层含水时空间范围内电性分布特征。
模型如图1所示,在电阻率为1 000 Ω·m的均匀空间中有一个异常体,其长×宽×高为30 m×20 m×10 m,中心埋深为20 m,异常体分别设置为低阻(10 Ω·m)和高阻(10 000 Ω·m)。布设5条测线,电极间距为5 m,测线长145 m,测线之间的间距为20 m。数据采集方式为温纳三极装置。
图1
本文研究的是水电工程隧道的地质条件,因为地层中含水量较大,因此模拟时围岩电阻率的取值较小,同时也有利于有效区分低阻异常体。
图2
通过数值模拟可以判断三维电阻率法能够准确探明水电工程隧道的地质条件,对隧道施工过程中遇到的溶洞问题能够作出明显的判别。因此,三维电阻率勘探技术对水电工程隧道地质条件的探查具有很好的适用性及可靠性。
3 现场实测
3.1 工区地质条件及测线布置
云南某水资源配置工程,需要利用隧道进行水资源的配置。该地区地貌以丘陵为主,且岩溶发育较多,隧道位于岩溶发育区域,场地经人工填平,地势较平坦。前期钻孔资料揭示工区主要分布第四系覆盖层,以粉质黏土为主,电阻率变化较大,一般为20~220 Ω·m;覆盖层下发育二叠系灰岩及泥盆系灰岩,电阻率一般为420~1 200 Ω·m。为探查该隧道的施工地质条件,在隧道前方布设7条测线(图3),线距均为20 m,每条测线均有90个电极,电极距1.5 m,测线方向与隧道开挖方向一致。采用温纳装置进行数据采集。
图3
3.2 反演结果及综合解释
对7条测线的数据采集采用二维剖面采集模式,获得了质量较好的数据。合并数据后基于AGI软件平台进行三维反演。由于现场环境噪声较小,阻尼因子取值较小,初始阻尼因子为0.15,最小阻尼因子为0.01,结合隧道开挖的位置构建三维探测坐标。图4为反演得到的电阻率分布,可以看出剖面中电阻率具有明显的分层性:浅部低阻层约为40Ω·m,埋藏深度1~4 m,推测为工区的第四系覆盖层;其下方为明显的高阻层,电阻率为620~1 100 Ω·m,推测为二叠系灰岩。
图4
同时,三维反演结果中存在2个明显的高阻异常体,电阻率值约为10 000 Ω·m。为了准确判断异常体的大小及空间分布,绘制了三维电阻率等值线图(图5)。图中左侧的高阻异常体较右侧的异常体大,结合现场的地质资料与数值模拟结果,可以判断这两个高阻异常体为溶洞,溶洞内含水极少,为溶洞空洞。左侧溶洞上部发育大,具有向左下延伸的趋势,埋藏深度较大,大小约为20 m×25 m×20 m;右侧溶洞较小,约为15 m×10 m×10 m,埋藏深度也较浅。
图5
为了详细研究该隧道开挖过程中的隧道前方的地质条件,截取了三维反演结果中平行隧道测线的L4的电阻率剖面(图6)。可以看出:各地层岩性电性特征明显不同,地层之间具有较好的分层性,基岩面的起伏形态能够很好地分辨,溶洞的位置、大小及含水性均得到很好的显示。
图6
图6
L4线的反演电阻率断面及解释成果
Fig.6
Inversion result and interpretation of survey line L4
3.3 钻孔验证
为验证三维电阻率法探测的准确性,在测线L4上方布设钻孔D1,图7给出了D1的钻孔柱状图及典型数字岩心图。钻孔揭示第四系覆盖层厚度为1.5 m,溶洞埋深6.4~10 m,溶洞内以空洞为主,未发现水及泥沙等破碎充填物。覆盖层厚度、基岩面埋深、溶洞的大小及充填物的性质与三维电阻率反演结果一致,取得了良好的探测效果。
图7
图7
D1柱状图及典型数字岩心图
Fig.7
Bar chart and typical digital core chart of borehole D1
4 结论与建议
1)三维电阻率技术对隧道地质条件具有较好的响应程度,能够有效探测河床地质条件的三维特征,对断层、含水破碎带等异常体能够有效辨别,对判断溶洞的大小、空间分布以及充填物的性质具有良好的效果;三维电阻率技术对水电工程隧道的施工地质条件的空间探查具有很好的适用性。
2)利用三维电阻率技术对水电工程隧道进行现场探测,经钻孔验证,取得了良好的探测效果。三维电阻率技术能够准确判断其空间范围内的覆盖层厚度、基岩面分布特征。
3)三维电阻率技术能够有效探测隧道的空间范围内的地质条件,为隧道的安全开采提供保障,同时为类似工程的施工提供技术支持。
参考文献
TSP超前地质预报在公路隧道中的应用
[J]. ,
Application of TSP advanced geological prediction in highway tunnel
[J]. ,
张吉怀铁路隧道超前预报技术应用研究
[J]. ,
The research on the application of geological prediction technology to Zhangjihuai railway tunnel
[J]. ,
陆地声呐法探查中小溶洞、溶管效果好的原因
[C]// .
Reasons for good effect of small and medium-sized caves and dissolved tubes by terrestrial sonar
[C]// .
瞬变电磁隧道超前预报成像技术
[J]. ,
The technology of TEM tunnel prediction imaging
[J]. ,
隧道不良地质现象的探地雷达正演模拟与超前探测
[J]. ,
Forward modeling and advanced detection of radar in adverse geological phenomena tunnel
[J]. ,
基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究
[J]. ,
Study of advanced detection for tunnel water-bearing geological structures with induced polarization method
[J]. ,
利用并行电阻率法探测隧道施工地质条件
[J]. ,
The application of parallel resistivity method to geological conditions detection of tunnel construction
[J]. ,
高密度电阻率法在舟山市隧道勘察中的应用
[J]. ,
Application of the high-density resistivity method to survey tunnels in Zhoushan city
[J]. ,
应用综合电阻率法勘察隐伏断层
[J]. ,
An application of prospecting concealed fault with multi-resistivity method
[J]. ,
矿井直流电法三维正演计算的若干问题
[J]. ,
Some problems in 3d forward simulation of mine direct current method
[J]. ,
A finite element modeling of 3-D resistivity sounding with continuous conductivity
[J]. ,DOI:10.1002/cjg2.v45.1 URL [本文引用: 1]
各向异性介质空间—波数混合域直流电阻率法三维数值模拟研究
[J]. ,
Three dimensional DC anisotropic resistivity modeling in a mixed space-wavenumber domain
[J]. ,
活动断层高密度电法响应特征与应用研究
[J]. ,
Study on the response characteristics and application of high density resistivity method of active fault
[J]. ,
基于高密度电法温纳装置的三维电阻率反演应用
[J]. ,
Application of 3-D resistivity inversion based on Winner device of high density electricity method
[J]. ,
3D高密度电法探测断层效果及其应用
[J]. ,
Effect and application of 2D and 3D high density resistivity method for fault detection
[J]. ,
三维高密度电法在隐伏断层探测中的应用
[J]. ,
Application of 3D electrical resistivity tomography to buried fault detection
[J]. ,
隧道含水构造直流电阻率法超前探测三维反演成像
[J]. ,
Advanced detection of water-bearing geological structures in tunnels using 3D DC resistivity inversion tomography method
[J]. ,
双巷并行三维电法探测煤层工作面底板富水区
[J]. ,
The exploration of two-gateways parallel 3-D electrical technology for water-rich area within coal face floor
[J]. ,
隐伏洞体并行电法探查试验研究
[J]. ,
Experimental study of parallel electrical imaging in concealed cave
[J]. ,
电法三维成像技术在隧道岩溶探测中的应用
[J]. ,
Application of 3D electrical resistivity tomography to a tunnel in a Karst area
[J]. ,
采煤面覆岩变形与破坏立体电法动态测试
[J]. ,
Dynamic detection of overburden deformation and failure in mining workface by 3d resistivity method
[J]. ,
地面钻孔并行三维电法探测煤矿灰岩导水通道
[J]. ,
Detection of limestone water-conducting channels in coal mine by parallel 3d electric method of surface boreholes
[J]. ,
A comparison of the Gauss-Newton and quasi-Newton methods in resistivity imaging inversion
[J]. ,DOI:10.1016/S0926-9851(01)00106-9 URL [本文引用: 1]
Practical techniques for 3D resistivity surveys and data inversion 1
[J]. ,DOI:10.1111/gpr.1996.44.issue-3 URL [本文引用: 1]
三维并行电法勘探技术与矿井水害探查
[J]. ,
Three-dimensional parallel electric surveying and its applications in water disaster exploration in coal mines
[J]. ,
基于局部加密非结构化网格的三维电阻率法有限元数值模拟
[J]. ,
Finite element modeling of 3-D DC resistivity using locally refined unstructured meshes
[J]. ,
充水溶洞特征的高密度电阻率法反演分析研究
[J]. ,
Back analysis of high density resistivity method in the water-bearing Karst cave
[J]. ,
/
〈 | 〉 |