CN110018519A - 一种地下不良工程地质与水文地质勘测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下不良工程地质与水文地质勘测系统，其包括：电极，其用于测量电阻率；电极转换器，其用于对电极进行转换；主机，其用于控制电极转换器，并获取电阻率数据；数据处理单元，其用于在对电阻率数据进行二维分析后将其重排可供三维软件处理的格式；三维数据反演单元，其用于获取电阻率云图；可视化处理单元，其用于根据电阻率云图的电阻率特征判断不良工程地质与水文地质在断面上的位置，并得出地下不良工程地质与水文地质分布与走势效果图。本发明基于三维电测量法，以岩土介质的导电性差异为基础，由此反演地下构造，并对处理结果进行可视化处理，从而查明地下不良工程地质与水文地质的空间分布及走势，具有直观、高效、高分辨率、高精度、低成本等特点，为不良地质或地下水治理提供方向。

Description

一种地下不良工程地质与水文地质勘测系统及方法

技术领域

本发明涉及地质勘测领域，尤其涉及一种地下不良工程地质与水文地质勘测系统及方法。

背景技术

在工程建设中常常会遇到隐藏在地下的不良工程地质与水文地质(如金属矿洞、煤矿洞、溶洞等)，其对工程的进度及安全构成了重大影响，极有可能造成人员伤亡、工期延误和重大经济损失。

目前，基于二维电测量法的勘探方法在地下不良工程地质与水文地质勘测中具有广泛的应用，但其不能直观地展示目标异常区域的走向空间位置与形态，无法进行有效精准的检测。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于三维电测量法的地下不良工程地质与水文地质勘测系统及方法，其可对地下不良工程地质与水文地质的空间分布及走势进行勘测，为地下不良工程地质与水文地质的勘测工程提供一种成本较低、方便快速、精准度高的勘测技术。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一方面，提供一种地下不良工程地质与水文地质勘测系统，其包括：

若干电极，其布设在待勘测的地层上，用于测量任意两电极之间的电阻率；

电极转换器，其连接每一所述电极，用于对需要工作的电极进行转换；

主机，其与所述电极转换器连接，用于控制所述电极转换器对电极进行转换，并获取所述电极测量获得的电阻率数据；

数据处理单元，其用于获取所述电极测量获得的电阻率数据，并对其进行二维分析后进行格式转换，将所述电阻率数据重排可供三维软件处理的格式；

三维数据反演单元，其用于根据重排后的电阻率数据反演地下构造，并获取各剖面的电阻率云图；

以及可视化处理单元，其用于根据各剖面电阻率云图的电阻率特征判断不良工程地质与水文地质在断面上的位置，并得出地下不良工程地质与水文地质分布与走势效果图。

优选的，所述地下不良工程地质与水文地质勘测系统还包括：自由测量单元，其用于选择符合预设条件的电极进行电阻率的测量，且所述预设条件为：两电极之间的距离为1-10m。

优选的，所述地下不良工程地质与水文地质勘测系统还包括：定位单元，其用于确定每一电极的坐标以及高程。

优选的，所述电极分3-5列布设，且每列包括55-65个电极。

另一方面，还提供一种地下不良工程地质与水文地质勘测方法，其包括如下步骤：

S1、布设电极，测量并保存电阻率数据；

S2、创建并编辑三维有限元反演文件，并保存；

S3、将所述电阻率数据文件进行二维处理，并对其进行二维分析后进行格式转换，将所述电阻率数据重排可供三维软件处理的格式，并保存；

S4、加载保存的三维有限元反演文件以及重排后的电阻率数据，反演地下构造，并获取各剖面的电阻率云图；

以及S5、根据各剖面电阻率云图的电阻率特征判断不良工程地质与水文地质在断面上的位置，并得出地下不良工程地质与水文地质分布与走势效果图。

优选的，所述S1包括：

S11、确定电极编号、电极坐标和高程、电极阵列之间的间距以及电阻率的测量方式；

S12、根据电极编号确定用于测量电阻率的电极，并保存；

S13、布设电极，测量并保存电阻率数据；

以及S14、创建并编辑地表标高文件，并保存。

优选的，步骤S2中，所述三维有限元反演文件包括：勘测区域范围、电极坐标及三维网格划分参数。

优选的，所述步骤S3中，所述二维分析包括：格式转换、噪音剔除、平滑与插值中的一种或几种。

优选的，所述步骤S5包括：

S51、调整各剖面电阻率云图的色标设置，对每一剖面上的电阻率异常区域进行标记，记录其水平向起始点坐标及竖直向起始点坐标，得到不良工程地质与水文地质在各剖面上的位置信息及大小；

S52、利用作图工具将地表信息及各剖面位置信息进行结合，以作出地下结构的三维切片模型；

以及S53、根据相邻剖面上的电阻率异常区域的位置判断剖面间不良工程地质与水文地质的走势，且将电阻率异常区域连接，并进行平滑处理，以获得地下不良工程地质与水文地质分布与走势结果图。

优选的，还包括步骤S6、对勘测区域进行现场踏勘，并与获得的地下不良工程地质与水文地质分布与走势结果图做对比

本发明技术方案的有益效果在于：

本发明为基于三维电测量法的地下不良工程地质与水文地质勘测系统及方法，其以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律来反演地下构造，并对处理结果进行可视化处理，从而查明地下不良工程地质与水文地质的空间分布及走势，具有直观、高效、高分辨率、高精度、低成本等特点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例一中地下不良工程地质与水文地质勘测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一中地下不良工程地质与水文地质勘测系统的运行原理示意图；

图3为本发明实施例一中根据反演结果得到的剖面电阻率云图；

图4为本发明实施例一中地下不良工程地质与水文地质勘测系统勘测出的断层的剖面分布图；

图5为本发明实施例一中经地下不良工程地质与水文地质勘测系统可视化处理后的地下不良工程地质与水文地质结果图；

图6为本发明实施例二中地下不良工程地质与水文地质勘测方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

如图1-2所示，本发明的地下不良工程地质与水文地质(包括断层、地下水以及空洞等)勘测系统基于三维电测量法的地下不良工程地质与水文地质勘测系统及方法，其以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律来反演地下构造，并对处理结果进行可视化处理，从而查明地下不良工程地质与水文地质的空间分布及走势，其具体包括：

若干电极1，其通过电缆100布设在待勘测的地层上，用于传送和接收电流信号，由测量任意两电极1之间的电阻率；

电极转换器2，其连接每一所述电极1，用于对需要工作的电极1进行转换；

主机3，其与所述电极转换器2连接，用于发送控制命令，控制所述电极转换器2对电极1进行转换，并控制进行电极1间的电压、电流测量，接收反馈信号，获取所述电极1测量获得的电阻率数据；其中，电压测量范围为±6V，电流测量范围为0-5A；

数据处理单元4(例如美国GEOTOMO公司的商用反演分析软件系统)，其连接所述主机3，用于获取所述电极测量获得的电阻率数据，并对其进行二维分析，此处，所述二维分析包括：格式转换、噪音剔除、平滑与插值中的一种或几种，由此可初步掌握数据噪音大小、地下构造特点和处理参数；然后进行格式转换，将所述电阻率数据重排可供三维软件处理的格式；

三维数据反演单元5(例如日本DAIYA公司开发的分析软件)，其用于根据重排后的电阻率数据反演地下构造，并获取各剖面的电阻率云图(如图3所示)；具体的，所述三维数据反演单元5利用共扼梯度方法求模型的最小构造反演，再有机地结合Jacoiban矩阵的Rodi算法，在最小二乘准则中加入光滑约束，由此可有效地消除多余构造信息，改造反演的非唯一性，可得到与实际情况非常接近的稳定、可靠的反演结果；

以及可视化处理单元6，其用于根据各剖面电阻率云图的电阻率特征判断不良工程地质与水文地质在断面上的位置，如图4即示出了断层的剖面分布图；再结合所有剖面结果，利用作图软件平滑处理后获得地下不良工程地质与水文地质分布与走势效果图(如图5所示)。

优选的，所述地下不良工程地质与水文地质勘测系统还包括：定位单元8以及自由测量单元7；

其中，所述定位单元8(可优选为GPS定位单元)用于确定每一电极1的坐标以及高程，且每隔15-30米设置一定位单元8；同时，为保证成果的解释精度，所述定位单元8还可用于记录地形的突变情况，以用作地形校正；

所述自由测量单元7连接所述定位单元8，用于对所述电极1进行编号，其而根据电极坐标以及高程选择符合预设条件的电极1进行电阻率的测量；本实施例中，所述预设条件为：两电极之间的距离为1-10m；再将符合预设条件的电极1的编号发送至所述主机3，所述主机3由此通过电极转换器2控制对应的电极1工作。

由于测量时每个电阻率数据是由两个电极测量得到的，而两电极相距越远，则测量的地质信息越深；但当两电极相距太远时，测量的深层信息精度较低，其无必要进行测量。因此，通过上述自由测量单元7的设置，可以剔除相距太远的电极组合，直接测量有效信息，由此可大幅节省测量时间，其尤其适用于野外作业，避免夜间加班测量带来的风险。

进一步的，当测量深度较深时，所述电极可分3-5列(优选为4列)布设，且每列包括55-65个(优选为60个)电极，且在遇到松散土层或地表时，优选挖坑埋置电极1，由此使电极1与大地耦合良好，保证测量精度。

实施例二：

本实施例提供了一种通过上述地下不良工程地质与水文地质勘测系统实现的地下不良工程地质与水文地质勘测方法，如图6所示，其包括如下步骤：

S1、布设电极，测量并保存电阻率数据；具体的，所述步骤S1包括：S11、通过自由测量单元确定电极编号；确定电极阵列之间的间距；确定放电时间以及电阻率的测量方式；

S12、通过定位单元确定电极坐标和高程，电极转换单元根据电极编号、电极坐标以及高程确定符合预设条件的电极用于测量电阻率，由此剔除相距太远的电极组合，并利用数据处理工具编辑相应的ABMN文件，以txt格式保存；

S13、根据步骤S11的参数布设电极，读取步骤S12保存的txt格式文件，开始测量并以txt格式保存电阻率数据；

以及S14、创建并编辑地表标高文件，并以csv格式保存；

S2、在三维数据反演单元中创建并编辑三维有限元反演文件，并以csv格式保存；所述三维有限元反演文件包括：勘测区域范围、电极坐标及三维网格划分参数(如三维网格划分尺寸等)；

S3、数据处理单元将所述电阻率数据文件进行二维处理，并对其进行二维分析后进行格式转换，所述二维分析包括：格式转换、噪音剔除、平滑与插值中的一种或几种；再将所述电阻率数据重排可供三维软件处理的csv格式，并保存；

S4、在三维数据反演单元中加载保存的三维有限元反演文件以及重排后的电阻率数据，反演地下构造，并获取各剖面的电阻率云图；

S5、根据各剖面电阻率云图的电阻率特征判断不良工程地质与水文地质在断面上的位置，并得出地下不良工程地质与水文地质分布与走势效果图；具体的，所述步骤S5包括：

S51、调整各剖面电阻率云图的色标设置，对每一剖面上的电阻率异常区域进行标记，记录其水平向起始点坐标及竖直向起始点坐标，得到不良工程地质与水文地质在各剖面上的位置信息及大小；

S52、利用作图工具将地表信息及各剖面位置信息进行结合，以作出地下结构的三维切片模型；

S53、根据相邻剖面上的电阻率异常区域的位置判断剖面间不良工程地质与水文地质的走势，且将电阻率异常区域连接，并进行平滑处理，以获得地下不良工程地质与水文地质分布与走势结果图；

以及S6、对勘测区域进行现场踏勘，了解勘测区域地层分布情况，详细记录地形、地貌、地质变化，特别是断层露头、基岩出露等关键部位，为勘探结果的解译提供辅助和验证依据，并与获得的地下不良工程地质与水文地质分布与走势结果图做对比，并根据对比结果对获得的地下不良工程地质与水文地质分布与走势结果图进行修正。

需要说明的是，上述实施例一、二中的技术特征可进行任意组合，组合而成的技术方案均属于本发明的保护范围。

综上所述，本发明可用于与周围岩体有明显的电阻率差异的地下不良工程地质与水文地质的勘测，基于三维电测量法的地下不良工程地质与水文地质勘测系统及方法，其以岩土介质的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律来反演地下构造，并对处理结果进行可视化处理，从而查明地下不良工程地质与水文地质的空间分布及走势，具有直观、高效、高分辨率、高精度、低成本等特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地下不良工程地质与水文地质勘测系统，其特征在于，包括：

若干电极，其布设在待勘测的地层上，用于测量任意两电极之间的电阻率；

电极转换器，其连接每一所述电极，用于对需要工作的电极进行转换；

主机，其与所述电极转换器连接，用于控制所述电极转换器对电极进行转换，并获取所述电极测量获得的电阻率数据；

数据处理单元，其用于获取所述电极测量获得的电阻率数据，并对其进行二维分析后进行格式转换，将所述电阻率数据重排可供三维软件处理的格式；

三维数据反演单元，其用于根据重排后的电阻率数据反演地下构造，并获取各剖面的电阻率云图；

以及可视化处理单元，其用于根据各剖面电阻率云图的电阻率特征判断不良工程地质与水文地质在断面上的位置，并得出地下不良工程地质与水文地质分布与走势效果图。

2.根据权利要求1所述的地下不良工程地质与水文地质勘测系统，其特征在于，所述地下不良工程地质与水文地质勘测系统还包括：自由测量单元，其用于选择符合预设条件的电极进行电阻率的测量，且所述预设条件为：两电极之间的距离为1-10m。

3.根据权利要求1所述的地下不良工程地质与水文地质勘测系统，其特征在于，所述地下不良工程地质与水文地质勘测系统还包括：定位单元，其用于确定每一电极的坐标以及高程。

4.根据权利要求1所述的地下不良工程地质与水文地质勘测系统，其特征在于，所述电极分3-5列布设，且每列包括55-65个电极。

5.一种地下不良工程地质与水文地质勘测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、布设电极，测量并保存电阻率数据；

S2、创建并编辑三维有限元反演文件，并保存；

S3、将所述电阻率数据文件进行二维处理，并对其进行二维分析后进行格式转换，将所述电阻率数据重排可供三维软件处理的格式，并保存；

S4、加载保存的三维有限元反演文件以及重排后的电阻率数据，反演地下构造，并获取各剖面的电阻率云图；

以及S5、根据各剖面电阻率云图的电阻率特征判断不良工程地质与水文地质在断面上的位置，并得出地下不良工程地质与水文地质分布与走势效果图。

6.如权利要求5所述的地下不良工程地质与水文地质勘测方法，其特征在于，所述S1包括：

S11、确定电极编号、电极坐标和高程、电极阵列之间的间距以及电阻率的测量方式；

S12、根据电极编号确定用于测量电阻率的电极，并保存；

S13、布设电极，测量并保存电阻率数据；

以及S14、创建并编辑地表标高文件，并保存。

7.如权利要求6所述的地下不良工程地质与水文地质勘测方法，其特征在于，步骤S2中，所述三维有限元反演文件包括：勘测区域范围、电极坐标及三维网格划分参数。

8.如权利要求5所述的地下不良工程地质与水文地质勘测方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述二维分析包括：格式转换、噪音剔除、平滑与插值中的一种或几种。

9.如权利要求5所述的地下不良工程地质与水文地质勘测方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S51、调整各剖面电阻率云图的色标设置，对每一剖面上的电阻率异常区域进行标记，记录其水平向起始点坐标及竖直向起始点坐标，得到不良工程地质与水文地质在各剖面上的位置信息及大小；

S52、利用作图工具将地表信息及各剖面位置信息进行结合，以作出地下结构的三维切片模型；

以及S53、根据相邻剖面上的电阻率异常区域的位置判断剖面间不良工程地质与水文地质的走势，且将电阻率异常区域连接，并进行平滑处理，以获得地下不良工程地质与水文地质分布与走势结果图。

10.如权利要求5-9任一项所述的地下不良工程地质与水文地质勘测方法，其特征在于，还包括步骤S6、对勘测区域进行现场踏勘，并与获得的地下不良工程地质与水文地质分布与走势结果图做对比。