CN110967767A - 一种跨孔激发极化探测溶洞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨孔激发极化探测溶洞的方法，该方法中探测装置是由第一PVC管和第二PVC管组成，在第一PVC管或第二PVC管接触探测区域段的侧面每间隔1米进行打孔处理，然后将铜质电极安装到第一PVC管或第二PVC管的孔洞中，同时每个电极与铜芯电缆连接，铜芯电缆通过第一PVC管或第二PVC管的内孔外伸到地表后与极化率测量仪器连接。本发明利用超前钻孔作为探测孔，能有效保证足够测深；同时，采用跨孔探测形式对探测区域进行交叉测量，电极排列方式多样化，能够获得丰富的数据，提高探测的准确性。

Description

一种跨孔激发极化探测溶洞的方法

技术领域

本发明涉及一种跨孔激发极化探测溶洞的方法，属于地下溶洞探测技术领域。

背景技术

我国岩溶发育地区分布广泛，而且溶洞的发育和分布具有隐蔽性和复杂性。对于高层建筑基础和地下工程来说，如果不能全面排查溶洞情况，不仅会影响工期进度和造成经济损失，严重的还有可能影响工程的安全性。因此，建设各方不惜投入大量的人力、物力进行详细勘察，以确保工程的安全和顺利完成。传统技术采用高密度电阻率法探测溶洞，一旦溶洞体积较小或者地质情况复杂，这种方法数据类型单一，无法很好的探察溶洞的实际情况。

现在对于溶洞多发地区的探测方法有：地质雷达法、瞬变电磁法、地震映像法、高密度电法等：

1、地质雷达法利用探测溶洞与其周围介质的导电性、介电性的差异，通过高频脉冲电磁波在电性界面上的反射来探测溶洞，该法能高效率，高精度，直观的体现溶洞的分布情况；

2、瞬变电磁法利用电磁感应定律，在地面设置通有波形电流的发射电圈，向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而根据探测介质电阻率差异判断溶洞的分布情况的一种方法；

3、地震映像法通过反射波、折射波、绕射波等遇到不同的地质体其时序分布关系的变化和能量特征的不同实现对地质体的探测，该法有效利用地震波的多波勘探信息，利用叠加后的波形记录判断该地质体是否为岩溶、空洞等；

4、高密度电法的基本原理与传动电阻率法相同，多采用地表高密度布极的方式，即将全部电极设置在一定间隔的测点上，然后人工施加电流进行观测。该法仅需一次布极，效率高，适合野外工作环境，能进行多种电极排列方式的数据采集以丰富溶洞分布信息。

虽然以上各种方法都能在一定程度上反映溶洞的地质信息，但是也都在某些方面存在局限性。

地质雷达探测填充溶洞或富水区溶洞的发育深度与高度划分不准确时，对于填充溶洞，填充物质吸收对电磁波吸收严重，一般难以接受底部反射波组，对于富水区溶洞，雷达波会在含水层发生强振幅反射，电磁波穿透含水层时，将产生一定规律的多次强反射，在富水带内产生绕射、散射现象，从而掩盖含水层下部信息。地质雷达探测法使用范围局限较大。

瞬变电磁法的探测效果受到实际的地质情况的影响，当遇到周边有大的金属结构时地面或空间的金属结构时，又或者地层表面遇到大量的低阻层矿化带时，所测到的数据不可使用，因此探测结果不可靠。

地震映像法在相同的参数设置条件下可形成明显的顶部反射波面，主要表现为强振幅、低频率，与围岩地震波组相比特征明显，但一般无法接收到底部反射波，因此该方法的水平分辨效果明显，垂向较差。同时，在当探测目的层较多时，最佳偏移距不容易确定，而该法的探测结果准确性主要依赖于最佳偏移距的确定。

地表布极高密度电法存在受限于地面条件问题，基岩裸露面或探测线上高差太大，将导致不能布极。该法的分辨率随深度的增加而减少，在非野外环境下无法设置长侧线，因此测深会受限。同时，此法仅采集电阻率值进行反演分析，数据形式单一且在固定电极数量的情况下，采集的数据有限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种经济、高效的跨孔激发极化探测溶洞的方法，该方法采用跨孔探测形式，能适应多种复杂地质情况的探测区域，对探测区域进行交叉测量，电极排列方式多样化，能够获得丰富的数据；而且该方法在电阻率测试的基础上，增加识别区域内的极化率测试数据的反演，进一步提高探测的准确性。

本发明的技术方案：一种跨孔激发极化探测溶洞的方法，包括以下步骤：

S1，制作探测装置：所述的探测装置是由第一PVC管和第二PVC管组成，在第一PVC管或第二PVC管接触探测区域段的侧面每间隔1米进行打孔处理，然后将铜质电极安装到第一PVC管或第二PVC管的孔洞中，同时每个电极与铜芯电缆连接，铜芯电缆通过第一PVC管或第二PVC管的内孔外伸到地表后与极化率测量仪器连接(WDJD-4多功能数字直流激电仪)；

S2，放置探测装置：将探测装置的第一PVC管和第二PVC管分别放入探测区域两侧的钻孔中，使第一PVC管和二号PVC上的两排电极相向，并与探测区域处于同一平面内，同时使所有电极均与土体有良好的接触状态；

S3，读取数据：将第一PVC管上的电极从上到下标记为1号电极～N号电极，将第二PVC管上的电极从下到上标记为N+1号电极～2N号电极，然后以1号电极和2N号电极作为供电电极，以2号电极和2N-1号电极作为测量电极；此时，保持1号电极和2号电极位置不变，2N号电极和2N-1号电极逐次等步长向下移动，并读取数据，直至最后一个点极；同样，1号电极和2号电极等步长向下移动一个电极间隔位置，2N号电极和2N-1号电极重复前述动作并读取数据，重复以上动作直至2号电极到达最后一个电极；

S4，根据极化率测量仪器采集的数据计算极化率；

S5，反演：采用最小二乘法求解基于极化率的目标函数，从而得到识别区域的极化率；

S6，绘制反演图：采用surfer软件绘制极化率反演图；

S7，溶洞识别：极化率相对较高的区域则可识别为溶洞存在的区域。

上述方法中，计算极化率时，目标模型的电阻率为已知，假设目标模型被离散为M个有限元，其中每个单元的电阻率和极化率分别为σ，η；因为极化率的数值为η_i＜＜1.0，因此可对Φ_r进行一阶泰勒展开：

将上式代入

中，可得到视极化率的表达式

上式可简化为：

因此，第i个是极化率可表示为：

其中，N为实测视极化率的个数，

η_a＝Jη

所以

η＝J^-1η_a。

上述方法中，求解基于极化率的目标函数时，因为η^-1一般为病态矩阵，因此需要引入正则化项，该法的目标函数为：

obj＝||Jη-η_A||²+λ||η-η₀||²。

由于采用了上述技术方案，本发明的优点在于：

1、利用超前钻孔作为探测孔，能有效保证足够测深；

2、采用跨孔探测形式对探测区域进行交叉测量，电极排列方式多样化，能够获得丰富的数据，提高探测的准确性；

3、用同一装置在电法探测得电阻率值的基础下，进行数据反演。在电阻率探测的基础上，溶洞的地质条件进行进一步的精确性处理，能够有效的提高探测结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的实施流程图；

图2为本发明中激发电极法电视衰变图；

图3为本发明中探测区域物理模型示意图；

图4为本发明中探测装置布置示意图；

图5为本发明中探测区域极化率反演模型示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的实施例：如图3所述，本实施例选取大小为5m*11m的纵向探测区域，该区域土层的平均电阻为200ohm-m,平均充电能力为5msec。该区域中有埋深为1米的不同于物理性质、不同于土层的两个低阻体模拟溶洞多发地区中的溶洞情况，其中低阻体1大小为1m*1m，电阻为20ohm-m，充电能力为35msec；低阻体2大小为1.2m*0.8m，电阻为20ohm-m，充电能力为35msec。

参见图2，本实施例采用激发极化法时间域原理采集电势衰变期数据：通过施加人工电场给土体充电使其达到无极化现象(即在充电或放电过程中，由电化学作用引起的随时间变化的附加电场)的稳定电势φ_σ，接着土体被极化达到总电势φ_η，将电流开关关闭瞬间，电势骤降至极化电势φ_s，之后土体电势由极化电势逐渐衰变为零。激发极化时间域法通过测得的极化率测推演出所测土体的地质情况。

参见图1，本实施案例采用跨孔激发极化探测溶洞的方法，具体包括以下步骤：

S1，制作探测装置：所述的探测装置是由第一PVC管1和第二PVC管2组成，在第一PVC管1或第二PVC管2接触探测区域段的侧面每间隔1米进行打孔处理，然后将铜质电极安装到第一PVC管1或第二PVC管2的孔洞中，同时每个电极与铜芯电缆3连接，铜芯电缆3通过第一PVC管1或第二PVC管2的内孔外伸到地表后与极化率测量仪器4连接(WDJD-4多功能数字直流激电仪)；

S2，如图4所示，放置探测装置：将探测装置的第一PVC管1和第二PVC管2分别放入探测区域两侧的钻孔中，使第一PVC管1和二号PVC2上的两排电极相向，并与探测区域处于同一平面内，同时使所有电极均与土体有良好的接触状态；

S3，读取数据：将第一PVC管1上的电极从上到下标记为1号电极～5号电极，将第二PVC管3上的电极从下到上标记为6号电极～10号电极，然后以1号电极和10号电极作为供电电极，以2号电极和9号电极作为测量电极；此时，保持1号电极和2号电极位置不变，10号电极和9号电极逐次等步长向下移动，并读取数据，直至最后一个点极；同样，1号电极和2号电极等步长向下移动一个电极间隔位置，10号电极和9号电极重复前述动作并读取数据，重复以上动作直至2号电极到达最后一个电极；

S4，根据极化率测量仪器采集的数据计算极化率；

计算极化率时，目标模型的电阻率为已知，假设目标模型被离散为M个有限元，其中每个单元的电阻率和极化率分别为σ和η；因为极化率的数值为η_i＜＜1.0，因此可对Φ_r进行一阶泰勒展开：

将上式代入

中，可得到视极化率的表达式

上式可简化为：

因此，第i个是极化率可表示为：

其中，N为实测视极化率的个数，

η_a＝Jη

所以

η＝J^-1η_a

求解基于极化率的目标函数时，因为η^-1一般为病态矩阵，因此需要引入正则化项

obj＝||Jη-η_A||²+λ||η-η₀||²；

S5：反演：采用最小二乘法求解基于极化率的目标函数，从而得到识别区域的极化率；

S6，绘制反演图；采用surfer软件绘制极化率反演图，如图5所示；

S7,溶洞识别：极化率相对较高的区域则可识别为溶洞存在的区域。

Claims (3)

1.一种跨孔激发极化探测溶洞的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1，制作探测装置：所述的探测装置是由第一PVC管和第二PVC管组成，在第一PVC管或第二PVC管接触探测区域段的侧面每间隔1米进行打孔处理，然后将铜质电极安装到第一PVC管或第二PVC管的孔洞中，同时每个电极与铜芯电缆连接，铜芯电缆通过第一PVC管或第二PVC管的内孔外伸到地表后与极化率测量仪器连接；

S2，放置探测装置：将探测装置的第一PVC管和第二PVC管分别放入探测区域两侧的钻孔中，使第一PVC管和二号PVC上的两排电极相向放置，并与探测区域处于同一平面内，同时使所有电极均与土体有良好的接触状态；

S3，读取数据：将第一PVC管上的电极从上到下标记为1号电极～N号电极，将第二PVC管上的电极从下到上标记为N+1号电极～2N号电极，然后以1号电极和2N号电极作为供电电极，以2号电极和2N-1号电极作为测量电极；此时，保持1号电极和2号电极位置不变，2N号电极和2N-1号电极逐次等步长向下移动，并读取数据，直至最后一个点极；同样，1号电极和2号电极等步长向下移动一个电极间隔位置，2N号电极和2N-1号电极重复前述动作并读取数据，重复以上动作直至2号电极到达最后一个电极；

S4，根据极化率测量仪器采集的数据计算极化率；

S5，反演：采用最小二乘法求解基于极化率的目标函数，从而得到识别区域的极化率；

S6,绘制反演图；采用surfer软件绘制极化率反演图；

S7,溶洞识别：极化率相对较高的区域则可识别为溶洞存在的区域。

2.根据权利要求1所述的跨孔激发极化探测溶洞的方法，其特征在于：计算极化率时，目标模型的电阻率为已知，假设目标模型被离散为M个有限元，其中每个单元的电阻率和极化率分别为σ和η；因为极化率的数值为η_i＜＜1.0，因此可对Φ_r进行一阶泰勒展开：

将上式代入

中，可得到视极化率的表达式

上式可简化为：

因此，第i个是极化率可表示为：

其中，N为实测视极化率的个数，

η_a＝Jη

所以

η＝J-1η_a。

3.根据权利要求1所述的跨孔激发极化探测溶洞的方法，其特征在于：求解基于极化率的目标函数时，因为η^-1一般为病态矩阵，因此需要引入正则化项，那么该方法的目标函数为：

obj＝||Jη-η_A||²+λ||η-η₀||²。

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