CN111257947A - 一种跨孔电阻率溶洞探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种跨孔电阻率溶洞探测方法，该方法在拟探测区域进行钻孔，在钻孔内放入布置好电极的电极装置，并使之达到钻孔底部，然后将电极装置的电极线与电阻率测试仪进行连接；通过电阻率测量仪采用跑级方式记录所测得的电阻率数据，然后利用稀疏更新法快速识别区域内的视电阻率分布，根据快速识别的视电阻率分布图像寻找电阻率异常处，即视电阻率较小或电阻率骤降处，从而初步判断地下溶洞的大概位置。本发明利用稀疏正则化对病态和非适定性的方程组进行求解，能够达到消除方程病态和非适定性的效果；同时，利用钻孔所达深度将电极布置在电极装置上，然后放入钻孔中，则钻孔所达深度即为观测深度，使探测深度有效提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种跨孔电阻率溶洞探测方法，属于地下溶洞探测技术领域。
背景技术
我国是世界上岩溶发育最广泛的国家之一，不易被探测的地下溶洞对工程的正常进行存在不利影响，如对桩基稳定性的影响，对基坑支护结构的影响。目前在溶洞探测领域最为常用的方法是多极高密度电法地表探测，该法通过综合分析土体岩体等电性差异，以此来探明区域内地下溶洞的分布及大小，利用此方法对场地进行探测，取得了显著的勘察效果。但是采用常规的高密度电法探测地下溶洞需要布置大量的电极，且探测的深度较浅。
现在的溶洞探测普遍采用高密度电阻率法，通过地表的高密度电极向地下供电，从而形成人工电场以测出地层的电阻率，以地层的导电性差异来分析地层结构的方法。高密度电阻率法实际上是由常规的电阻率法改进而成的阵列勘探方法，在实际应用中，常常需要将数根电极按照一定的距离排列在待测区域上。在工程中，为了获得较高的分辨率和较为清晰的成像，通常会采用四极装置，主要是采用温纳 (Wenner)和施伦贝尔(Schlumberger)装置，将采集得的电流电势信号进行处理得到视电阻率，然后通过计算机对视电阻率的反复迭代计算，得到一个与实际较为相符的电阻率图像，一般低阻区为地下溶洞，然而上述方法存在以下不足：
1、由于需要获得一条较为完整的二维视图剖面，因此需要数量非常多的电极布置在地表；
2、采用地表布极方式时能探测的深度不足；
3、反演过程中出现的方程非适定性和病态性；
4、现场测定用时长效率低，步骤繁复。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种经济、高效的跨孔电阻率溶洞探测方法，该方法结合探测现场使用稀疏更新法快速探测和后期使用稀疏迭代法精确反演，使得进行溶洞探测时能够减少现场探测的用时，提高探测效率并准确地给出电阻率信息和成像，从而判断地层信息。
本发明的技术方案：一种跨孔电阻率溶洞探测方法，包括以下步骤：
S1，在拟探测区域进行钻孔，在钻孔内放入布置好电极的电极装置，并使之达到钻孔底部，然后将电极装置的电极线与电阻率测试仪进行连接；
S2，通过电阻率测量仪采用跑级方式记录所测得的电阻率数据，然后利用稀疏更新法快速识别区域内的视电阻率分布，根据快速识别的视电阻率分布图像寻找电阻率异常处，即视电阻率较小或电阻率骤降处，从而初步判断地下溶洞的大概位置；
S3，测定完一个位置后，由下至上移动在钻孔中的电极装置；若电极装置的电极点之间的距离为a，则每次提升na的高度，其中n 为电极数，完成正常探测；若在探测过程中探测到某区域有地下空洞的迹象，则可以缩短电极装置的提升高度，为电极间距的一半，即a/2，以达到加密探测的目的；
S4，正常探测或加密探测完成后，进入下一个的深度位置进行探测，重复步骤S2和S3，直至探测该钻孔到达既定深度；
S5，探测完毕后，保存探测的电阻率数据并发送至实验室进行稀疏迭代法反演，以精确的成像反映地层信息，其中稀疏迭代法反演中包含有灵敏度分析和稀疏正则化。
上述方法中，利用稀疏更新法快速识别区域内的视电阻率分布时，根据测量数据直接估计地下区域内平均视电阻率，并以此作为初值，识别区域内的视电阻率分布；假设区域内视电阻率均匀分布，即 c＝c01，1表示向量的所有位置，取值均为1，此时，如果
则有：
上述方法中，进行灵敏度分析时，利用有限元方法进行正问题求解，首先对
求关于cj的偏导可得
针对s组电极方案fi，及其在视电阻率c下的电势解uj，对此进行灵敏度分析，可得灵敏度矩阵：
其中，K为刚度矩阵，cj为各单元视电阻率，Kj为单位电阻率时的单元刚度矩阵。
上述方法中，对电阻率数据进行稀疏迭代法反演时，根据已有的初值c0和灵敏度矩阵S(c)进行参数识别，溶洞的存在相对于探测区域来说体积通常较小，在空间分布上具有一定的稀疏性或更新量c-c0是稀疏的，因此可以使用稀疏正则化进行处理稀疏迭代法的求解问题为：
给定c0，按k＝1、2、……求解直至收敛；其中，
表示向量为1的范数，λ>0是正则化稀疏，可采用L-curve准则确定。由于采用了上述技术方案，本发明的优点在于：
1、利用稀疏正则化对病态和非适定性的方程组进行求解，能够达到消除方程病态和非适定性的效果；
2、利用钻孔所达深度将电极布置在电极装置上，然后放入钻孔中，则钻孔所达深度即为观测深度，使探测深度有效提升；
3、与常规的地表电阻率探测法相比，现时常用的地表探测法往往需要大量的电极以及较大的时间成本，而本发明采用现场快速探测收集，随后实验室对数据进行精确计算，提高了探测精度；
4、通过现场的孔内电极装置和电阻率测试仪快速探测和收集电阻率数据，并用时效性较好的稀疏更新法进行初步的演算，从而得到精确的成像来指导现场人员进行探测。
附图说明
图1为本发明的实施流程图；
图2为本发明的实施时的结构示意图；
图3为本发明中电极装置的布置示意图；
图4为本发明中极点布置示意图；
图5为本发明中正常探测时电极装置的提升示意图；
图6为本发明中加密探测时电极装置的提升示意图；
图7为本发明中探测成像图。
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：现有一个岩溶地区内的一处正在钻探的项目，该区域地层的钻孔取芯结果如下：
A-杂填土，平均层厚2.2m；
B-淤泥，平均层厚3.4m；
C-中砂，平均层厚8.3m；
D-强风化灰岩，平均层厚7m，
E-中风化灰岩，微风化灰岩。
对取芯结果分析，土层大约在深度为15m处有空洞，需进一步进行探测。参见图1～3，本实施案例采用跨孔电阻率溶洞探测方法，包括以下步骤：
S1，在拟探测区域进行钻孔，在钻孔内放入布置好电极5的电极装置2，并使之达到钻孔底部，然后将电极装置2的电极线3与电阻率测试仪1进行连接；电阻率测试仪1采用美国R8电阻率测试仪；所述的电极装置2是由PVC管4以及固定在PVC管4上的电极5组成。
S2，通过电阻率测量仪1采用跑级方式记录所测得的电阻率数据，然后利用稀疏更新法快速识别区域内的视电阻率分布，根据快速识别的视电阻率分布图像寻找电阻率异常处，即视电阻率较小或电阻率骤降处，从而初步判断地下溶洞的大概位置；参见图4，在现场测量时例如C1-C5连接在电流极上，则以测量P1-P6、P1-P7、P1-P8……之间的电势的方式进行跑极；
S3，参见图5及图6，测定完一个位置后，由下至上移动在钻孔中的电极装置2；若电极装置2的电极5之间的距离为a＝1m，则每次提升na＝8m的高度，其中n＝8，为电极数，完成正常探测；若在探测过程中探测到某区域有地下空洞的迹象，则可以缩短电极装置2的提升高度，为电极5之间间距的一半，即a/2＝0.5m，以达到加密探测的目的；
S4，正常探测或加密探测完成后，进入下一个的深度位置进行探测，重复步骤S2和S3，直至探测该钻孔到达既定深度；
S5，探测完毕后，保存探测的电阻率数据并发送至实验室进行稀疏迭代法反演，以精确的成像反映地层信息，其中稀疏迭代法反演中包含有灵敏度分析和稀疏正则化，如图7所示。
上述方法中，利用稀疏更新法快速识别区域内的视电阻率分布时，根据测量数据直接估计地下区域内平均视电阻率，并以此作为初值，识别区域内的视电阻率分布；假设区域内视电阻率均匀分布，即 c＝c01，1表示向量的所有位置，取值均为1，此时，如果
则有：
上述方法中，进行灵敏度分析时，利用有限元方法进行正问题求解，对
求关于cj的偏导可得
针对s组电极方案fi，及其在视电阻率c下的电势解uj，对此进行灵敏度分析，可得灵敏度矩阵：
其中：K为刚度矩阵，cj为各单元视电阻率，Kj为单位电阻率时的单元刚度矩阵
上述方法中，对电阻率数据进行稀疏迭代法反演时，根据已有的初值c0和灵敏度矩阵进行参数识别，溶洞的存在相对于探测区域来说体积通常较小，在空间分布上具有一定的稀疏性或更新量c-c0是稀疏的，因此可以使用稀疏正则化进行处理稀疏迭代法的求解问题为：
给定c0，按k＝1、2、……求解直至收敛；其中，
表示向量为1的范数，λ>0是正则化稀疏，可采用L-curve准则确定。
综上所述，本发明针对跨孔电阻率探测溶洞开发出稀疏更新法及稀疏迭代法对溶洞的位置进行反演识别，极大提高了探测效率及反演精度和准确性。同时，创新地结合两种方法各自的优势：
1、稀疏更新法的优势在于能够快速演算，节省计算时间，提高探测效率，避免现场测量用时长效率低。
2、稀疏迭代法的优势在于反演精度高，成像准确，故利用该优势能够进一步确认现场快速识别的成果，并且为探测地下空洞的准确性提高保障。
Claims (4)
1.一种跨孔电阻率溶洞探测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1，在拟探测区域进行钻孔，在钻孔内放入布置好电极的电极装置，并使之达到钻孔底部，然后将电极装置的电极线与电阻率测试仪进行连接；
S2，通过电阻率测量仪采用跑级方式记录所测得的电阻率数据，然后利用稀疏更新法快速识别区域内的视电阻率分布，根据快速识别的视电阻率分布图像寻找电阻率异常处，即视电阻率较小或电阻率骤降处，从而初步判断地下溶洞的大概位置；
S3，测定完一个位置后，由下至上移动在钻孔中的电极装置；若电极装置的电极点之间的距离为a，则每次提升na的高度，其中n为电极数，完成正常探测；若在探测过程中探测到某区域有地下空洞的迹象，则可以缩短电极装置的提升高度，为电极间距的一半，即a/2，以达到加密探测的目的；
S4，正常探测或加密探测完成后，进入下一个的深度位置进行探测，重复步骤S2和S3，直至探测该钻孔到达既定深度；
S5，探测完毕后，保存探测的电阻率数据并发送至实验室进行稀疏迭代法反演，以精确的成像反映地层信息，其中稀疏迭代法反演中包含有灵敏度分析和稀疏正则化。
2.根据权利要求1所述的跨孔电阻率溶洞探测方法，其特征在于：利用稀疏更新法快速识别区域内的视电阻率分布时，根据测量数据直接估计地下区域内平均视电阻率，并以此作为初值，识别区域内的视电阻率分布；假设区域内视电阻率均匀分布，即c＝c01，1表示向量的所有位置，取值均为1，此时，如果
则有：
3.根据权利要求1所述的跨孔电阻率溶洞探测方法，其特征在于：进行灵敏度分析时，利用有限元方法进行正问题求解，首先对
求关于cj的偏导可得
针对s组电极方案fi，及其在视电阻率c下的电势解uj，对此进行灵敏度分析，可得灵敏度矩阵：
其中，K为刚度矩阵，cj为各单元视电阻率，Kj为单位电阻率时的单元刚度矩阵。
4.根据权利要求1所述的跨孔电阻率溶洞探测方法，其特征在于：对电阻率数据进行稀疏迭代法反演时，根据已有的初值c0和灵敏度矩阵S(c)进行参数识别，溶洞的存在相对于探测区域来说体积通常较小，在空间分布上具有一定的稀疏性或更新量c-c0是稀疏的，因此可以使用稀疏正则化进行处理稀疏迭代法的求解问题为：
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 510030 room 904, 6th floor, traffic bureau building, 95 Yingbin Avenue, Xinhua Street, Huadu District, Guangzhou City, Guangdong Province Applicant after: China Construction Fourth Engineering Bureau First Construction Co.,Ltd. Applicant after: CHINA CONSTRUCTION FOURTH ENGINEERING DIVISION CORP.,LTD. Address before: 510030 room 904, 6 / F, Transportation Bureau building, 95 Yingbin Avenue, Xinhua Street, Guangzhou, Guangdong Applicant before: China Construction Fourth Engineering Bureau First Construction Engineering Co.,Ltd. Applicant before: CHINA CONSTRUCTION FOURTH ENGINEERING DIVISION CORP.,LTD. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |