CN206960673U - 一种探查河道溶洞的多维探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于水利工程地质灾害评价领域，尤其是一种探查河道溶洞的多维探测装置。一种用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，包括测试系统和测试仪器，测试系统包括两条平行布置在两河堤上的多芯电缆线，和与单条多芯电缆线相对应的无穷远B电极以及电位参比N电极；每条多芯电缆线上包括64道电极，每个电极通道可通过铜棒与大地相连；测试仪器为并行电法仪，本实用新型采用并行电法探测技术大大提高了常规电阻率法的工作效率，成果以二维视电阻率图像和三维反演成像相结合的解译技术，有效提高了溶洞勘察的精度，弥补当前技术的不足。

Description

一种探查河道溶洞的多维探测装置

技术领域

本发明属于水利工程地质灾害评价领域，尤其是一种探查河道溶洞的测量布置系统以及实施方法，具体是利用并行电法诊断出隐伏在河道内岩溶体的多维探测方法。

背景技术

我国的岩溶发育分布较为广泛，造就奇特自然景象的同时，也给工程的安全实施带来系列地质灾害的发生，尤其遇到地下水位升降和人类抽排地下水共同导致隐伏岩溶区在地面塌陷的现象。因此，在岩溶地区河道工程治理中有必要明确不良岩溶体的分布特征，降低岩溶塌陷和地表水漏失引发工程灾害的风险。目前，河道勘察手段主要以钻探为主，而分散的钻孔取样资料往往只是“一孔之见”，尤其遇到地质条件比较复杂，岩土层变化频繁，仅凭有限钻孔难以全面有效地查明地质异常区的分布、延展、规模及形态情况，况且钻孔布置也存在主观盲目性，检测效率低下、代价成本高等缺点，况且河道勘察不仅关注于两岸堤地层分布，同时也要查明溶洞在河床区的发育特征，而钻孔在河床内布置存在较多困难。

隐伏性岩溶隐患具有地质体空间的随机隐蔽性、分布规律性差及时空的不确定性等特点，开展超前预报、预测是治理岩溶的难点和关键。基于河道属于特殊的线性工程，岩溶勘察工作既要注重对两岸堤隐伏的地质灾害现象准确把握，同时还要达到兼顾明确河床段是否存在孤立隐伏工程隐患的目的，也要对两河岸堤已查明溶洞体之间的关联性有一定的认识。地球物理探测技术是利用溶洞与周围岩土体之间的物理性质差异为研究对象，利用专门接地或不接地的仪器设备测试信号在大地流动过程中的时空改变特点，进而间接判断出隐伏溶洞的分布，凸显出经济、高效、可视化的优势。一般地，现场检测系统只能布设在河道两岸堤，通过两岸堤的测试成果进一步推断河床的地质情况。目前，工程勘察主要采用二维成像技术反映出观测系统下方地质体的分布规律，而溶洞在空间上表现为三维几何地质体，利用简单的二维图像合成或拼接成三维图像难以有效刻画出真实溶洞的立体特征。尤其针对河道内隐伏溶洞探查中存在技术不足，亟需设计一种可以探测河道段隐伏不良地质体有效查明的方法。三维高密度电法在工程探查应用中取得长足进展，通过层析成像技术可以获取电阻率立体图像，但高密度电法仍然采用串行采集模式，采集效率高，数据量较小，不利于河道长路线探测，并且针对河道岩溶区勘察方面应用较少，主要受限于河道场地的约束，河床水域难以布设常规的观测系统；现场采集效率低下，未能发挥出快速测量的优势；并且三维电阻率法需要采集到的数据量巨大，对海量数据未形成合理的解译方法。

发明内容

本发明针对现有技术在岩溶区河道勘察中存在的诸多问题，尤其针对河床内隐伏溶洞探查技术的缺陷，提供一种河道岩溶的多维探测装置及方法。本发明装置的目的是提出一种用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，该装置采用并行电法系统为测试技术手段，利用在河道两岸堤的场地上布设电极对，利用供电电极对向大地供电，利用测量电极对测量电位差，进而探测中河道两岸堤及河床的电阻率分布特征，具有施工方便快捷、简单的优势，达到对河道溶洞立体化探测的目的。本发明提供一种河道岩溶体的具体探测方法，利用并行电法仪测试河道内岩土体的地电数据体，利用层析成像技术获取岩土体的电性分布图，结合河道有关地质揭露资料，最终利用二维视电阻率图像推断出河道两岸堤下方岩土体的分布规律，利用三维反演电阻率层析成像成果推断出河床内岩溶体的分布、埋深、规模以及连通特性，成果可靠，有效地为探测范围地质灾害的评价提高技术支撑。

一种用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，包括测试系统和测试仪器，

测试系统包括两条平行布置在两河堤上的多芯电缆线，和与单条多芯电缆线相对应的无穷远B电极以及电位参比N电极；每条多芯电缆线上包括64道电极，每个电极通道可通过铜棒与大地相连；

测试仪器为并行电法仪，包括测试上位机模块、采集模块、电源模块以及连接各模块之间的传输模块，上位机用于采集参数设置，通过传输模块对采集模块进行数据采集与回收控制，电源模块用于采集模块工作过程中的供电，电源模块与采集模块之间利用电源线连接；采集参数包括采集模式，供电时间，采样间隔，起点电极号，终点电极号，供电方式；

并行电法仪置于到两堤多芯电缆线起始端的附近，每一岸的多芯电缆线通过航空插头与电法仪相连接，无穷远B电极、电位参比N极分别通过BN线与并行电法仪连接；并行电法仪通过采集多芯电缆线上的任意电极通道与无穷远B电极形成稳定电场的电位数据，把采集的电位数据与电位参比N极的电势相减，即为电位差ΔU，电位差ΔU与供电电流I可利用电阻率公式即可求取河道区岩土体的视电阻率值，其中K为装置系数；

并行电法采用拟地震化的数据采集手段，选取电缆线上的一个电极与无穷远B电极构成电流回路，形成测量的发射系统，电缆线上的其余电极作为测量的接受系统，接受到发射系统形成电场穿过岩土体的电位数据体，并把采集到的电位与参比N电极电位做差值，即为回收到并行电法仪上位机的地电数据体；

其中，

当测试二维数据时，把无穷远B电极垂直置于电缆线所在位置以外的300～500m区域，电位参比N电极布设在并行电法仪附近的大地上；电位参照N电极、无穷远B电极利用保护绝缘导线与BN线连接，BN线连接并行电法仪采集模块；

当测试三维数据时，把无穷远B电极布设在河堤对岸多芯电缆线的起始位置、中部位置和终止位置中至少一处，电位参比N电极布设在并行电法仪附近的大地上。

优选的，所述多芯电缆线起端带有4个航空插头，每个航空插头内带有16个金属探针，每个金属探针对应一个电极通道，各电极通道之间有序排列；所述多芯电缆线呈一字排开，多芯电缆线布设在河堤处，多芯电缆线距河岸边线的长度一般为3～10m。

优选的，所述多芯电缆线电极通道间距0.5～2m，铜棒长度为0.30～0.40m，插入大地段为0.01～0.20m，为保证铜棒与大地之间的耦合，需在铜棒周围浇盐水。

优选的，所述铜棒插入到大地的小孔是由充电式电锤凿钻，充电式电锤配备标准化电池。

优选的，所述无穷远B电极也为上述尺寸铜棒，为保证铜棒与大地之间的耦合，需在铜棒周围浇盐水。

优选的，所述铜棒插入到大地的小孔是由充电式电锤凿钻，充电式电锤配备标准化电池。

优选的，无穷远B电极可简化布设在河堤对岸多芯电缆线的起始位置、中部位置、终止位置三处，也可简化为布设在河堤对岸多芯电缆线的中部位置。

所述多芯电缆线为防水铠装多芯电缆线。

优选的，所述拟地震化数据采集手段为单电极供电，其余电极同步采集的方法。

具体的，多维布设装置探查河道溶洞的方法，包括如下步骤：

1.测试装置的布设

根据河道的场地情况，结合要探查溶洞的大致分布情况，在河道一岸堤布置多芯电缆线，记为此河堤的第一测站，测站多芯电缆线上电极通道数及道间距可自由改变，电缆线上的每个电极通道通过铜棒与大地相通，并且在铜棒周围浇盐水，以增强铜棒与大地的耦合性；

测试二维数据时需把无穷远B极垂直置于电缆线所在位置以外的300～500m区域处，测试三维数据时需把无穷远B电极布设在河堤对岸多芯电缆线的中部位置；电位参比N电极布设在并行电法仪附近的大地上。

2.地电数据采集过程

二维数据测试时，BN线通过绝缘导线连接300～500m以外的无穷远电极B电极，并行电法仪采集模块与无穷远B电极和参比N电极之间通过BN线连接，上位机模块与采集模块利用通讯模块连接、采集模块与电源模块之间利用电源线连接，利用航空插头把多芯电缆线与并行电法仪采集模块连接一起，利用BN线连接无穷远B电极和电位参照N电极，采用并行电法仪的AM法采集模式，供电时间0.5s，采用间隔0.05s，供电方式为单正法；上位机模块通过数据传输模块向采集模块发出命令，采集模块向大地供电和测试电位数据，数据采集结束后，上位机模块向采集模块发出命令，利用数据通讯线把采集模块中的电位差数据回收到上位机，以便处理；待第一测站结束后，电极电缆线沿同一个方向移动64个电极，继续上述采集工作，直到将此河堤线路全部测完；待整个河堤测量完毕，把电极电缆线移动到对岸，继续开始上述工作；整个河道测量结束后，可获取反应两河岸下方的二维地电数据体。

三维数据测试时，区别于二维数据测试的关键在于无穷远B电极至于河堤对岸多芯电缆线的起始位置、中部位置、终止位置三处的至少一处，其余采集参数设置及采集步骤一致。

其中，将得到的二维数据和三维数据进行电成像成果表达为二维视电阻率成像图和三维反演电阻率层析成像图。

二维数据的视电阻率成像是在并行电法配套软件平台上进行，处理流程包括把并行电法采集到一堤岸的探测电流I和电位差ΔU的数据体经数据解编、电极坐标赋值、畸变值删除、视电阻率计算以及数据拼接等步骤，得到河道两堤岸的视电阻率曲线图；把视电阻率曲线加入色标文件，色标有浅及深显示出电阻率由小到大的变化，结合地质资料，推断出岩溶在两河堤岸下方的发育特征；电极坐标为二维坐标，选择以多芯电缆线的起点，水平方向表示每电极道相对于起点的水平长度，竖直方向记为0；视电阻率值可由电位差ΔU与供电电流I 计算得出：即利用电阻率公式其中K为装置系数；数据拼接是把河岸全部测站的数据体按照坐标依次连接起来，形成河堤岸的长断面视电阻率图像；同样，河道另一岸也同样按照上述流程处理；结合河道钻孔揭露的地质资料，推断出两河堤岸下方的地层分布及可能存在的岩溶异常现象；

三维数据的反演层析成像分为原始数据的初步处理和反演成像两个步骤，初步处理主要是对采集的三维数据体进行整合，转化成反演成像识别的数据体，包括数据解编、畸变值删除、数据修正以及相应坐标的归一化处理；坐标的归一化处理是把并行电法在两堤岸全部采集的三维数据体拼接成一体，电极坐标为三维坐标，选取其中任意河堤岸一条多芯电缆线的起点，其余各电极道沿电缆线方向的长度为走向坐标，河堤岸两电缆线的间距为垂向坐标，竖直方向记为0，无穷远B电极根据布置位置分别赋予坐标信息；选择合理的初始模型，把经初步处理的数据代入反演处理系统，构建立体化反演模型，利用有限单元法对模型空间进行合理的网格剖分，采用基于圆滑模型的最小二乘法进行数据反演处理，最终得到反映河道三维空间的电阻率图像，结合河道钻孔揭露的地质资料，推断出两河道存在的岩溶异常现象；三维空间的电阻率图像包括三维电阻率立体图和三维电阻率水平切片图。

为了达到上述目的，用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，包括布设装置的三维、二维测试系统及测试设备。测试系统是由两条平行分别布置在河岸上的防水铠装多芯电缆线组成，每条多芯电缆线上包括64道电极，每个电极通道可通过铜棒与大地相连；测试系统还包括与单条多芯电缆线相对应的无穷远B电极以及电位参照N电极。

测试仪器为并行电法仪，包括测试上位机模块、采集模块、电源模块以及连接各模块之间的传输模块，上位机用于采集参数设置，通过传输模块对采集模块进行数据采集与回收控制，电源模块用于采集模块工作过程中的供电，电源模块与采集模块之间利用电源线连接；采集参数包括采集模式，供电时间，采样间隔，起点电极号，终点电极号，供电方式等。

所述多芯电缆线起端带有4个航空插头，每个航空插头内带有16个金属探针，每个金属探针对应一个电极通道，各电极通道之间有序排列；所述多芯电缆线呈一字排开，多芯电缆线应布设在河岸平坦处，多芯电缆线距河边的距离可根据探测目的自由调整，一般3～10m。

所述多芯电缆线电极通道间距0.5～2m，铜棒长度为0.30～0.40m插入大地0.01～0.20m，为保证铜棒与大地之间的耦合，需在铜棒周围浇盐水。

所述铜棒插入到大地的小孔是由充电式电锤凿钻，充电式电锤配备标准化电池，可在偏僻地区作业；

所述二维测试系统需把无穷远B电极垂直至于电缆线布置处300～500m以外区域，B电极也为上述铜棒，为保证铜棒与大地之间的耦合，需在铜棒周围浇盐水，电位参照N电极布设在多芯电缆线的中部位置，与B电极一致。电位参照N电极、无穷远B电极利用保护绝缘导线与BN线连接，BN线连接并行电法仪采集模块。

所述三维测试系统需把无穷远B电极布设在河对岸多芯电缆线的起始位置、中部位置、终止位置三处，电位参照N电极布设在多芯电缆线所在河岸的中部位置。

本发明采用的仪器为并行电法仪，测试过程中，并行电法仪尽量置于到两岸多芯电缆线起端的最近位置处，每一岸的多芯电缆线通过航空插头与电法仪相连接，无穷远B电极、电位参照N极分别通过BN线与电法仪连接。并行电法仪通过采集多芯电缆线上的任意电极道与无穷远B电极形成稳定电场的电位数据，把采集的电位数据与电位参照N极的电势相减，即为电位差ΔU，电位差ΔU与供电电流I可利用电阻率公式即可求取河道区岩土体的电阻率值，其中K为装置系数。

并行电法采用拟地震化的数据采集手段，选取电缆线上的一个电极与无穷远电极勾成电流回路，形成测量的发射系统，电缆线上的其余电极作为接受系统，接受到发射系统形成电场穿过岩土体的电位数据体，并把采集到的电位与参照N电极电位做差值，即为回收到上位机的地电数据体。

本发明提供一种探查河道溶洞的多维探测具体方法，本发明提及的并行电法多维观测系统分为二维观测装置和三维观测装置的探测方法。具体现场数据采集步骤如下：

3.测试装置的布设

根据河岸的场地情况，结合要探查溶洞的大致分布情况，在河道一岸布置多芯电缆线，记为此河岸的第一测站，测站多芯电缆线上电极道数及道间距可自由改变，电缆线上的每个电极道通过铜棒与大地相通，并且在铜棒周围浇盐水，以增强铜棒与大地的耦合性。二维探测装置中需把无穷远B极至于垂直电缆线距离300～500m以外，三维探测装置中需把无穷远 B电极至于河堤对岸多芯电缆线的起始位置、中部位置、终止位置三处的至少一处，优选为中间位置。电位参照电极布置在电缆线的中部位置附近。

4.地电数据采集过程

二维观测装置数据测试时，BN线通过绝缘导线连接300～500m以外的无穷远电极B，并行电法仪采集模块与无穷远B电极和参照N电极之间通过BN线连接，上位机模块与采集模块利用通讯模块连接、采集模块与电源模块之间利用电源线连接，利用航空插头把多芯电缆线与并行电法仪采集模块连接一起，利用BN线连接无穷远B电极和电位参照N电极，采用并行电法仪的AM法采集模式，供电时间0.5s，采用间隔0.05s，供电方式为单正法。上位机模块通过数据传输模块向采集模块发出命令，采集模块向大地供电和测试电位数据，数据采集结束后，上位机模块向采集模块发出命令，利用数据通讯线把采集模块中的电位差数据回收到上位机，以便处理。待此测站结束后，电极电缆线沿同一个方向移动64个电极，继续上述采集工作，直到此河岸线路全部测完。待整个河岸测量完毕，把电极电缆线移动到对岸，继续开始上述工作。整个河道测量结束后，可获取反映两河岸下方的二维地电数据体。

三维观测装置数据测试时，区别于二维数据测试的关键在于无穷远B电极至于河堤对岸多芯电缆线的起始位置、中部位置、终止位置三处，其余采集参数设置及采集步骤一致。

5.电成像成果表达

本发明提及的并行电法多维观测系统电成像成果表达分为二维视电阻率成像图和三维反演电阻率层析成像图。

二维观测装置视电阻率成图在并行电法配套软件平台上进行，处理流程包括把并行电法采集到一岸的探测电流I和电位差ΔU的数据体经数据解编、电极坐标、畸变值删除、视电阻率计算以及数据拼接等步骤，得到河道两岸的视电阻率曲线图。把视电阻率曲线加入色标文件，色标有浅及深显示出电阻率由小到大的变化，结合地质资料，推断出岩溶在两河岸下方的发育特征。电极坐标为二维坐标，选择以多芯电缆线的起点，水平方向表示每电极道相对于起点的水平长度，竖直方向记为0。视电阻率值可由电位差ΔU与供电电流I计算得出：即利用电阻率公式其中K为装置系数。数据拼接是把河岸全部测站的数据体按照坐标依次连接起来，形成河岸的长断面视电阻率图像。同样，河道另一岸也同样按照上述流程处理。结合河道钻孔揭露的地质资料，推断出两河岸的地层分布及可能存在的岩溶异常现象。

三维观测装置的层析成像反演成图分为原始数据的前期处理和后期反演分析两个步骤，前期处理主要是对采集的三维体数据进行整合成后期反演识别的数据体，包括数据解编、畸变值删除、数据修正以及相应坐标的归一化处理。坐标的归一化处理是把把并行电法在两岸分别采集的三维数据体拼接成一体，电极坐标为三维坐标，选取其中一条多芯电缆线的起点，其余各电极道沿电缆线方向的长度为走向坐标，河岸两电缆线的间距为垂向坐标，竖直方向记为0。无穷远B电极根据布置位置分别赋予坐标信息；选择合理初始模型，把经前期处理的数据代入反演处理系统，构建立体化反演模型，利用有限单元法对模型空间进行合理的网格剖分，采用基于圆滑模型的最小二乘法进行数据反演处理，最终得到反映河道三维空间的电阻率图像，结合河道钻孔揭露的地质资料，推断出两河岸的地层分布及可能存在的岩溶异常现象。三维空间的电阻率图像包括三维电阻率立体图和三维电阻率水平切片图。

最后，综合评价河道两岸的二维成果和三维结果，对河道的综合治理提供技术支撑。

本发明的优点：

本发明是针对当前河道溶洞探查方面技术还存在不到位的地方，提出一种探查河道溶洞的多维探测装置及方法，采用并行电法探测技术大大提高了常规电阻率法的工作效率，成果以二维视电阻率图像和三维反演成像相结合的解译技术，有效提高了溶洞勘察的精度，弥补当前技术的不足。

1.并行电法采用拟地震化的采集模式，海量的数据体为河道区岩土体的高效精准解译提供数据基础，现场采集效率高，为长线路河道探查提高切实可行的技术手段；

2.本发明的测试布置简单，测试成果可靠，二维、三维测量只需更改无穷远B电极的位置即可，为有效的开展覆盖性岩溶区河道多维电法勘察提供了新的技术手段；

3.采用AM法数据采集模型，一次测量结束，即可获得二极装置、三极装置的视电阻率数据，利用视电阻率二维图像可直接反映出两河岸堤底部的电性特征，直观的反映岩土体的分布规律；

4.本发明的三维反演成果是对河道两岸堤及河床的立体化探测，不需要布设大量的纵横向测线，即可获得真实反映出溶洞在立体空间的规模、埋深、走向以及连通性，为河道治理提供依据。

5.本发明无需河堤上连续测站之间电缆电极的重叠布置，通过改变无穷远B电极在河堤对岸的布设位置，即可对河道无盲区的扫描测试，多次覆盖式测试，便于精细化应用。

本专利主要针对河道岩溶勘察的探测技术，采用方便的观测系统，只需要在河堤岸布置电极即可获得河床内的地质情况，克服常规是三维探测采用纵横交错的布置方式，简单可行，费用低，适合长线路的普查。当前常规观测系统需要纵横交错布置，探测前还需要钻孔，针对河床有水的情况下基本不可以布置。

附图说明

图1河道一岸堤三维观测系统布置图。

图2三维数据观测系统布置图。

图3工程测线布置示意图。

图4左右岸河堤的视电阻率成像图。

图5河道三维电阻率立体图。

图6反演误差与迭代次数的关系。

图7三维电阻率水平切片图。

图8钻孔FZS01、FZS02岩芯柱状图。

具体实施方式

1并行电法测试原理及成像技术

1.1并行电法技术

高密度电法是根据岩土体介质之间的电阻率值差异为地球物理前提，利用专门仪器依次只记录相应的电流极与电压道之间相互组合形成的地电数据体，而线路上其余电极处于闲置状态，成果以电阻率色谱图的形式展现出岩溶体的分布信息。并行电法吸收了地震勘探中数据采集的思想，改进了传统高密度电法拘泥于分装置串行采集的弊端，实现了并行、高效、大数据瞬时获取的新理念，发挥出面向对象的全电场数据同步采集的优势。并行电法有AM 法和ABM法两种供电方式，采集过程中，按照一定协议发布供电命令，让任意电极处于供电状态，则其余测量电极同时处于电压采样状态，根据需要可任意提取高密度电法的所有排列形式以及海量的自然场、一次场、二次场的全场地电信息。

AM法采用单个点电源供电，测线上所有电极(除A供电电极之外)都处在点电源形成的人工电场中，B电极只具有构成电流回路的作用而被置于无穷远处。AM法的采集方式示意，当1号电极供电时，2，3……n-1，n号电极同步采集电位数据；当2号电极供电时，1，3……n-1， n号电极同步采集电位数据，依次供电与采集排列组合，直到供电电极为n时结束。所有采集到的电位数据与参比电极N作归一化电位差处理，可得到二极、三极以及高分辨地三维数据体，多次覆盖式全场测量压制了噪声的干扰，提高了解译的精度。相比高密度电法，在同样的时间内,64通道并行采集是串行采集的视电阻率的数据量的1365倍，大大提高了工作效率和成果的解译信息量。

1.2河床底部立体化成像方法

基于河道属于特殊的线性工程，勘察工作既要注重对两岸隐伏的地质灾害现象准确把握，同时还要达到兼顾明确河床段底部是否存在工程隐患的目的。电阻率法中的常规观测系统的布设方式只能反映剖面信息，为确保电流场覆盖整个河床底部，并行电法采用具有高分辨地多次覆盖识别地下洞体的三维布极模式。图2即为三维观测系统的单极-偶极布设示意图，一般在测试过程中首先选择河道一侧布设电极电缆线，而B极被置于对岸中部附近作为参与计算的供电回路电极(如图1)，利用并行电法仪采用AM法进行数据采集，测线上的所有电极依次与B极形成稳恒的地电场，其余电极同步瞬时采集地电数据，供电电极与测量电极之间的扫描测量，形成具有扇形几何体状多次覆盖的立体电场空间体。通过交换两岸的布设电极，实现了对河岸及河床底部地质特征的多次覆盖式观测，获得了各测点的自然电场、一次场和二次场电位的时空变化特征，有助于提升电法探测效率及精度。建立合适的坐标系统，对得到的地电数据按照实际位置进行统一坐标赋值，通过网格差分重构计算可还原出地质体在三维空间上的电场分布规律，结合勘察区地质资料、揭露出的钻孔信息，进而预测出河道中隐伏的不良地质体范围﹑埋深﹑大小以及贯通性。

一般地，海量的并行电法数据体在反演计算过程中，由于相邻单元间电阻率值差异较大和反演参数较多，使得最终迭代成果的电阻率值呈非唯一性收敛。通过在反演求解过程中加入光滑约束条件来改善计算的稳健性和可靠性，进而得到较为满意的电性构造结果，则有如下平滑度约束反演算法:

(G^TG+λC^TC)Δm＝G^TΔd (1)

式中：G为Jacobi矩阵；C为模型光滑矩阵，λ为阻尼因子。

通过求解Jacobi矩阵及大型矩阵逆的计算，来求取各三维网格的电性数据。残差向量Δd的大小采用均方根误差RMS来衡量，并作为反演收敛的标准。通过不断地循环迭代改正，直至最终模型的计算视电阻率和观测视电阻率数据的误差达到满意程度。

2工程应用实例

以江山港河道勘察为例，采用并行电法技术开展区段岩溶调查，利用钻探揭露验证，进一步说明技术的适用性和有效性。

2.1工区概况及测线布置

江山港是钱塘江上游衢江右岸的第一条支流，干流全长134km，是信安湖和钱塘江源头之一。为保障两岸人民的生产财产安全，加快城市化建设进程，改善水环境质量，开展江山港河道综合治理工程。江山港地层内主要出露基岩有一上白垩统南雄组上段(K₂n²)、下段(K₂n¹) 紫红色砂岩、侏罗系上统鹅湖岭组d段(J₃e^d)熔结凝灰岩、上二叠统雾霖山组下段(P₂w¹) 石英砂岩、中石炭统藕塘底组(C₂o)灰岩夹泥岩及第四系地层。在丰足溪下游及达岭溪基岩为埋深较浅的灰岩夹泥岩且受侵蚀严重，易形成局部或者大面积岩溶溶洞，拟采用并行电法对该段开展探测工作，以期查明河道是否存在溶槽、溶洞和破碎带等不良地质体，也为钻探布置提供更合理的靶区。

测线布置如图3所示，在河道a侧(右侧)布设电法测线CX1，电极间距为1m，自上游至下游依次布设电极道1#～64#，B₁极至于b岸(左岸)测线中心位置距测线垂距长26m；左岸测线CX2同理。本次探测仪器采用WBD-1型并行电法仪，采样方式为AM法，供电时间500ms，采样间隔50ms，单次采集64通道仅需96s即可完成高分辨地电探数据体的收录。测试时，河水位距岸顶高差为3.8m，河底深度距岸顶4.5m。

2.2探测结果分析

1)二维电阻率断面

现场测试的激励电流和一次场电位数据，经过配套的软件进行数据解编、电极坐标、噪声剔除、视电阻率计算得到测线剖面上二维视电阻率断面见图4。分别以每条测线起点为坐标(0，0)，沿测线布置方向为剖面长度L的正方向(由左向右，下同)，竖直向下为探测深度H的负方向。图4(a)是河道右岸的视电阻率色谱图像，除地面表层受散落碎石干扰影响，造成局部出现阻值较大外，整体上视电阻率值小于80Ω·m；测线上0～30段视电阻率相对较低且呈斜条带状向右下方深部延展，可能岩土体破碎富水所致。图4(b)成果图相较于图4(a)视电阻率图像整体分布较为均匀，10m以下岩体连续性较好，不过图像测线上 20～30m段，埋深20m以下出现相对于周围的低阻突变现象，可能在河床底部发生岩土体性质的改变。综合河岸两条测线成果，可以看出河岸下方的右侧段相比于左侧视电阻率连续性较好且阻值较大，左侧可能存在岩溶发育的不良地质现象。二维视电阻率剖面对河岸两侧下伏地层电性特征有较好的反映，但对河床内的地层分布及岩溶发育现象缺乏较全面科学的认识。

右岸河岸宽分别为3m。从图像上可以看出沿水流方向上河床段电阻率值较大，高、低阻异常区分布清晰，易于判断出岩溶地层在河床段的发育情况。图6是反演迭代计算过程中，RMS误差和L2泛函随迭代次数增加的趋势线图，当迭代次数达到可接受次数(N＝4)时，均方根误差仅为7.45％，显然采用平滑度约束反演算法可有效的压制河岸地表不均匀体、起伏地形以及河水等噪声的干扰，降低产生虚假构造的可能性。

2)三维电阻率成像

对左右岸所测得的AM法数据体进行常规解编，选取右岸1#电极(0,0,90.26)为三维空间的基点，取水流方向为测线长度的正方向，取指向对岸为线距正方向。各电极点按照相应于基点的空间位置赋予坐标值，有序拼接成软件识别的文件格式。如图5所示，利用EarthImage3D软件反演计算得到的河道立体空间地电场展布图，图像上直观的显示出两岸及河床的起伏地形，河床深度为85.7m，左右岸河岸宽分别为3m。从图像上可以看出沿水流方向上河床段电阻率值较大，高、低阻异常区分布清晰，易于判断出岩溶地层在河床段的发育情况。图6是反演迭代计算过程中，RMS误差和L2泛函随迭代次数增加的趋势线图，当迭代次数达到可接受次数(N＝4)时，均方根误差仅为7.45％，显然采用平滑度约束反演算法可有效的压制河岸地表不均匀体、起伏地形以及河水等噪声的干扰，降低产生虚假构造的可能性。

2.3成果分析

图7为河床底部下方不同深度的电阻率水平切片，较为清晰的反映出河床底部地层沿垂直方向上的变化态势。第1切片(从上向下)电阻率值整体较低，可能受河水影响，反映的是河床浅层的地质信息；第2切片、第3切片中右岸左侧段电阻率值相对较低且低阻区域有向左岸延展的趋势，可能该段存在局部岩溶段且向左岸溶蚀，河床右侧段高阻区呈片状分布；在第4切片中右岸左侧区阻值开始增大，显示出孤立的高阻区，可能存在局部溶洞现象。总体而言，探测段电阻率值较低主要分布在35～120Ω·m，由浅及深高阻区域逐步扩大且连成一片，相较于右侧电阻率形态较为规则、连续，左侧不同高度的电阻率曲线变化不一，局部出现明显的低阻。据此结合两岸的二维视电阻率成果，分布在左右岸两侧位于测线上17m处布设钻孔验证孔FZS01、FZS02，钻探结果如图8所示。

图8为FZS01、FZS02钻孔柱状图，其中FZS01钻孔孔深26m，在孔深18.9m处出现灰岩层，下伏层高程68.43m和66.33m处分别存在两处垂高为0.5m和0.9m溶蚀段，内部主要被碎石、粘土等介质充填；钻孔FZS02中也存在两处溶洞，其中12.4～16.8m存在大规模的岩溶洞穴，钻探过程中出现掉钻、钻孔内水位明显下降及浑水等现象。试验表明钻探验证资料与物探成果吻合度较好。

3结论

1)并行电法技术采用拟地震化的数据收录模式，同步快速的获取地质体海量的地电数据体，为有效的开展覆盖性岩溶区河道多维电法勘察提供了新的技术手段。

2)对岩溶区河道探测试验表明，二维视电阻率图像可有效的反映出右岸溶洞埋藏较浅且洞径较左岸较大；三维立体化反演更全面准确的揭示出整个测区内的岩溶分布，右岸溶洞向河床内延展但未抵达左岸，测试成果与实地钻探验证结果一致。

3)三维电阻率成像在平滑度约束反演计算中，决定最优的反演成果与初始模型、圆滑系数、阻尼因子以及层厚度等因素的恰当选取有较大关联，结合有关的钻孔资料作为反演计算的约束条件对提高解译水平大有裨益。

Claims (8)

1.一种用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，包括测试系统和测试仪器，其特征在于：

测试系统包括两条平行布置在两河堤上的多芯电缆线，和与单条多芯电缆线相对应的无穷远B电极以及电位参比N电极；每条多芯电缆线上包括64道电极，每个电极通道可通过铜棒与大地相连；

测试仪器为并行电法仪，包括测试上位机模块、采集模块、电源模块以及连接各模块之间的传输模块，上位机用于采集参数设置，通过传输模块对采集模块进行数据采集与回收控制，电源模块用于采集模块工作过程中的供电，电源模块与采集模块之间利用电源线连接；采集参数包括采集模式，供电时间，采样间隔，起点电极号，终点电极号，供电方式；

并行电法仪置于到两堤岸多芯电缆线起始端的附近，每一岸的多芯电缆线通过航空插头与电法仪相连接，无穷远B电极、电位参比N极分别通过BN线与并行电法仪连接；并行电法仪通过采集多芯电缆线上的任意电极通道与无穷远B电极形成稳定电场的电位数据，把采集的电位数据与电位参比N极的电势相减，即为电位差ΔU，电位差ΔU与供电电流I可利用电阻率公式即可求取河道区岩土体的视电阻率值，其中K为装置系数；

并行电法采用拟地震化的数据采集手段，选取电缆线上的一个电极与无穷远B电极构成电流回路，形成测量的发射系统，电缆线上的其余电极作为测量的接受系统，接受到发射系统形成电场穿过岩土体的电位数据体，并把采集到的电位与参比N电极电位做差值，即为回收到并行电法仪上位机的地电数据体；

其中，

当测试二维数据时，把无穷远B电极垂直置于电缆线所在位置以外的300～500m区域，电位参比N电极布设在并行电法仪附近的大地上；电位参照N电极、无穷远B电极利用保护绝缘导线与BN线连接，BN线连接并行电法仪采集模块；

当测试三维数据时，把无穷远B电极布设在河堤对岸多芯电缆线的河堤对岸多芯电缆线的起始位置、中部位置、终止位置中至少一处，电位参比N电极布设在并行电法仪附近的大地上。

2.根据权利要求1所述用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，其特征在于：所述多芯电缆线起端带有4个航空插头，每个航空插头内带有16个金属探针，每个金属探针对应一个电极通道，各电极通道之间有序排列；所述多芯电缆线呈一字排开，多芯电缆线布设在河堤处，多芯电缆线距河堤岸边线的长度一般为3～10m。

3.根据权利要求2所述用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，其特征在于：所述多芯电缆线电极通道间距0.5～2m，铜棒长度为0.30～0.40m，插入大地段为0.01～0.20m，为保证铜棒与大地之间的耦合，需在铜棒周围浇盐水。

4.根据权利要求1所述用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，其特征在于：所述铜棒插入到大地的小孔是由充电式电锤凿钻，充电式电锤配备标准化电池。

5.根据权利要求1所述用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，其特征在于：所述无穷远B电极也为上述尺寸铜棒，为保证铜棒与大地之间的耦合，需在铜棒周围浇盐水。

6.根据权利要求1所述用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，其特征在于：所述多芯电缆线为防水铠装多芯电缆线。

7.根据权利要求1所述用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，其特征在于：所述拟地震化数据采集手段为单电极供电，其余电极同步采集的方法。

8.根据权利要求1所述用于探测河道岩溶体分布的多维布设装置，其特征在于：所述无穷远B电极可简化布设在河堤对岸多芯电缆线的起始位置、中部位置和终止位置，或者无穷远B电极简化为布设在河堤对岸多芯电缆线的中部位置。