基于跨孔電阻率c法的地下溶洞分布特征研究

基于跨孔電阻率c法的地下溶洞分布特征研究

0地下隱蔽巖溶條件近年來，中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快。為了讓交通便利，許多大型和中型城市都積極申請地鐵項(xiàng)目。但在地鐵的建造過程中常會遇到巖溶問題，巖溶洞穴頂板的變形易造成地基失穩(wěn)，溶洞塌落形成地表塌陷等危害，其所造成的危害往往是突發(fā)性和不可預(yù)測性的，因此精準(zhǔn)探測地下隱蔽巖溶條件是修建城市地鐵過程中首要解決的問題。目前，探測地下溶洞常用的方法有電阻率法本文利用跨孔電阻率CT法進(jìn)行數(shù)值模擬，通過改變孔深和孔距的比例、電極距、模型位置等參數(shù)，分析溶洞同時充填水、氣兩種介質(zhì)時的電阻率響應(yīng)特征，同時研究充水量逐漸增加過程中的電阻率響應(yīng)規(guī)律，以期為跨孔電阻率CT法探測溶洞提供判定依據(jù)，更加準(zhǔn)確查找溶洞，減少誤判。1地下巖溶發(fā)育區(qū)跨孔電阻率CT是以介質(zhì)電性差異為基礎(chǔ)，通過研究與電性有關(guān)的人工直流電場分布規(guī)律，達(dá)到勘探地質(zhì)構(gòu)造和尋找礦產(chǎn)資源的地球物理勘探方法地下巖溶發(fā)育區(qū)在形成過程中常由于裂隙水、地下水的存在而充填水或充填黏性土，當(dāng)溶洞充水時，因水的電阻率較小，圍巖介質(zhì)為相對完整灰?guī)r，其電阻率較高，溶洞相對于圍巖表現(xiàn)為低阻特征；當(dāng)溶洞充填物為空氣時，其電阻率極高，相對于圍巖表現(xiàn)為高阻特征，為跨孔電阻率CT提供了物性基礎(chǔ)。2不同充填介質(zhì)數(shù)值模型的建立正反演數(shù)值模擬基于AGI二維軟件平臺，正演模擬采用有限元法，反演計算采用最小二乘法，構(gòu)建充水溶洞、部分充水溶洞（1/4充水、1/2充水、3/4充水）和充氣溶洞5種溶洞模型，數(shù)值模擬基本條件如表1。為研究不同充填介質(zhì)下的溶洞在孔間距、電極距及溶洞位置改變時的電性響應(yīng)特征及其變化規(guī)律，共構(gòu)建了15組數(shù)值模型（每組均包括上述的5種溶洞模型），其模型中不同介質(zhì)電阻率參數(shù)設(shè)置為：充水介質(zhì)10Ω·m、充氣介質(zhì)2000Ω·m、圍巖背景值200Ω·m。通過分析不同孔間距、不同電極距和不同位置溶洞模型的電阻率響應(yīng)特征，總結(jié)溶洞充填水、氣兩種介質(zhì)及充水量增加時的電阻率變化規(guī)律。2.1不同充水程度及充水情況下巖溶化學(xué)性狀分析兩孔之間的距離會影響跨孔電阻率CT的分辨能力，過大的孔間距會降低探測的分辨率，影響溶洞規(guī)模的判定，過小的孔間距將會加大工作量，影響工作效率。因此，設(shè)計不同孔距的5組溶洞模型，模型參數(shù)如表2，模型位置如圖2所示。圖3展示出孔距為10m時的溶洞不同充水程度反演成像結(jié)果，由圖3可知，跨孔電阻率CT法對5組溶洞模型的探測效果明顯，異常的位置、大小與溶洞模型均一致，且能夠區(qū)分溶洞的水、氣介質(zhì)分界線。分界線之上為高阻異常區(qū)，分界面之下為低阻異常區(qū)，其范圍分別與溶洞上部充氣、下部充水范圍相對應(yīng)。其中，由于構(gòu)建模型受邊界條件的影響，會產(chǎn)生一些圍巖背景出現(xiàn)高阻或低阻異常，但這些異常區(qū)的影響不明顯。為更加直觀地觀察溶洞模型隨著充水程度及孔距變化的響應(yīng)規(guī)律，抽取了不同孔距下溶洞模型中心處一維測深數(shù)據(jù)，繪制出各種孔距時溶洞不同充水程度的一維測深曲線對比圖（圖4）。結(jié)合圖3與圖4，全充氣（水）溶洞的探測效果最佳，其電阻率響應(yīng)與周圍介質(zhì)差異最明顯，隨著充水量的增加，低阻響應(yīng)逐漸增強(qiáng)，高阻響應(yīng)逐漸減弱，且低阻區(qū)范圍向上部擴(kuò)大；當(dāng)充水量占1/2時，最高電阻率明顯減小，低阻范圍增大到與高阻范圍大致相等；充水量增加到3/4時，高阻響應(yīng)需要反演計算結(jié)合測深曲線才能有效判斷。由此表明跨孔電阻率CT法探測溶洞充填多種介質(zhì)效果良好。由圖4可發(fā)現(xiàn)，孔距不同時，5種溶洞模型的電阻率響應(yīng)在深度方向上的變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為均勻介質(zhì)中較穩(wěn)定，在溶洞位置處視電阻率增加（充氣）或減少（充水）。對比圖4a、b、c、d，發(fā)現(xiàn)孔距對該方法的影響很大，隨著孔距的增加，溶洞的響應(yīng)逐漸減弱。其中，6m和10m孔距的溶洞響應(yīng)效果較好，其溶洞充填介質(zhì)水氣分界面電阻率差異分別為1279.4Ω·m、81.2Ω·m（已充填1/2水為例），能夠明顯分辨溶洞的充水、充氣空間位置和大??；當(dāng)孔距為16m、20m時，溶洞響應(yīng)減弱，水氣分界面電阻率差異降至12.8Ω·m、9.8Ω·m，不同充填介質(zhì)下的溶洞響應(yīng)特征與圍巖介質(zhì)的響應(yīng)差異不明顯，無法有效分辨充填多種介質(zhì)的溶洞；當(dāng)孔距增加到25m時，溶洞水氣分界面電阻率差異僅為4.8Ω·m，更加無法區(qū)分充填多種介質(zhì)的溶洞。由此可認(rèn)為，采用跨孔電阻率CT法進(jìn)行探測時，當(dāng)孔距與孔深比值小于3/4時能有效分辨單一充填溶洞，當(dāng)溶洞充填多種介質(zhì)時，其比值建議小于1/3。2.2不同充填狀態(tài)的特征設(shè)計不同電極距對充填不同介質(zhì)的溶洞模型進(jìn)行正反演數(shù)值模擬，研究電極距對溶洞的影響規(guī)律模型參數(shù)如表3。圖5展示出電極距為0.5m時的溶洞不同充水程度反演成像結(jié)果。圖6為不同電極距下溶洞中心處一維測深曲線圖。由圖5、圖6可知，跨孔電阻率CT法對5種溶洞的探測效果較好，異常的位置、大小與溶洞模型均一致；溶洞的充氣、充水量影響成像結(jié)果電阻率，充水量越多，對應(yīng)部分的成像電阻率值越小；當(dāng)溶洞充水比例分別為1/4、1/2和3/4時，反演結(jié)果中高阻區(qū)與低阻區(qū)的分界線埋深分別為17m、16m和15m，與模型設(shè)定的水氣分界線基本一致。這表明跨孔電阻率CT法可識別溶洞不同的充填狀態(tài)，能夠根據(jù)反演結(jié)果進(jìn)行解釋與判定溶洞的充填狀態(tài)。再分析圖6可知，溶洞電阻率的響應(yīng)隨著電極距的增加逐漸減弱，電極距越大，溶洞電阻率的響應(yīng)越弱。電極距為0.5m、1m時，溶洞水氣分界面電阻率差異分別為139.58Ω·m、107.8Ω·m，差異較明顯，探測效果較好。電極距為2m時，溶洞水氣分界面電阻率差異減小至40.51Ω·m，低阻區(qū)開始向深部偏移；隨著電極距增加到3m，溶洞電性響應(yīng)變?nèi)?，高阻區(qū)向淺部擴(kuò)大，溶洞水氣分界面電阻率差異減小至20.05Ω·m；當(dāng)電極距增加到4m時，異常范圍向淺部和深部同時擴(kuò)大，部分充水溶洞響應(yīng)變得微弱，水氣分界線模糊不清，難以有效分辨其分界線及溶洞充水量；6m極距時溶洞響應(yīng)進(jìn)一步減弱，但還可分辨單一充填溶洞。上述問題反映出電極距增大，采集到的數(shù)據(jù)量變少，會導(dǎo)致探測的精度降低。跨孔電阻率CT法探測充填多種介質(zhì)的溶洞電性響應(yīng)時，建議電極距選擇為溶洞大小的一半。2.3不同溶洞特征構(gòu)建溶洞與鉆孔及地面不同位置模型，其中模型參數(shù)為：孔深為32m、孔間距為10m、電極距為0.5m、溶洞模型大小為3m×4m；模型中心位置分別為：第12組模型：溶洞1(5,4）、第13組模型：溶洞2(5,10）、第14組模型：溶洞3(5,16）、第15組模型：溶洞4(2.5,16）（圖7）。圖8為溶洞4模型反演計算結(jié)果。圖8a和圖8e均有一方形異常區(qū)域，分別為高阻區(qū)和低阻區(qū)，是充水溶洞和充氣溶洞的成像結(jié)果。圖8b-圖8d成果圖中均有一高阻區(qū)和一低阻區(qū)。其中，圖8b中低阻區(qū)范圍大致為高阻區(qū)范圍的1/4，對應(yīng)溶洞充1/4水；圖8c中低阻區(qū)范圍與高阻區(qū)范圍大致相等，對應(yīng)溶洞充1/2水；圖8d中低阻區(qū)范圍大約是高阻區(qū)的4倍，對應(yīng)溶洞充3/4水。此特征表明跨孔電阻率CT法能識別溶洞的充填物性狀。抽取溶洞模型中心處一維測深數(shù)據(jù)，繪制出如圖9所示一維測深曲線圖。對比溶洞1、溶洞2、溶洞3，溶洞3模型響應(yīng)較強(qiáng)，其水氣分界處電阻率衰減較大，其電阻率差值為139.58Ω·m，且隨著溶洞靠近地面，電阻率響應(yīng)逐漸減弱，當(dāng)位于溶洞2的位置時，其水氣分界面電阻率差值降至51.73Ω·m。溶洞1探測效果較差，反演結(jié)果出現(xiàn)畸變，這是由其靠近測線邊緣數(shù)據(jù)量較少，精度較低導(dǎo)致的。對比溶洞3、溶洞4，溶洞4模型的電阻率響應(yīng)較溶洞3模型強(qiáng)，其反演結(jié)果更能有效分辨出部分充水溶洞的充水量，可認(rèn)為其靠近孔中電極，電流和數(shù)據(jù)比較密集，探測效果較好。由此，在縱向上，溶洞越靠近測線中部，其電阻率響應(yīng)越強(qiáng)烈，在橫向上，溶洞越靠近鉆孔電極，探測效果越好。3充填介質(zhì)對巖溶電性響應(yīng)的影響此前，周文龍等此研究不僅從多個影響角度出發(fā)，同時還分析了不同充填介質(zhì)復(fù)雜溶洞的探測效果，更加全面地探究了不同充填介質(zhì)下溶洞電性響應(yīng)特征及其變化規(guī)律。但在實(shí)際跨孔電阻率CT技術(shù)的應(yīng)用中，還存在需深入研究的問題，例如，跨孔探測區(qū)域內(nèi)可能存在多個異常體時的電性響應(yīng)特征規(guī)律、跨孔探測區(qū)域周圍存在異常體時仍可能在探測結(jié)果圖中呈現(xiàn)的旁側(cè)響應(yīng)等問題。4不同電極距的巖溶模型(1）分析不同孔距下的溶洞模型，采用跨孔電阻率CT法進(jìn)行探測，當(dāng)孔距與孔深比值小于3/4時，能有效分辨單一充填溶洞，當(dāng)溶洞充填多種介質(zhì)時，其比值建議小于1/3。(2）分析不同電極距下的溶洞模型，電極距越大時，溶洞的響應(yīng)越弱。孔距為0