隱伏型軟硬巖接觸帶溫納三極聯(lián)合反演成像模擬及應(yīng)用

譚 磊, 江曉益, 胡雄武, 徐 虎

(1. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 2. 浙江省水利河口研究院 (浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院), 浙江 杭州 310020; 3. 浙江廣川工程咨詢有限公司, 浙江 杭州 310020; 4. 浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310020)

0 引言

查明地質(zhì)體的賦存狀態(tài)對礦產(chǎn)資源的優(yōu)化利用、地質(zhì)災(zāi)害的綜合治理、地下空間的合理開發(fā)以及人居環(huán)境的安全評估具有重要的指導(dǎo)意義,準(zhǔn)確、精細(xì)地查明巖層結(jié)構(gòu)面是保障安全、高效、經(jīng)濟(jì)、綠色施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-3]。在對覆蓋層較厚的地區(qū)進(jìn)行工程勘察時(shí),往往難以直接追索出巖層接觸帶的產(chǎn)狀、位置、厚度等地質(zhì)信息,主要是依靠直接或間接的手段獲取全部或部分資料,并整合、分析、反推出巖土層的空間分布,從而為設(shè)計(jì)方案的編制、施工工藝的選擇以及隱伏隱患的超前預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)資料[4-5]。其中,物探方法較鉆探具有無損、高效、經(jīng)濟(jì)等突出優(yōu)勢,并且改善了鉆孔數(shù)據(jù)的片面化和離散化等缺陷,不斷為解決工程技術(shù)難題提供新的途徑[6-9]。

高密度電法自20世紀(jì)80年代提出以來,其儀器設(shè)備、觀測系統(tǒng)及解譯方法等在發(fā)展中不斷走向成熟[10],從而也推動(dòng)電阻率在巖層劃分的仿真模擬、模型試驗(yàn)以及工程應(yīng)用中取得長足進(jìn)步。王志鵬等[11]、劉浩等[12]、李嘉瑞等[13]、王磊等[14]采用高密度電法對正逆斷層、隧道水害、隱伏斷層、黃土滑坡進(jìn)行了模擬及實(shí)測,為巖土層界面的劃分及災(zāi)害防治提供技術(shù)支撐。但是,以上成果側(cè)重于高密度電法的單一裝置,而高密度電法的探測系統(tǒng)中電極之間的組合多變,會衍生出幾十種裝置形式,如何在實(shí)際應(yīng)用中選擇最佳的探測裝置是值得深入研究的課題。此外,巖土體的接觸面復(fù)雜多變,而探測內(nèi)容又涵蓋了巖層埋深、幾何位置、組合關(guān)系等空間信息,特別是巖層傾角的精準(zhǔn)識別對高密度電法技術(shù)提出了新的要求。由此可見,當(dāng)前缺乏高密度電法多裝置聯(lián)合反演精細(xì)劃分巖性分界線的適用技術(shù)。

溫納三極裝置數(shù)據(jù)體具有電位梯度測量的特點(diǎn),在突出界面信息方面具有獨(dú)特優(yōu)勢,但是非對稱的電極排列形式也造成異常體的位置較真實(shí)界面有所偏移。由此,一些學(xué)者在數(shù)據(jù)體聯(lián)合反演提高成像精度方面做了一些工作[15-17]。為研究溫納三極聯(lián)合反演成像在巖層接觸帶劃分中的可行性,本文構(gòu)建典型的,具有整體、局部表層高阻體的巖層接觸模型,比較高密度電法不同裝置的差異性,提出適用于劃分巖土接觸帶的電法裝置;在此基礎(chǔ)上,分析覆蓋層的電阻率值、厚度等變化下預(yù)設(shè)模型的溫納三極聯(lián)合反演成像響應(yīng)特征,并著重研究溫納聯(lián)合反演成像對接觸面傾角的識別能力。以泗安水庫導(dǎo)流隧洞勘察為例,探測結(jié)果與實(shí)際揭露的巖層界面位置基本吻合,從而有力驗(yàn)證了溫納三極聯(lián)合反演成像方法在巖層接觸帶劃分的有效性和實(shí)用性。

1 溫納三極聯(lián)合反演成像方法

1.1 高密度電法基本原理

直流電法勘探是利用在地面、孔中或鉆孔-地面等不同空間位置上布設(shè)供電電極對和測量電極對,并依據(jù)不同電極之間的相互組合獲得人工建立穩(wěn)恒電流場的電流、電壓數(shù)據(jù)體。基于電阻率是表征巖土體導(dǎo)電性強(qiáng)弱的物理量,通過對數(shù)據(jù)體的加工、整合、集成和表達(dá),以期解譯出地下介質(zhì)的埋深、規(guī)模、形態(tài)以及賦存關(guān)系。高密度電法是在常規(guī)直流電法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,采用了陣列化的觀測系統(tǒng),高密度、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集模式,提高了測試精度和工作效率,多次覆蓋式的掃描測量更加符合電成像的概念,結(jié)合層析成像技術(shù),提升了對地電斷面分布和變化規(guī)律的認(rèn)知水平。由于供電與測量電極之間勘探系統(tǒng)的差異性,高密度電法的電極排列方式包括溫納四極(Wenner α)、溫納偶極(Wenner β)、溫納微分(Wenner γ)和溫納三極(AMN、MNB)等多種裝置類型,其中,溫納三極右AMN是三極裝置(pole-dipole)的特殊排列,即供電點(diǎn)A到最近測點(diǎn)M的距離與M到測點(diǎn)N的距離相等,且為最小電極距a的n倍。三極裝置正反排列示意如圖1所示。

(a) 單-偶級右裝置

1.2 溫納三極聯(lián)合反演成像技術(shù)

AMN裝置和MNB裝置所展現(xiàn)的是不同供采電極對地質(zhì)體的梯度測量,其電阻率等值線具有非對稱的特點(diǎn),特別是在巖層接觸帶部位表現(xiàn)出躍變的形態(tài),相較于對稱四極裝置具有突顯界面的優(yōu)勢,但增加了地質(zhì)異常的多解性[18]。因此,有必要把AMN裝置和MNB裝置的電阻率值聯(lián)合起來,從而提高精細(xì)識別界面的優(yōu)勢,并且能壓制非對稱的干擾。溫納三極聯(lián)合反演成像數(shù)據(jù)體如圖2所示。

圖2 溫納三極聯(lián)合反演成像數(shù)據(jù)體

溫納三極聯(lián)合反演通常是計(jì)算出滿足給定的場源、邊界條件以及初始模型的最優(yōu)解,并把正演計(jì)算值與測量值作擬合逼近,當(dāng)二者達(dá)到指定的約束條件時(shí),即把得到的重構(gòu)模型作為地質(zhì)體電性斷面,否則將不斷地修正模型。反演是一個(gè)根據(jù)觀測數(shù)據(jù)來重建模型參數(shù)的過程,即從數(shù)據(jù)空間矢量y=col(y1,y2,…,yN)成像到f=col(f1,f2,…,fM)模型空間的過程。

具體反演表達(dá)式為:

(JTJ+λF)Δqk=JTg-λFqk。

(1)

式中:J為雅可比偏微分矩陣;λ為阻尼系數(shù);F為二維平滑濾波矩陣; Δqk為模型參數(shù)修改矢量;g為殘差矢量;qk為第k次迭代的電阻率模型。

根據(jù)迭代次數(shù)的最大值、遞減誤差及均方根誤差對反演過程進(jìn)行終止限定,其中均方根誤差

(2)

2 隱伏型巖層接觸帶電阻率模擬及分析

為研究高密度電法對隱伏型軟硬巖層接觸帶的響應(yīng)特征及探測精度,以數(shù)值模擬為研究手段,利用有限元正演求解多個(gè)典型地電模型的電場分布,并將視電阻率值加入1%的隨機(jī)噪聲,再利用基于圓滑約束的最小二乘反演算法不斷迭代計(jì)算出結(jié)構(gòu)模型,從而分析出不同裝置反演剖面對巖層接觸帶的識別能力。在建模及反演計(jì)算中,主要采用Res2dmod正演軟件及配套的反演程序進(jìn)行數(shù)值分析[19]。

預(yù)設(shè)模型各巖土層的電阻率值見表1。表中給出模型中的典型電阻率值,其中巖層A(以泥巖為例)為硬巖、B(以凝灰?guī)r為例)為軟巖,模型中巖體露頭均被覆蓋層所隱伏,考慮到淺表層的松散碎石土?xí)?dǎo)致接地電阻增大,在表層設(shè)置厚0.6 m、電阻率值為5 000 Ω·m的高阻體模擬不良接觸環(huán)境。模型的電極為64道,相鄰電極間距為2 m。

表1 預(yù)設(shè)模型各巖土層的電阻率值

2.1 多裝置不同接地條件的模型響應(yīng)特征

不同接地條件的地電模型如圖3所示,主要研究不同接觸條件下高密度電法不同裝置對接觸面的分辨率及抗干擾能力。設(shè)置模型的具體參數(shù)為: 地表碎石土高阻體電阻率為5 000 Ω·m、深度為0.6 m,覆蓋層電阻率為100 Ω·m、厚度為4 m,巖層B上覆巖層A且二者夾角為45°,分界面的頂點(diǎn)坐標(biāo)為(63,-4)。此外,在地表局部高阻接地條件模型中,0～112 m段以間隔8 m為單元設(shè)置深度0.5 m的局部高電阻率,從而模擬不連續(xù)的高阻接地條件。

(a) 地表整體高阻接地條件

地表整體高阻的反演電阻率斷面如圖4所示。圖4(a)是溫納四極反演圖像,迭代次數(shù)為5,反演終止的均方根誤差為4.97%,反映出反演剖面的巖層界限清晰,但下伏高阻基巖的覆蓋層反演深度小于低阻巖層,并且接觸帶附近電阻率等值線明顯向高阻區(qū)收斂; 圖4(b)中溫納偶極的反演圖顯示出地表高阻區(qū)、覆蓋層以及巖層的分界都與初設(shè)模型十分吻合,特別對巖層傾角的識別精度較高,但反演探測深度只有18.6 m;溫納微分裝置反演電阻率剖面圖(見圖4(c))與圖4(a)相似,但在測線80～90 m、深度15 m區(qū)域顯示虛假的高阻異常; 圖4(d)和圖4(e)分別為溫納三極AMN、MNB的反演剖面圖,溫納MNB對巖層接觸帶產(chǎn)狀的描述相對更接近預(yù)設(shè)模型,不過垂向上單一的溫納三極裝置反映出地表高阻的連續(xù)性較差,覆蓋層與基巖面的分界線深度也比初始模型略大; 為了提高溫納三極裝置的探測效果,把兩裝置共計(jì)1 984個(gè)數(shù)據(jù)體溫納三極聯(lián)合反演得到圖4(f),得到的聯(lián)合反演成像吸收了2種裝置的優(yōu)勢,在保證具有溫納MNB裝置對界面精準(zhǔn)刻畫優(yōu)勢的前提下,圖像中能清晰反映出地表整體高阻體,而且揭示出的覆蓋層厚度與預(yù)設(shè)模型更接近。

圖4 地表整體高阻的反演電阻率斷面圖

地表局部高阻的反演電阻率斷面如圖5所示。與圖4相比,地表高阻的不連續(xù)導(dǎo)致反演電阻率斷面上出現(xiàn)局部的高阻異常區(qū),在橫向上異常區(qū)的寬度與預(yù)設(shè)模型基本一致,表明高密度電法在淺地表能有效反映出異常區(qū)橫向位置,但在深度方向上高阻體比實(shí)際位置略深一些。同時(shí),地表的不連續(xù)高阻體也引起覆蓋層與基巖面界線呈現(xiàn)出波浪起伏的形態(tài),主要表現(xiàn)為地表高阻區(qū)域下方的分界線向深部凹陷,推測可能是高阻區(qū)對傳播電流的排斥作用引起的;因地表不連續(xù)高阻的厚度較小,巖體接觸帶的產(chǎn)狀基本不受影響;此外,在初始模型的112～126 m段,由于地表存在連續(xù)的高阻接地條件,單獨(dú)一種電法裝置的反演結(jié)果都在此區(qū)域存在明顯的低阻異常,并且異常區(qū)呈現(xiàn)出向測線尾部下方擴(kuò)展的態(tài)勢,而溫納聯(lián)合反演有效壓制了地表不均勻體的干擾,從而保證了巖土分界面在橫向上的連續(xù)性。

圖5 地表局部高阻的反演電阻率斷面圖

2.2 覆蓋層電阻率的變化對溫納聯(lián)合反演成像的影響

在保持圖3(a)中模型尺寸、巖土體接觸關(guān)系不變的情況下,把覆蓋層電阻率分別設(shè)定為10、50、200、300、500、1 000 Ω·m的溫納三極聯(lián)合電阻率斷面如圖6所示。當(dāng)覆蓋層電阻率值為10 Ω·m時(shí),圖6(a)中雖反映出左右兩側(cè)的巖體具有電阻率差異,但難以識別出巖層接觸帶的位置、產(chǎn)狀等信息,并且覆蓋層的深度與預(yù)設(shè)深度4 m差異較大,可能是低阻體有利于傳導(dǎo)電流的傳播而導(dǎo)致探測深度變深; 當(dāng)覆蓋層模型電阻率為50 Ω·m時(shí)(見圖6(b)),反演圖像略有改善,可示出巖體接觸面的傾向;圖6(c)的反演圖像能可靠地反映出巖層分界的頂端初始坐標(biāo),并且?guī)r層傾向接近45°; 隨著覆蓋層電阻率的不斷增大,巖層接觸帶的產(chǎn)狀都基本與預(yù)設(shè)模型一致,結(jié)合圖4(f)可以看出,當(dāng)覆蓋層電阻率高于100 Ω·m時(shí),溫納三極聯(lián)合反演成像對巖層接觸帶的分辨能力較好,特別是覆蓋層電阻率為100、200 Ω·m時(shí),反演成像能更準(zhǔn)確地識別出巖層與上覆覆蓋層的分界線。

圖6 覆蓋層電阻率值變化的溫納三極聯(lián)合反演電阻率斷面圖

2.3 覆蓋層厚度對溫納三極聯(lián)合反演成像的影響

覆蓋層厚度變化的溫納三極聯(lián)合反演電阻率斷面如圖7所示。在保持圖3(a)中覆蓋層電阻率、巖土體接觸關(guān)系不變的情況下,把覆蓋層深度分別設(shè)定為0.6、2、6、8、10、12 m。當(dāng)覆蓋層厚度不斷加大,覆蓋層與巖體分界線向下彎曲的程度愈發(fā)強(qiáng)烈,且接觸帶逐漸模糊; 圖7(e)示出覆蓋層深度等于10 m的電阻率圖,圖中僅可判讀出接觸帶的傾向,但難以確定接觸帶分界的頂端位置,并且接觸帶的傾角與預(yù)設(shè)模型差別較大; 當(dāng)覆蓋層深度為12 m時(shí),圖7(f)中的兩巖體融為一體并與上覆覆蓋層形成了水平層狀分界面,表明溫納三極聯(lián)合反演成像不再適用于劃分此模型的接觸帶,可能是由于隨著覆蓋層厚度增大,深部分辨率降低。由圖7反演結(jié)果可知,當(dāng)覆蓋層深度小于8 m時(shí),反演成像能有效分辨出接觸帶的頂端位置和產(chǎn)狀。

圖7 覆蓋層厚度變化的溫納三極聯(lián)合反演電阻率斷面圖

2.4 溫納三極聯(lián)合反演成像對巖層接觸面傾角的識別

巖層傾角變化的反演電阻率剖面如圖8所示。由圖8(a)可知,不同傾角的軟硬互層模型是在圖3(a)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來,模型深度為60 m,巖層分界的頂端坐標(biāo)為(63,-4),傾角自右向左依次按照30°、45°、60°、90°、逆60°、逆45°以及逆30°變化,并且?guī)r層接觸帶沿傾向上無限延伸,在分界面兩側(cè)的巖層ρ1、ρ2分別為2 000、300 Ω·m。

圖8 巖層傾角變化的反演電阻率剖面圖

從圖8可以看出,溫納三極聯(lián)合反演能較好地反映出接觸帶傾向,但接觸帶的傾角和頂端位置在不同角度范圍內(nèi)具有一定的差異。圖8(b)示出巖層傾角30°的反演電阻率斷面,雖然能明確判斷出巖層傾向,但反映出的巖層傾角明顯過大,并且難以確定接觸帶的頂端位置。當(dāng)傾角小于90°,反演計(jì)算的巖層傾角大于預(yù)設(shè)模型傾角; 當(dāng)傾角大于90°,反演計(jì)算的巖層傾角反而小于預(yù)設(shè)模型傾角; 當(dāng)巖層傾角向逆傾角轉(zhuǎn)變時(shí),在巖層接觸帶部位出現(xiàn)了虛假低阻異常,并且異常體隨逆傾角的減少而更加明顯。

2.5 模擬結(jié)果分析

高密度電法的反演是建立在視電阻率正演的基礎(chǔ)上,模型在正演過程中都設(shè)置最大的隔離系數(shù),如溫納四極、溫納偶極、溫納微分裝置的隔離系數(shù)都設(shè)置為21,則記錄點(diǎn)總數(shù)為651;溫納三極AMN、MNB隔離系數(shù)為31,偶極分離因子為1,則記錄點(diǎn)總數(shù)為992,溫納AMN &MNB反演的初始視電阻率為1 984個(gè)。從數(shù)據(jù)量上可以看出,溫納AMN &MNB中參與反演的數(shù)據(jù)量相對較大,對地下介質(zhì)的精細(xì)化描述更細(xì)致,同時(shí)吸收溫納AMN、MNB的優(yōu)點(diǎn),在探測接觸帶產(chǎn)狀方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

1)地表整體高阻接地條件對高密度電法的影響較地表局部高阻低,并且影響范圍主要集中在淺表層。溫納AMN &MNB反演結(jié)果對覆蓋層與巖體的界限、巖層分界的頂端位置、巖層傾向及傾角等探測效果較好,探測的目標(biāo)體深度較大,但不可避免的是巖層接觸帶部位存在一定的彎曲。建議在數(shù)據(jù)采集時(shí)盡可能降低地表的接觸條件,在數(shù)據(jù)反演過程中應(yīng)加密初始模型的網(wǎng)格單元。

2)覆蓋層電阻率的變化影響溫納AMN &MNB聯(lián)合反演的探測效果。覆蓋層電阻率較低時(shí),聯(lián)合反演成像不能有效識別出巖層接觸帶的頂端位置和巖層傾角,甚至巖層的傾向也與實(shí)際模型不相符;當(dāng)覆蓋層等于或略大于巖體電阻率時(shí),覆蓋層與巖體的分界線模糊,影響覆蓋層深度的判別。考慮到實(shí)際勘探中的供電問題,探測效果最優(yōu)的覆蓋層電阻率應(yīng)該小于下伏巖體。

3)覆蓋層厚度的改變同樣對探測結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。從模擬結(jié)果來看,低阻覆蓋層深度的變化首先影響覆蓋層與巖體的界限劃分,隨著覆蓋層的不斷加厚,進(jìn)一步影響巖層接觸帶頂端位置的判定,最后兩巖層逐漸融為一體,巖層傾角與實(shí)際模型差別較大。

4)溫納AMN &MNB反演能有效探測出巖體接觸帶產(chǎn)狀的變化,當(dāng)上覆巖層為相對低阻時(shí)(即傾角小于90°),反演剖面揭示出的傾角大于實(shí)際預(yù)設(shè)模型;當(dāng)上覆巖層為相對高阻時(shí)(即逆傾角階段),反演剖面揭示出的傾角小于實(shí)際預(yù)設(shè)模型。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

泗安水庫位于浙江省長興縣西苕溪泗安塘上游,距泗安鎮(zhèn)4.5 km。水庫壩址以上控制流域面積為108 km2,主流長度為19.5 km,總庫容為5 000萬m3,發(fā)電裝機(jī)容量320 kW,是一座以防洪為主,結(jié)合灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。大壩為均質(zhì)土壩,壩頂高程19.47 m,壩底高程9.17 m,壩高10.3 m,頂長1 550 m。泗安水庫樞紐工程由攔河壩、泄洪閘、灌溉輸水涵洞、非常溢洪道等建筑物組成。水庫樞紐工程等級為Ⅲ,主要建筑物攔河壩、泄洪閘為3級建筑物。為解決大壩施工導(dǎo)流的問題,設(shè)計(jì)于大壩右壩頭山體布置導(dǎo)流隧洞。

擬建導(dǎo)流隧洞為泗安水庫除險(xiǎn)加固的配套工程,位于大壩的右岸,總長約281 m,洞徑3.0 m,進(jìn)口高程6.67 m,出口高程3.0 m。隧洞分為進(jìn)口明挖段、進(jìn)口段、洞身段、出口段及出口明挖段。導(dǎo)流隧洞軸線共布置4只鉆孔,揭露出地層為含礫粉質(zhì)黏土、碎塊石夾黏性土、泥質(zhì)粉砂巖/砂礫巖和含礫凝灰?guī)r。如圖1所示,隧洞出口段鉆孔ZK4(對應(yīng)樁號K0+230.9)揭露出紫紅色、暗紫色泥質(zhì)粉砂巖地層,而鉆孔ZK3(對應(yīng)樁號K0+118.0)揭露出灰綠色含礫凝灰?guī)r地層,因此巖性在2鉆孔之間發(fā)生變化。為了保障開挖施工的順利進(jìn)行,以便采取相應(yīng)的支護(hù)方法和預(yù)防措施,掌握地層的巖層接觸帶是有序開展工作的前提和基礎(chǔ)[20-21]。

研究區(qū)測線布置及巖土層結(jié)構(gòu)如圖9所示。本次沿導(dǎo)流隧洞上方布設(shè)高密度電法測線,電極起始點(diǎn)位于出口處,測線向庫區(qū)延伸,電極間距為1 m,電極總數(shù)為64道,勘探儀器為網(wǎng)絡(luò)并行電法儀,由于該設(shè)備采用并聯(lián)式數(shù)據(jù)采集模式,現(xiàn)場工作效率明顯提高。數(shù)據(jù)采樣分為ABM法和AM 2種方式,其中,ABM法供電時(shí)間為0.2 s,采樣間隔為0.1 s,現(xiàn)場工作時(shí)間為20 min左右,收錄到的數(shù)據(jù)體經(jīng)解編后可得到溫納四極、溫納偶極、溫納微分等四極裝置數(shù)據(jù);AM法采用單點(diǎn)供電,供電時(shí)間為0.5 s,采樣間隔為0.05 s,全測線所有數(shù)據(jù)采集完成僅需96 s,經(jīng)解編后可得到溫納三極AMN、MNB等三極數(shù)據(jù)格式。

圖9 研究區(qū)測線布置及巖土層結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)果分析與驗(yàn)證

單一裝置的探測結(jié)果反演斷面如圖10所示。根據(jù)圖4可知,溫納四極與溫納微分的反演剖面類似,因此圖10只給出了4種裝置的反演剖面。由于勘探線上具有高程起伏,對數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行了帶地形反演修正。圖像上各裝置都反映出巖體在橫向的變化,巖層的傾向都相同,并且都能揭露出覆蓋層與巖層的接觸帶,表明高密度電法在覆蓋層下的隱伏巖層劃分中具有良好的效果。但反演圖像上所揭示的巖層分界的頂端位置存在差異,各裝置的抗干擾能力也不相同,對縱橫向巖體的識別能力也表現(xiàn)不一。圖10(a)中溫納四極裝置反映出的地質(zhì)結(jié)構(gòu)在垂向上具有較好的分辨率,圖10(b)能精細(xì)地劃分出地質(zhì)結(jié)構(gòu)在橫向的變化,但經(jīng)5次反演迭代后的均方根誤差為11.5%,一定程度上表明溫納偶極測量數(shù)據(jù)體抗噪聲的能力相對較差; 比較圖10(c)、(d),溫納MNB顯示出的巖層在縱向的變化較溫納AMN更清晰,這與數(shù)值模擬中低阻覆蓋在高阻之上的組合模型結(jié)論基本一致。

圖10 單一裝置的探測結(jié)果反演斷面圖

溫納聯(lián)合AMN &MNB反演電阻率結(jié)果如圖11所示。溫納AMN &MNB反演剖面的最小電阻率值為2.6 Ω·m,最大電阻率值為4 908 Ω·m,平均電阻率值為130.6 Ω·m。由圖可知,沿測線方向上覆蓋層埋深存在變化,厚度為1.0～4.0 m,推測出巖層接觸帶頂端在沿測線方向32 m處,傾角約28°。導(dǎo)流隧洞在高程3.0～6.0 m自出口向庫區(qū)開挖過程中,初始揭露巖體為粉砂巖,巖體強(qiáng)度相對較低,并且遇水易軟化;當(dāng)開挖至K0+206 m時(shí),圖9(b)中明顯可以看出巖層接觸帶的展布與探測結(jié)果十分吻合。由于前期巖層接觸帶的準(zhǔn)確劃分,提前采取合理的施工方法和支護(hù)措施,保障了導(dǎo)流隧洞的安全開挖。

圖11 溫納聯(lián)合AMN &MNB反演電阻率結(jié)果

4 結(jié)論與討論

1)高密度電法不同裝置都能有效識別出巖層接觸帶的傾角,但對地表不同耦合條件的響應(yīng)存在差異,地表局部高阻接地條件的干擾強(qiáng)于整體高阻;溫納聯(lián)合反演成像能在局部和整體高阻的接地條件下對巖層接觸帶的頂端位置、覆蓋層深度、巖層傾向及傾角都有較好的探測效果。

2)覆蓋層電阻率的增加有利于溫納AMN &MNB聯(lián)合反演成像對巖層接觸帶的識別,但當(dāng)覆蓋層的電阻率與巖層電阻率接近時(shí),難以有效識別出覆蓋層深度;覆蓋層深度的增加,依次影響覆蓋層深度的識別、巖性接觸帶頂端的判定以及巖層傾角。當(dāng)上覆巖層為相對低阻時(shí),反演剖面揭示出的傾角大于預(yù)設(shè)模型;當(dāng)上覆巖層為相對高阻時(shí),反演剖面揭示出的傾角小于預(yù)設(shè)模型。

3)結(jié)合并行電法在泗安水庫導(dǎo)流隧洞勘察的實(shí)例,溫納聯(lián)合反演成像結(jié)果推斷出巖層接觸帶位置與實(shí)際開挖揭露吻合度很高,但是在應(yīng)用中也要統(tǒng)籌考慮到電極的接觸情況、覆蓋層厚度、覆蓋層的電阻率以及巖層接觸帶傾角等因素。

本文在以往研究成果的基礎(chǔ)上展開了溫納聯(lián)合反演成像在隱伏型軟硬巖接觸帶的模擬及應(yīng)用研究,為巖土體的劃分提供新的思路。然而,實(shí)際工程中影響巖土介質(zhì)電阻率的影響因素較多,后續(xù)還需要針對具體工程場景開展溫納聯(lián)合反演成像技術(shù)的系統(tǒng)研究。