輸水隧洞瞬變電磁法勘察的三維可視化分析

渠繼明

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院　山西　太原　030024）

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輸水隧洞瞬變電磁法勘察的三維可視化分析

渠繼明

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院山西太原030024）

摘要瞬變電磁法勘察所得到的二維斷面圖，對于復(fù)雜的異常體較難圈定其連通性及空間分布狀態(tài)，針對這一特定問題，利用Voxler軟件實現(xiàn)瞬變電磁法勘察剖面的三維可視化，使得瞬變電磁法勘察對地下復(fù)雜異常體的分析解釋得到明顯提高。

關(guān)鍵詞輸水隧洞；采空區(qū)；瞬變電磁法；三維可視化

1　序言

山西是一個產(chǎn)煤大省，隨著煤炭資源的大量開采，留下了大量的煤礦采空區(qū)。山西又是一個多山的省份，有很多長距離的輸水隧洞經(jīng)過煤礦采空區(qū)，顯然煤礦采空區(qū)對輸水隧洞構(gòu)成巨大威脅，尤其是無圖紙、無規(guī)律的私挖亂采形成的采空區(qū)對輸水隧洞具有更大的安全隱患。因此煤礦采空區(qū)的勘察就顯得格外重要。瞬變電磁法作為煤礦采空區(qū)勘察的較有效方法，在煤礦采空區(qū)勘察中發(fā)揮著重要作用，但瞬變電磁法的二維勘察形成的是獨立的斷面，斷面之間異常的連通性在二維斷面上得不到反映，通過Voxler軟件實現(xiàn)瞬變電磁法勘察剖面的三維可視化，使得二維斷面上的異常在空間展布情況得到直觀的反映。

2　方法與技術(shù)

2.1基本原理

瞬變電磁法（簡稱TEM）是一種時間域的電磁感應(yīng)方法，其探測的基本原理是以不接地的發(fā)射線框中加以脈沖電流，在一次場的激勵下，地質(zhì)體產(chǎn)生渦流，其大小與地質(zhì)體的導(dǎo)電程度有關(guān)。在一次場消失后，該渦流不會立即消失，它是一個逐漸衰減的過程，該衰減過程又產(chǎn)生衰減的二次磁場向地表傳播，由在地表布設(shè)的接收線框接收二次磁場，此二次磁場的變化反映了地下地質(zhì)體的電性特征。瞬變電磁法就是基于上述原理來測量地質(zhì)體的電導(dǎo)率來達到解決實際問題的目的。

渦旋場在大地中擴散傳播，在傳播過程中，二次電磁場的能量直接在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播而逐漸消耗。由于趨膚效應(yīng)，低頻部分傳播到深部，而高頻部分主要集中在淺部，且其分布范圍是源下面的局部，其傳播速度和深度為：

式中t為傳播時間；σ為介質(zhì)電導(dǎo)率；μ0為介質(zhì)中的磁導(dǎo)率。

依據(jù)上述原理，根據(jù)觀測的感應(yīng)電壓值隨時間的特定的變化關(guān)系，便可反演得到不同深度的地層的視電阻率值。

2.2地球物理特征

當(dāng)?shù)貙又械拿簩游幢徊蓜訒r，地層呈現(xiàn)縱向的成層性和橫向的連續(xù)性，反映在視電阻率斷面圖上為視電阻率等值線在橫向上呈近似水平或呈一定傾角的特征，在縱向上呈近似層狀的特征。煤層被采空后，破壞了原有地層的連續(xù)性、完整性，反映在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為視電阻率等值線出現(xiàn)扭曲和變形，出現(xiàn)圈閉等現(xiàn)象。如果采空區(qū)被水充填，則在視電阻率等值線圖中表現(xiàn)為局部低阻異常圈，如果采空區(qū)未被充填，則表現(xiàn)為局部高阻異常圈。

2.3數(shù)據(jù)預(yù)處理與反演

資料處理采用EMRS瞬變電磁處理軟件。處理流程為：數(shù)據(jù)傳輸→資料預(yù)處理→數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→繪制圖件→定性解釋、定量解釋。在資料處理之前須進行資料的預(yù)處理，包括：

（1）關(guān)斷時間的影響及其校正。理論上發(fā)射波形應(yīng)為階躍波，但在實際工作中由于發(fā)射線框與大地間存在電容和線框存在電感，導(dǎo)致發(fā)射電流關(guān)斷時不為階躍波，而為一個有一定后延時間的關(guān)斷波形，因此須將其校正到理想波形狀態(tài)。

（2）曲線的圓滑。由于各類干擾的影響，往往使實測V/I曲線尾支出現(xiàn)波動，為此必須對實測曲線進行圓滑處理。

（3）將經(jīng)過預(yù)處理的實測數(shù)據(jù)反演成與深度對應(yīng)的視電阻率值，通過視電阻率二維等值線斷面圖或三維可視化分析進行定性和定量的解釋。

2.4三維數(shù)據(jù)處理與可視化

傳統(tǒng)的瞬變電磁法成果為二維視電阻率等值線圖，它反映的是同一測線上不同深度的視電阻率變化特征，在進行資料解釋時，僅靠二維視電阻率等值線圖很難對異常的空間展布及不同剖面上的異常變化特征作出直觀而準確的判定。Voxler軟件的出現(xiàn)使得物探數(shù)據(jù)的三維可視化分析成為可能，Voxler主要針對三維數(shù)據(jù)的顯示和體積的渲染，利用離散點數(shù)據(jù)以及二維DEM網(wǎng)格化數(shù)據(jù)和二維圖像進行三維成圖，可以形成矢量圖、等值線圖、切片圖、三維散點圖和體積渲染圖等。使用Voxler輸出的三維模型，可以通過鼠標(biāo)操作改變視角，也可以被任意的角度切片或顯示。

目前瞬變電磁法數(shù)據(jù)的采集本質(zhì)上是二維采集，然后疊加形成三維數(shù)據(jù)，因此前期的數(shù)據(jù)處理與反演仍沿用傳統(tǒng)的處理解釋方法。在二維測線的數(shù)據(jù)處理時選用統(tǒng)一的處理方法和參數(shù)，這樣在后期的三維可視化處理時測線與測線之間才會保持一致性，當(dāng)每條測線反演完畢之后即可進行三維化處理。首先，把每條測線上各個測點對應(yīng)的樁號或距離轉(zhuǎn)換成測網(wǎng)對應(yīng)的平面坐標(biāo)(x,y)，把測線上各點的深度經(jīng)過高程換算轉(zhuǎn)換為高程數(shù)據(jù)，再把測網(wǎng)內(nèi)的所有測線的數(shù)據(jù)合并在一起，便形成一個瞬變電磁法的三維數(shù)據(jù)體。

三維數(shù)據(jù)體形成后便可進行網(wǎng)格化，數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)格化后會形成一個三維模型，然后便可利用Voxler軟件對三維模型進行可視化分析。

3　工程實例

山西省某引水工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項重要的工程，其中有很大一部分輸水管線穿越煤層或煤礦采空區(qū)域，為了確保輸水管線的安全，須對煤礦采空區(qū)進行詳細勘察并加以治理。受某引水工程管理局的委托，對該引水工程的某段輸水管線區(qū)域進行了瞬變電磁法物探勘察。

根據(jù)地質(zhì)資料，勘察區(qū)內(nèi)地層自上而下為第四系、第三系、石炭系和奧陶系地層。正常情況下，縱向上第四系表層視電阻率較高；第三系、石炭系砂巖等煤系地層一般為表現(xiàn)為低阻，奧陶系地層以灰?guī)r為主，視電阻率值較高。整套地層的電阻率在縱向上呈現(xiàn)為高～低～高的特征反映。該區(qū)域采空區(qū)埋深約80m～90m，未被水充填，屬于私挖亂采形成的古空區(qū)，因此采空區(qū)無任何規(guī)律性。為了對采空區(qū)進行詳細的勘察，在勘察區(qū)域內(nèi)，瞬變電磁點剖面采用小點距、小線距布設(shè)，為了基于Voxler輔助條件下對采空區(qū)三維可視化分析的方便，在外業(yè)測試過程中保持采集參數(shù)不變。

3.1勘察成果二維分析：

圖1、圖2、圖3所示為在勘察區(qū)域內(nèi)a2～a2'剖面、a5～a5'剖面、a8～a8'剖面3個TEM剖面的視電阻率等值線圖，從圖中可看出：在a2～a2'剖面的深度80m～90m、水平距離25m～35m出現(xiàn)高阻異常區(qū)；在a5～a5'剖面的深度80m～90m、水平距離15m～35m出現(xiàn)高阻異常區(qū)，在a8～a8'剖面的深度80m～90m、水平距離16m～23m呈現(xiàn)高阻異常。從選取的3個視電阻率等值線斷面圖可看出：在3個剖面上均存在高阻異常區(qū)，結(jié)合地質(zhì)資料推斷為煤礦采空區(qū)引起的，但3個剖面之間采空區(qū)的空間展布如何，異常之間是否連通，在二維剖面上顯然無法反映出來。

圖1　a2- a2'TEM視電阻率等值線斷面圖

圖2　a5- a5'TEM視電阻率等值線斷面圖

圖3　a8- a8'TEM視電阻率等值線斷面圖

3.2三維可視化分析

在二維圖像上，三個剖面均存在高阻異常區(qū)域，但異常僅獨立展現(xiàn)在三個二維剖面上，異常的空間形態(tài)及其連通性難以確定，經(jīng)過三維可視化處理后，三個剖面的異常的連通性在三維等值面圖下的空間展布形態(tài)有了清晰的展示，且可進行水平方向不同深度或垂直方向不同位置的切片，便于對采空區(qū)綜合分析。因此，經(jīng)過Voxler軟件三維可視化處理后的資料，突出了異常在三維空間的展布情況，具有較好的實用性。

圖4　三維等值面圖與a2～a2'斷面的切片

圖5　三維等值面圖與a5～a5'斷面的切片

圖6　三維等值面圖與a8～a8'斷面的切片

3.3應(yīng)用效果

為了對采空區(qū)域進行治理并驗證Voxler輔助條件下的三維可視化數(shù)據(jù)處理的有效性，在物探勘察區(qū)域布置鉆孔進行驗證并對采空區(qū)范圍布設(shè)注漿孔進行注漿處理。

圖7為利用Voxler輸出的三維模型在異常體的中心的水平切片圖（圖中深色部分為推斷的煤礦采空區(qū)），圖8為鉆孔驗證與注漿孔確認的采空區(qū)平面分布圖，從二者的對比來看，利用Voxler輸出的三維模型劃定的采空區(qū)與鉆孔確認的范圍基本吻合，說明了在Voxler輔助條件下的三維可視化數(shù)據(jù)處理的有效性和實用性。

圖7　三維模型異常體中心水平切片圖

圖8　經(jīng)鉆孔驗證后的采空區(qū)分布圖

4　結(jié)語

（1）本文通過具體的工程實例對瞬變電磁數(shù)據(jù)的二維數(shù)據(jù)處理與基于Voxler輔助條件下的三維數(shù)據(jù)分析進行了對比分析；傳統(tǒng)的二維等值線斷面圖僅能反映沿剖面方向的異常體的分布；而經(jīng)過Voxler軟件處理后的瞬變電磁數(shù)據(jù)，不僅能夠反映異常體沿剖面方向展布情況，而且能夠直觀地反映剖面之間異常體的空間展布，并可人機交互實現(xiàn)對異常體的全方位觀測。

（2）雖然利用Voxler軟件三維可視化分析可直觀地反映瞬變電磁法勘察的異常體三維空間的展布情況，但處理效果仍依賴于二維資料的精度，并不能從根本上提高資料的解釋精度。陜西水利

參考文獻：

[1]李永銘，楊新明.電磁波井間層析三維可視化分析[J]《工程物探》.2014年第2期

[2]蘆安貴，李法濱.EH4三維數(shù)據(jù)采集處理與可視化[J]《工程物探》.2015年第2期

（責(zé)任編輯：暢妮）

中圖分類號：P631

文獻標(biāo)識碼：A