基于地電場響應的地裂縫模擬試驗①

梅芹芹,鄧　舒,張衛(wèi)強,3,唐　鑫

(1.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室 江蘇省地質調查研究院,江蘇 南京 210049;2.徐州市國土資源局土地儲備中心,江蘇 徐州 221006;3.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221116)

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基于地電場響應的地裂縫模擬試驗①

梅芹芹1,鄧舒2,張衛(wèi)強1,3,唐鑫1

(1.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室 江蘇省地質調查研究院,江蘇 南京 210049;2.徐州市國土資源局土地儲備中心,江蘇 徐州 221006;3.中國礦業(yè)大學資源與地球科學學院,江蘇 徐州 221116)

在應用網絡并行電法技術的基礎上,建立有基底潛山的物理模型,對注水條件下模型土體開裂過程中的地電場響應進行測量。試驗結果表明,土體中電位、電流和電阻率的變化與土體含水量密切相關,隨著土體中含水量的改變,自然電位、一次場電位、激勵電流和視電阻率發(fā)生急劇變化;網絡分布式并行電法反演信息表明在視電阻率曲率值較大位置容易產生不均勻沉降和裂縫,不均勻沉降的程度越大,地裂縫的長度、寬度、深度也越大。

地裂縫; 網絡并行電法; 地電場響應; 模擬試驗

0　引言

隨著國民經濟的快速發(fā)展,我國多個地區(qū)地下水資源遭到過量開采,導致嚴重的地面沉降,而不均勻沉降又誘發(fā)了大量地裂縫,造成了嚴重的環(huán)境問題和重大的經濟財產損失[1-7]。因此,深入研究三維地質結構的土體地裂縫的成災機理和發(fā)育過程具有十分重要的科學價值和實際意義。

許多學者對地下水滲流過程中地電場參數的變化進行了研究,發(fā)現地電場特征對水的滲流有一定的指示作用[8-12]。當向土體注水時,土體的含水量發(fā)生變化,土體中的地裂縫形成了水流通道,水流沿地裂縫流動,使得電場中的陰陽離子發(fā)生轉移,進而引起土體電位和電流的變化。

本文在有基底潛山的地質環(huán)境和不均勻沉降的基礎上建立小型物理模型進行模擬研究,并應用網絡分布并行電法技術[13-14],通過對地電場數據的采集和處理來分析地裂縫發(fā)育演化的動態(tài)分布特征。

1　試驗模型設計

設計試驗模型如圖1所示。模型材料為有機玻璃,模型外觀為150 cm×100 cm×120 cm的長方體。模型箱底部潛山拱頂在圖1中位置為距左邊70 cm,高80 cm處。不均勻土層結構自下而上設計為:第一層為高40 cm的砂層;第二層左側采用40 cm的填土,右側下部采用相同的高6 cm的填土,上部采用34 cm高的黏土;最頂層采用高18 cm的填土與膨潤土的混合土。

試驗時采用AM野外數據采集方法,布置上下兩層電位變化監(jiān)測剖面,共使用32根測量電極和兩根無窮遠電極。具體設計為:下層O′A′B′C′剖面在Z=80 cm的XOY平面沿對角線布置電極,同一對角線上兩相鄰電極間距20 cm,兩端電極距模型箱對角點距離約18 cm;上層OABC剖面在模型表面土層按對角線布置電極,布置要求與下層相同。上下兩層測量電極的位置位于同一垂線上,電極編號及位置如圖2所示,括號內編號為下層剖面電極編號。并于模型表面土層中設置兩根公共電極。

圖1　YOZ平面剖面圖(單位:cm)Fig.1　Profile map of YOZ plane (Unit:cm)

圖2　XOY平面電極剖面圖(單位:cm)Fig.2　Electrode profile of XOY plane (Unit:cm)

2　注水過程中地電場響應

2.1自然電位響應規(guī)律

試驗中注水3 min后開始采集第一組試驗數據,并以該組數據采集的時間為起點(t=0 min)進行數據處理,其中0～6 min、12～ 25 min時注水。

為研究注水時地裂縫發(fā)育過程中自然電位的響應規(guī)律,從試驗數據中提取D1～D32號電極的自然電位數據,以D1電極為參照電極,畫出D2～D32自然電位隨時間變化的曲線(圖3)。試驗時D15、D16號電極數據出現明顯異常,下文分析中不予考慮。

圖3　自然電位隨時間的變化曲線Fig.3　The variation of sporctaneous potential with time

圖3顯示,自然電位響應很好地反映了試驗過程中注水-停水-注水-停水幾個階段。0～6 min第一次注水時,隨著土樣含水量的增加自然電位呈迅速上升的趨勢并達到一個極大值點;6 min時停止注水,自然電位迅速下降,實際注水時水流沿OA方向流動,隨后流向AB方向,停止注水后在Ⅱ區(qū)域還殘留有一些積水,導致D9、D27電極自然電位仍有持續(xù)上升趨勢;12 min時再次注水,水量的增加使自然電位持續(xù)上升;注水后期(約20 min時),模型達到飽和狀態(tài),自然電位達到一個最高值并逐漸趨于穩(wěn)定,其中有部分電極泡水后測量數據出現異常,導致自然電位出現下降趨勢,如D2、D5、D13、D14等;25 min時再次停止注水,隨著模型內水的滲流,模型進入非飽和狀態(tài),自然電位整體呈下降趨勢,但黏土層中水排出緩慢,自然電位下降不太明顯,下降幅度也較小。

觀察圖3中曲線可知,自然電位與水流的擴散具有明顯的關聯性。各測量電極自然電位變化曲線總體形態(tài)基本一致,注水時自然電位均出現極大值現象,主要是由于含水量的增加引起水壓的變化,進而造成土體沉降和裂縫的發(fā)育,形成電性異常。

2.2一次場電位響應規(guī)律

為研究注水時地裂縫發(fā)育過程中一次場電位的變化規(guī)律,從試驗數據中提取D1～D32號電極的一次場電位數據,以D1電極為參照電極,畫出D2～D32一次場電位隨時間變化的曲線(圖4)。

由圖4可以看出,一次場電位響應也較好地反映了試驗過程中注水-停水-注水-停水幾個階段。t=0 min 時一次場電位已處于一個較高位置,說明數據采集前受注水的影響,一次場電位已迅速上升至此位置,隨著水流變化,一次場電位保持相對穩(wěn)定狀態(tài);6 min時停止注水,一次場電位明顯下降,達到最低值后趨于穩(wěn)定;12～25 min再次注水時一次場電位整體呈上升趨勢,注水至模型飽和后達到極高值,其上升幅度與水流有較大關系,試驗時模型右側水量比左側大,右側電極先于左側電極達到一次場電位最高值,模型飽和后水開始向外滲流,一次場電位出現微小下降趨勢;25 min時停止注水,模型從飽和向不飽和狀態(tài)演變,一次場電位呈下降趨勢,下降幅度不明顯。

圖4　一次場電位隨時間的變化曲線Fig.4　The variation of primary field potential with time

觀察圖4中曲線可知,一次場電位大小與公共電極的位置有一定關系,從靠近公共電極的電極到遠離公共電極的電極一次場電位值逐漸升高。同時一次場電位的變化受水流影響較大,水流變化時,一次場電位會迅速達到一個穩(wěn)定值,并保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.3激勵電流響應規(guī)律

激勵電流即一次場電流,從試驗數據中提取D1～D32號電極的激勵電流數據,作出各電極激勵電流隨時間的變化,如圖5所示。

圖5　激勵電流隨時間的變化曲線Fig.5　The variation of excitation current with time

由圖5可以看出,激勵電流響應也反映了試驗過程中注水-停水-注水-停水幾個階段。t=0 min時激勵電流已處于一個相對較高的位置,說明數據采集前受注水的影響激勵電流已迅速上升至這個較高的位置,此后隨著水流的變化,激勵電流基本保持穩(wěn)定;6 min后停止注水,激勵電流有明顯的下降趨勢,下降至極低點后保持穩(wěn)定;12～25 min再次注水,激勵電流普遍有上升趨勢,至模型飽和后達到極高點,并保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。激勵電流對水流敏感程度較高,模型右側先注水區(qū)域的激勵電流比左側區(qū)域要先發(fā)生變化且先達到極高點,模型左側因土體產生較大裂縫形成導水通道,導致滲流嚴重,使得左側部分電極的激勵電流出現電性異常,呈現穩(wěn)定甚至下降的趨勢,如D8、D25、D32等;25 min再次停止注水時,模型由飽和狀態(tài)向不飽和狀態(tài)演化,激勵電流開始出現下降趨勢。

綜上可知,激勵電流的變化不受公共電極位置的影響,但對水流變化比較敏感,注水時激勵電流迅速上升至極大值點,停止注水后激勵電流會有下降趨勢。

2.4視電阻率圖分析

試驗中利用提取與解編后的視電阻率數據,采用三級法計算視電阻率,得到不同監(jiān)測剖面在不同時刻的視電阻率變化等值線圖,選取部分典型圖件進行分析(圖6、圖7)。圖中采用統(tǒng)一色標,下方區(qū)域為高阻區(qū),對應基底起伏,上方區(qū)域為低阻區(qū),對應水流區(qū)域。參數設置時橫坐標以0.2、0.4、0.6、……、1.6標記電極位置,各橫坐標對應的電極號如圖6(a)和圖7(a)所示。

試驗注水時,水流最開始流在Ⅰ區(qū),隨后經Ⅱ區(qū)流向Ⅲ區(qū)。圖6(b)顯示OB剖面0 min時在土體深度20 cm處D24～D21號電極測得視電阻率低于70 Ω·m,而D20～D17號電極視電阻率低于90 Ω·m,說明此位置水流影響還不明顯。6 min停止注水時,水流繼續(xù)向土體滲透,視電阻率繼續(xù)下降,大部分視電阻率低于70 Ω·m。12 min再次注水后,視電阻率迅速下降至50 Ω·m以下。從16 min 的視電阻率圖可以看到在橫坐標0.6位置附近等值線圖出現明顯的彎曲,大概位于模型的D22號電極處,正好與大裂縫F2位置基本一致。34 min時隨著水流的滲透,土體內各個位置的視電阻率明顯低于注水前視電阻率,橫坐標1右側位置處等值線的彎曲對應了模型Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)交界處出現的小裂縫。

圖7(b)顯示CA剖面0 min時在土體深度20 cm處D32～D25號電極視電阻率變化比較均勻,都低于90 Ω·m。6 min停止注水時,視電阻率下降比較緩慢。12 min再次注水后,Ⅰ區(qū)水量較大,沉降量較大,表現為視電阻率迅速降低至 50 Ω·m以下。20 min時隨著水流的滲透,模型Ⅱ區(qū)出現小裂縫,與圖中橫坐標為1.2(D27左右)等值線彎曲的位置相對應。試驗后期,土體內各個位置的視電阻率都明顯低于注水前視電阻率,可視范圍內最低視電阻率低于30 Ω·m,最高不超過190 Ω·m。

圖6　OB剖面視電阻率圖Fig.6　The apparent resistivity map of OB profile

圖7　CA剖面視電阻率圖Fig.7　The apparent resistivity map of CA profile

3　結論

本試驗利用小型模型模擬注水條件下不均勻沉降對地裂縫發(fā)育的影響,應用網絡分布并行電法勘探系統(tǒng)對試驗數據進行分析,結合試驗現象對試驗結果進行比較,得到以下結論:

(1)土體中電位、電流和電阻率的大小與土體含水量密切相關,隨著土體中含水量的改變,土體的自然電位、一次場電位、激勵電流和視電阻率發(fā)生急劇變化。滲流過程中,視電阻率隨土體含水量的增大而減小,視電阻率變化較大區(qū)域,土體的變形量也較大。

(2)不均勻沉降導致土體中裂縫的產生,視電阻率變化等值線圖表明在曲線曲率值較大位置容易產生不均勻沉降和裂縫。

References)

[1]王景明.地裂縫及其災害的理論與應用[M].西安:陜西科學技術出版社,2000.

WANG Jing-ming.Theory of Ground Fissures Hazard and Its Application[M].Xi'an:Shaanxi Science and Technology Press,2000.(in Chinese)

[2]武強,陳佩佩.地裂縫災害研究現狀與展望[J].中國地質災害與防治學報,2003,14(1):22-27.

WU Qiang,CHEN Pei-pei.Research on State of Art and Prospect of Earth Fissures[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2003,14(1):22-27.(in Chinese)

[3]殷躍平,張作辰,張開軍.我國地面沉降研究現狀及防治對策研究[J].中國地質災害與防治學報,2005,16(2):1-8.

YIN Yue-ping,ZHANG Zuo-chen,ZHANG Kai-jun.Land Subsidence and Counter Measures for Its Prevention in China[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2005,16(2):1-8.(in Chinese)

[4]武強,陳佩佩,張宇,等.我國城市地裂縫災害問題與對策[J].中國地質災害與防治學報,2002,13(2):70-79.

WU Qiang,CHEN Pei-pei,ZHANG Yu,et al.The Problem and Countermeasure of Ground Fracture in City[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2002,13(2):70-79.(in Chinese)

[5]謝廣林.地裂縫[M].北京:地震出版社,1988.

XIE Guang-lin.Ground Fissure[M].Beijing:Seismological Press,1988.(in Chinese)

[6]王景明.黃土構造節(jié)理的理論及其應用[M].北京:水利水電出版社,1996.

WANG Jing-ming.Theory and Application of the Loess Tectonic Joints[M].Beijing:China Water Power Press,1996.(in Chinese)

[7]王景明,劉貫一,王春梅.我國地裂縫災害對城市建設的危害[J].國土資源與環(huán)境,2001,57(3):28-30.

WANG Jing-ming,LIU Guan-yi,WANG Chun-mei.Harm of Ground Fissures to Urban Construction in Our Country[J].Land and Resources and the Environment,2001,57(3):28-30.(in Chinese)

[8]鄭燦堂.土壩自然電場的分布特點[J].地球物理學進展,2006,21(2):665-669.

ZHENG Can-tang.Distributing Characters of Dam Spontaneous Electric Field[J].Progress in Geophysics,2006,21(2):665-669.(in Chinese)

[9]鄭燦堂.應用自然電場法檢測土壩滲漏隱患的技術[J].地球物理學進展,2005,20(3):854-858.

ZHENG Can-tang.The Technique to Detect the Leakage of Dam by Applying the Spontaneous Electric Field[J].Progress in Geophysics,2005,20(3):854-858.(in Chinese)

[10]劉盛東,王勃,周冠群,等.基于地下水滲流中地電場響應的礦井水害預警試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2009,28(2):267-272.LIU Sheng-dong,WANG Bo,ZHOU Guan-qun,et al.Experimental Research on Mine Floor Water Hazard Early Warning Based on Response of Geo-electric Field in Groundwater Seepage[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(2):267-272.(in Chinese)

[11]吳榮新,劉盛東,周冠群.高分辨地電阻率法探測煤礦地質異常體[J].煤炭科學技術,2007,35(7):33-38.

WU Rong-xin,LIU Sheng-dong,ZHOU Guan-qun.High-resolution Ground Electric Resistance Rate Method to Probe Unusual Mass in Mine Geology[J].Coal Science and Technology,2007,35(7):33-38.(in Chinese)

[12]劉盛東,吳榮新,張平松,等.三維并行電法勘探技術與礦井水害探查[J].煤炭學報,2009,34(7):927-932.

LIU Sheng-dong,WU Rong-xin,ZHANG Ping-song,et al.Three-dimensional Parallel Electric Surveying and Its Applications in Water Disaster Exploration in Coal Mines[J].Journal of China Coal Society,2009,34(7):927-932.(in Chinese)

[13]劉盛東,劉士剛,張平松,等.網絡并行電法儀與穩(wěn)態(tài)電法勘探方向[J].中國科技成果,2007,24(7):31-36.

LIU Sheng-dong,LIU Shi-gang,ZHANG Ping-song,et al.Network Parallel Electrical Instrument and Steady Electric Prospecting Direction[J].Chinese Scientific and Technological Achievements,2007,24(7):31-36.(in Chinese)

[14]龔緒龍,孫強,張衛(wèi)強,等.基底潛山對土體失水收縮開裂動態(tài)過程影響的試驗研究[J].地震工程學報,2015,37(1):11-15.

GONG Xu-long,SUN Qiang,ZHANG Wei-qiang,et al.The Influence of a Buried Hill in Basement on the Dynamic Process of Cracking due to Soil Desiccation[J].China Earthquake Engineering Journal,2015,37(1):11-15.(in Chinese)

Simulation Test of Ground Fissures Based on Geoelectric Field Response

MEI Qin-qin1,DENG Shu2,ZHANG Wei-qiang1,3,TANG Xin1

(1.Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster,Ministry of Land and Resources, Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing 210049,Jiangsu,China;2.Land Reserve Center,Xuzhou Bureau of Land and Resources,Xuzhou 221006,Jiangsu,China;3.School of Resources and Earth Science,China University of Mining and Technology,Xuzhou,221116,Jiangsu,China)

With development of the national economy,groundwater resources have been over-exploited in many areas of the country,which has led to serious problems in land settlement.Uneven settlement has induced many ground fissures,resulting in serious environmental problems and considerable economic loss.It is therefore extremely important to conduct studies on the three-dimensional geological structure of uneven settlement and ground fissures.In this paper,a network parallel electrical prospecting system is used with a physical model of a basement buried within a hill,to determine and measure the response of the geoelectric field during the process of soil cracking under the condition of water injection.Results show that changes in electric potential,current,and resistivity in the soil are closely related to water content,together with changes in the soil water content,electric potential,excitation potential,excitation current,and apparent resistivity change sharply.When water flows through the soil,the spontaneous potential,primary field potential,and exciting current rise quickly,but apparent resistivity sharply decreases.In addition,when apparent resistivity is large,soil deformation is also large,and there is danger of the development of ground fissures.Monitoring of electrical parameters can thus be used to warn of impending disasters.The inversion information obtained from the network parallel electrical prospecting system in this experiment shows that it is easy to induce uneven settlement and cracks at points of large curvature.The greater the degree of uneven settlement,the greater the length,width,and depth of the crack.The use of a network parallel electrical prospecting system for determining ground fissures is a novel idea that produces good results,and can be used as a reference in future research or to provide a new method and perspective for predicting geological disasters.

ground fissures; network parallel electrical method; response of geoelectric field; simulation test

2015-08-04

國土資源部行業(yè)科研專項“蘇南平原區(qū)地裂縫成因機制及預警研究”(201411096)之子課題;國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室開放基金

梅芹芹(1986-),女,碩士,工程師,主要從事巖土體變形機理和區(qū)域工程地質方面的研究。E-mail:m19860618@126.com。

鄧舒(1989-),女,碩士,主要從事工程地質和地質災害方面的研究。E-mail:928015444@qq.com。

P631.3

A

1000-0844(2016)04-0652-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0652