河道巖溶勘察并行電法多維成像技術(shù)應(yīng)用研究

李紅文，龔敦紅，余斐，譚磊，徐東海

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，浙江 杭州 310020；4.溫州工程勘察院有限公司，浙江 溫州 325006；5.溫州龍達(dá)圍墾開發(fā)建設(shè)有限公司，浙江 溫州 325006)

河道巖溶勘察并行電法多維成像技術(shù)應(yīng)用研究

李紅文1，2，3，龔敦紅4，余斐1，2，3，譚磊1，2，3，徐東海5

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，浙江 杭州 310020；4.溫州工程勘察院有限公司，浙江 溫州 325006；5.溫州龍達(dá)圍墾開發(fā)建設(shè)有限公司，浙江 溫州 325006)

針對江山港巖溶區(qū)某段河道內(nèi)可能存在的隱伏溶蝕體，提出了采用擬地震化供電方式且同步采集海量數(shù)據(jù)的并行電法為主要探測技術(shù)手段，并結(jié)合鉆孔揭露資料，分析了巖溶體在河道兩岸下方的平面展布，進(jìn)一步預(yù)測河床底部區(qū)地層的構(gòu)造特征。試驗研究表明：二維視電阻率斷面揭示出整個測線控制區(qū)域的巖溶體的二維分布，有效地勾勒出溶蝕洞體在垂面上的埋深、大小及規(guī)模等信息；考慮到兩岸溶洞在河床底部的關(guān)聯(lián)性問題，提取不同深度的電阻率立體化切片，直觀地顯示出河道兩岸溶洞在垂向上分布高程不一、大小差異明顯以及右岸溶洞在河床內(nèi)延展但并未貫通至左岸的特點，研究成果為流域綜合治理以及后期運行維護(hù)提供科學(xué)地技術(shù)支撐。

水利工程；并行電法；隱伏巖溶；巖溶勘察；三維電阻率

0引言

河流是城市群落、田園鄉(xiāng)野重要的水域聯(lián)系紐帶，承載行洪、灌溉、供水、航運、景觀等多重復(fù)合型功能屬性[1]，開展小流域的綜合整治工作有助于提高人們的生活品質(zhì)，建設(shè)美麗鄉(xiāng)村，改善生存環(huán)境，以期實現(xiàn)“水清、流暢、岸綠、景美”的總體生態(tài)健康目標(biāo)[2-3]。為有針對性地科學(xué)地進(jìn)行河道整治工程的規(guī)劃設(shè)計，對河道段實施前期的工程地質(zhì)勘察工作是基礎(chǔ)，以期查明該區(qū)的巖土層分布及存在的不良工程地質(zhì)問題。我國的巖溶發(fā)育分布較為廣泛，造就奇特自然景象的同時，也給工程的安全實施帶來系列地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，尤其遇到地下水位升降和人類抽排地下水共同導(dǎo)致隱伏巖溶區(qū)在地面塌陷的現(xiàn)象[4]。因此，在巖溶地區(qū)河道工程治理中有必要明確不良巖溶體的分布特征，降低巖溶塌陷和地表水漏失引發(fā)工程災(zāi)害的風(fēng)險。目前，河道勘察手段主要以鉆探為主，而分散的鉆孔取樣資料往往只是“一孔之見”，尤其遇到地質(zhì)條件比較復(fù)雜，巖土層變化頻繁，僅憑有限鉆孔難以全面有效地查明地質(zhì)異常區(qū)的分布、延展、規(guī)模及形態(tài)情況[5-6]，況且鉆孔布置也存在主觀盲目性。

隱伏性巖溶隱患具有地質(zhì)體空間的隨機隱蔽性、分布規(guī)律性差及時空的不確定性等特點[7-9]，開展超前預(yù)報[10]、預(yù)測是治理巖溶的難點和關(guān)鍵。巖溶地區(qū)河道隱患的查找，不僅要明確兩岸下部溶洞的發(fā)育情況，也要對兩岸溶洞之間是否具有貫穿性有一定的認(rèn)識，目前工程勘察主要采用二維成像技術(shù)反映出觀測系統(tǒng)下方地質(zhì)體的分布規(guī)律，而溶洞在空間上表現(xiàn)為三維幾何地質(zhì)體[11]，急需一種可以針對河床底部空間內(nèi)縱橫向不良地質(zhì)體有效查明的方法[12]?；诖朔矫嫜芯坎蛔?，筆者采用并行電法測試技術(shù)對江山港巖溶區(qū)開展探測工作，利用多維成像技術(shù)全方位查明兩岸及河床段巖溶的分布情況，結(jié)合對異常區(qū)布鉆取樣驗證，提高了對河道巖溶分布的認(rèn)識，為后期施工設(shè)計提供了科學(xué)的指導(dǎo)。

1并行電法測試原理及成像技術(shù)

1.1并行電法技術(shù)

高密度電法是根據(jù)巖土體介質(zhì)之間的電阻率值差異為地球物理前提，利用專門儀器依次只記錄相應(yīng)的電流極與電壓道之間相互組合形成的地電數(shù)據(jù)體，而線路上其余電極處于閑置狀態(tài)，成果以電阻率色譜圖的形式展現(xiàn)出巖溶體的分布信息[13]。并行電法吸收了地震勘探中數(shù)據(jù)采集的思想，改進(jìn)了傳統(tǒng)高密度電法拘泥于分裝置串行采集的弊端，實現(xiàn)了并行、高效、大數(shù)據(jù)瞬時獲取的新理念，發(fā)揮出面向?qū)ο蟮娜妶鰯?shù)據(jù)同步采集的優(yōu)勢。并行電法有AM法和ABM法兩種供電方式，采集過程中，按照一定協(xié)議發(fā)布供電命令，讓任意電極處于供電狀態(tài)，則其余測量電極同時處于電壓采樣狀態(tài)，根據(jù)需要可任意提取高密度電法的所有排列形式以及海量的自然場、一次場、二次場等全場的地電信息。

AM法采用單個點電源供電，測線上所有電極(除A供電電極之外)都處在點電源形成的人工電場中，B電極只具有構(gòu)成電流回路的作用而被置于無窮遠(yuǎn)處。圖1是AM法的采集方式示意，當(dāng)1號電極供電時，2，3，…，n-1，n號電極同步采集電位數(shù)據(jù)；當(dāng)2號電極供電時，1，3，…，n-1，n號電極同步采集電位數(shù)據(jù)，依次供電與采集排列組合，直到供電電極為n時結(jié)束。所有采集到的電位數(shù)據(jù)與參比電極N作歸一化電位差處理，可得到二極、三極以及高分辨地三維數(shù)據(jù)體，多次覆蓋式全場測量壓制了噪聲的干擾，提高了解譯的精度。相比高密度電法，在同樣的時間內(nèi)，64通道并行采集是串行采集的視電阻率的數(shù)據(jù)量的1 365倍[14]，大大提高了工作效率和成果的解譯信息量。

圖1AM法工作方式原理Fig.1Working principle of AM method

1.2河床底部立體化成像方法

基于河道屬于特殊的線性工程，勘察工作既要注重對兩岸隱伏的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象準(zhǔn)確把握，同時還要達(dá)到兼顧明確河床段底部是否存在工程隱患的目的。電阻率法中的常規(guī)觀測系統(tǒng)的布設(shè)方式只能反映剖面信息，為確保電流場覆蓋整個河床底部，并行電法采用具有高分辨地多次覆蓋識別地下洞體的三維布極模式[15]。圖2為三維觀測系統(tǒng)的單極-偶極布設(shè)示意。一般在測試過程中首先選擇河道一側(cè)布設(shè)電極電纜線，而B極被置于對岸中部附近作為參與計算的供電回路電極，利用并行電法儀采用AM法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測線上的所有電極依次與B極形成穩(wěn)恒的地電場，其余電極同步瞬時采集地電數(shù)據(jù)，供電電極與測量電極之間的掃描測量，形成具有扇形幾何體狀多次覆蓋的立體電場空間體。通過交換兩岸的布設(shè)電極，實現(xiàn)了對河岸及河床底部地質(zhì)特征的多次覆蓋式觀測，獲得了各測點的自然電場、一次場和二次場電位的時空變化特征，有助于提升電法探測效率及精度。建立合適的坐標(biāo)系統(tǒng)，對得到的地電數(shù)據(jù)按照實際位置進(jìn)行統(tǒng)一坐標(biāo)賦值，通過網(wǎng)格差分重構(gòu)計算可還原出地質(zhì)體在三維空間上的電場分布規(guī)律[16]，結(jié)合勘察區(qū)地質(zhì)資料、揭露出的鉆孔信息，進(jìn)而預(yù)測出河道中隱伏的不良地質(zhì)體范圍﹑埋深﹑大小以及貫通性。

圖2并行三維電法觀測系統(tǒng)Fig.2Observation system of 3D parallel electrical method

一般地，海量的并行電法數(shù)據(jù)體在反演計算過程中，由于相鄰單元間電阻率值差異較大和反演參數(shù)較多，使得最終迭代成果的電阻率值呈非唯一性收斂。通過在反演求解過程中加入光滑約束條件來改善計算的穩(wěn)健性和可靠性，進(jìn)而得到較為滿意的電性構(gòu)造結(jié)果，則有如下平滑度約束反演算法[17]：

(GTG+λCTC)Δm=GTΔd

(1)

式中：G為Jacobi矩陣；C為模型光滑矩陣；λ為阻尼因子。

通過求解Jacobi矩陣及大型矩陣逆的計算，來求取各三維網(wǎng)格的電性數(shù)據(jù)。殘差向量Δd的大小采用均方根誤差RMS來衡量，并作為反演收斂的標(biāo)準(zhǔn)。通過不斷地循環(huán)迭代改正，直至最終模型的計算視電阻率和觀測視電阻率數(shù)據(jù)的誤差達(dá)到滿意程度。

2工程應(yīng)用實例

以江山港河道勘察為例，采用并行電法技術(shù)開展區(qū)段巖溶調(diào)查，利用鉆探揭露驗證，進(jìn)一步說明技術(shù)的適用性和有效性。

2.1工區(qū)概況及測線布置

江山港是錢塘江上游衢江右岸的第一條支流，干流全長134 km，是信安湖和錢塘江源頭之一。為保障兩岸人民的生產(chǎn)財產(chǎn)安全，加快城市化建設(shè)進(jìn)程，改善水環(huán)境質(zhì)量，開展江山港河道綜合治理工程。江山港地層內(nèi)主要出露基巖有一上白堊統(tǒng)南雄組上段(K2n2)、下段(K2n1)紫紅色砂巖、侏羅系上統(tǒng)鵝湖嶺組d段(J3ed)熔結(jié)凝灰?guī)r、上二疊統(tǒng)霧霖山組下段(P2w1)石英砂巖、中石炭統(tǒng)藕塘底組(C2o)灰?guī)r夾泥巖及第四系地層。在豐足溪下游及達(dá)嶺溪基巖為埋深較淺的灰?guī)r夾泥巖且受侵蝕嚴(yán)重，可能形成局部或者大面積巖溶溶洞，擬采用并行電法對該段開展探測工作，以期查明河道是否存在溶槽、溶洞和破碎帶等不良地質(zhì)體，也為鉆探布置提供更合理的靶區(qū)。

圖3測線布置示意Fig.3Layout of exploration line

測線布置如圖3，在河道a側(cè)(右側(cè))布設(shè)電法測線CX1，電極間距為1 m，自上游至下游依次布設(shè)電極道1#～64#，B1極至于b岸(左岸)測線中心位置距測線垂距長26 m；左岸測線CX2同理。本次探測儀器采用WBD-1型并行電法儀，采樣方式為AM法，供電時間500 ms，采樣間隔50 ms，單次采集64通道僅需96 s即可完成高分辨地電探數(shù)據(jù)體的收錄。測試時，河水位距岸頂高差為3.8 m，河底深度距岸頂4.5 m。

2.2探測結(jié)果分析

2.2.1二維電阻率斷面

圖4左右岸河道的視電阻率等值線Fig.4Contour map of apparent resistivity of left and right banks of the river course

現(xiàn)場測試的激勵電流和一次場電位數(shù)據(jù)，經(jīng)過配套的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解編、電極坐標(biāo)、噪聲剔除、視電阻率計算得到測線剖面上二維視電阻率斷面見圖4。分別以每條測線起點為坐標(biāo)(0，0)，沿測線布置方向為剖面長度L的正方向(由左向右，下同)，豎直向下為探測深度H的負(fù)方向。圖4(a)是河道右岸的視電阻率色譜圖像，除地面表層受散落碎石干擾影響，造成局部出現(xiàn)阻值較大外，整體上視電阻率值小于80 Ω·m；測線上0～30段視電阻率相對較低且呈斜條帶狀向右下方深部延展，可能為巖土體破碎富水所致。圖4(b)成果圖相較于圖4(a)視電阻率圖像整體分布較為均勻，10 m以下巖體連續(xù)性較好，不過圖像測線上20～30 m段，埋深20 m以下出現(xiàn)相對于周圍的低阻突變現(xiàn)象，可能在河床底部發(fā)生巖土體性質(zhì)的改變。綜合河岸兩條測線成果，可以看出河岸下方的右側(cè)段相比于左側(cè)視電阻率連續(xù)性較好且阻值較大，左側(cè)可能存在巖溶發(fā)育的不良地質(zhì)現(xiàn)象。二維視電阻率剖面對河岸兩側(cè)下伏地層電性特征有較好的反映，但對河床內(nèi)的地層分布及巖溶發(fā)育現(xiàn)象缺乏較全面科學(xué)地認(rèn)識。

2.2.2三維電阻率成像

對左右岸所測得的AM法數(shù)據(jù)體進(jìn)行常規(guī)解編，選取右岸1#電極(0，0，90.26)為三維空間的基點，取水流方向為測線長度的正方向，取指向?qū)Π稙榫€距正方向。各電極點按照相應(yīng)于基點的空間位置賦予坐標(biāo)值，有序拼接成軟件識別的文件格式。如圖5，利用EarthImage3D軟件反演計算得到的河道立體空間地電場展布圖，圖像上直觀的顯示出兩岸及河床的起伏地形，河床深度為85.7 m，左右岸河岸寬分別為3 m。從圖5可以看出，沿水流方向上河床段電阻率值較大，高、低阻異常區(qū)分布清晰，易于判斷出巖溶地層在河床段的發(fā)育情況。圖6是反演迭代計算過程中，RMS誤差和L2泛函隨迭代次數(shù)增加的趨勢線，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到可接受次數(shù)(N=4)時，均方根誤差僅為7.45%，顯然采用平滑度約束反演算法可有效的壓制河岸地表不均勻體、起伏地形以及河水等噪聲的干擾，降低產(chǎn)生虛假構(gòu)造的可能性。

圖5河道三維電阻率結(jié)果圖像Fig.53D resistivity image of river course

圖6反演誤差與迭代次數(shù)的關(guān)系Fig.6Relationship between inversion error and iteration times

2.3成果分析

圖7為河床底部下方不同深度的電阻率水平切片，較為清晰的反映出河床底部地層沿垂直方向上的變化態(tài)勢。

圖7三維電阻率水平切片F(xiàn)ig.73D resistivity of horizontal section

第1切片(從上向下)電阻率值整體較低，可能受河水影響，反映的是河床淺層的地質(zhì)信息；第2切片、第3切片中右岸左側(cè)段電阻率值相對較低且低阻區(qū)域有向左岸延展的趨勢，可能該段存在局部巖溶段且向左岸溶蝕，河床右側(cè)段高阻區(qū)呈片狀分布；在第4切片中右岸左側(cè)區(qū)阻值開始增大，顯示出孤立的高阻區(qū)，可能存在局部溶洞現(xiàn)象?？傮w而言，探測段電阻率值較低主要分布在35～120 Ω·m，由淺及深高阻區(qū)域逐步擴大且連成一片，相較于右側(cè)電阻率形態(tài)較為規(guī)則、連續(xù)，左側(cè)不同高度的電阻率曲線變化不一，局部出現(xiàn)明顯的低阻。據(jù)此結(jié)合兩岸的二維視電阻率成果，分布在左右岸兩側(cè)位于測線上17 m處布設(shè)鉆孔驗證孔FZS01、FZS02，鉆探結(jié)果如圖8。

圖8鉆孔FZS01、FZS02巖芯柱狀圖Fig.8Histogram of FZS01 and FZS02 drilling core

圖8為FZS01、FZS02鉆孔柱狀圖，其中FZS01鉆孔孔深26 m，在孔深18.9 m處出現(xiàn)灰?guī)r層，下伏層高程68.43和66.33 m處分別存在兩處垂高為0.5 m和0.9 m溶蝕段，內(nèi)部主要被碎石、黏土等雜物充填；鉆孔FZS02中也存在兩處溶洞，其中12.4～16.8 m存在大規(guī)模的巖溶洞穴，鉆探過程中出現(xiàn)掉鉆、鉆孔內(nèi)水位明顯下降及渾水等現(xiàn)象。試驗表明鉆探驗證資料與物探成果吻合度較好。

3結(jié)論

1) 并行電法技術(shù)采用擬地震化的數(shù)據(jù)收錄模式，同步快速的獲取地質(zhì)體海量的地電數(shù)據(jù)體，為有效的開展覆蓋性巖溶區(qū)河道多維電法勘察提供了新的技術(shù)手段。

2) 對巖溶區(qū)河道探測試驗表明，二維視電阻率圖像可有效的反映出右岸溶洞埋藏較淺且洞徑較左岸較大；三維立體化反演更全面準(zhǔn)確的揭示出整個測區(qū)內(nèi)的巖溶分布，右岸溶洞向河床內(nèi)延展但未抵達(dá)左岸，測試成果與實地鉆探驗證結(jié)果一致。

3) 三維電阻率成像在平滑度約束反演計算中，決定最優(yōu)的反演成果與初始模型、圓滑系數(shù)、阻尼因子以及層厚度等因素的恰當(dāng)選取有較大關(guān)聯(lián)，結(jié)合有關(guān)的鉆孔資料作為反演計算的約束條件對提高解譯水平大有裨益。

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(責(zé)任編輯：譚緒凱)

Application of Parallel Electrical Method and Multi-dimensional Imaging Technology in River Cavern Survey

LI Hongwen1，2，3，GONG Dunhong4，YU Fei1，2，3，TAN Lei1，2，3，XU Donghai5

(1.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary,Hangzhou 310020,Zhejiang ,P. R.China;2.Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co.,Ltd.,Hangzhou 310020, Zhejiang ,P. R. China;3.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Water Conservancy Disaster Prevention and Reduction,Hangzhou 310020,Zhejiang ,P. R.China; 4.Wenzhou Engineering Investigation Institute Co.,Ltd.,Wenzhou 325006, Zhejiang ,P. R. China;5.Wenzhou Longda Reclamation and Development Construction Co. ,Ltd.,Wenzhou 325006, Zhejiang ,P. R. China)

As for the possible concealed corrosion body that may exist at certain section of watercourse in Jiangshan Port karst area，the parallel electric method which adopted quasi-earthquake power supply mode and synchronous acquisition of a huge amount of data was proposed as the main means of detection technology.Besides，combining with drill disclosure data，the plane distribution of karst body under the sides of watercourse was analyzed.The structure characteristics of the riverbed bottom area were further predicted.According to the experimental study results，it is indicated that two-dimensional apparent resistivity section reveals the two-dimensional distribution of the karst body in the whole exploration line control area，which effectively outlines the buried depth，size and scale of corrosion body piercing in the vertical plane.Because of the correlation of karst caves of both sides at the bottom of the riverbed，the three-dimensional sections of resistivity with different depth were extracted，which intuitively showed that both sides of karst caves were obviously different in elevation and size on vertical distribution; the right bank of karst caves extended within the riverbed，but it didn’t reach the left bank.The research results provide scientific and technical support for the comprehensive reclamation and later operation maintenance of the river basin.

hydraulic engineering; parallel electrical method; covered karst; cavern survey; 3D resistivity

P631

A

1674-0696(2017)10-056-06

2016-10-25；

2017-05-12

水利部技術(shù)示范項目(SF-201725);浙江省省屬科研院所專項計劃(2014F50016);浙江省水利河口研究院院長基金項目(ZIHE2016014);浙江省科技廳重點計劃研發(fā)項目(2017C03008);浙江省水利廳科技計劃項目(RC1543);浙江省科技廳院所扶持專項項目(2016F50003)

李紅文(1970—)，男，河南平頂山人，高級工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察方面的研究。E-mail：496962410@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.10