基于跨孔电阻率c法的地下溶洞分布特征研究

基于跨孔电阻率c法的地下溶洞分布特征研究

0地下隐蔽岩溶条件近年来，中国经济快速发展，城市化进程加快。为了让交通便利，许多大型和中型城市都积极申请地铁项目。但在地铁的建造过程中常会遇到岩溶问题，岩溶洞穴顶板的变形易造成地基失稳，溶洞塌落形成地表塌陷等危害，其所造成的危害往往是突发性和不可预测性的，因此精准探测地下隐蔽岩溶条件是修建城市地铁过程中首要解决的问题。目前，探测地下溶洞常用的方法有电阻率法本文利用跨孔电阻率CT法进行数值模拟，通过改变孔深和孔距的比例、电极距、模型位置等参数，分析溶洞同时充填水、气两种介质时的电阻率响应特征，同时研究充水量逐渐增加过程中的电阻率响应规律，以期为跨孔电阻率CT法探测溶洞提供判定依据，更加准确查找溶洞，减少误判。1地下岩溶发育区跨孔电阻率CT是以介质电性差异为基础，通过研究与电性有关的人工直流电场分布规律，达到勘探地质构造和寻找矿产资源的地球物理勘探方法地下岩溶发育区在形成过程中常由于裂隙水、地下水的存在而充填水或充填黏性土，当溶洞充水时，因水的电阻率较小，围岩介质为相对完整灰岩，其电阻率较高，溶洞相对于围岩表现为低阻特征；当溶洞充填物为空气时，其电阻率极高，相对于围岩表现为高阻特征，为跨孔电阻率CT提供了物性基础。2不同充填介质数值模型的建立正反演数值模拟基于AGI二维软件平台，正演模拟采用有限元法，反演计算采用最小二乘法，构建充水溶洞、部分充水溶洞（1/4充水、1/2充水、3/4充水）和充气溶洞5种溶洞模型，数值模拟基本条件如表1。为研究不同充填介质下的溶洞在孔间距、电极距及溶洞位置改变时的电性响应特征及其变化规律，共构建了15组数值模型（每组均包括上述的5种溶洞模型），其模型中不同介质电阻率参数设置为：充水介质10Ω·m、充气介质2000Ω·m、围岩背景值200Ω·m。通过分析不同孔间距、不同电极距和不同位置溶洞模型的电阻率响应特征，总结溶洞充填水、气两种介质及充水量增加时的电阻率变化规律。2.1不同充水程度及充水情况下岩溶化学性状分析两孔之间的距离会影响跨孔电阻率CT的分辨能力，过大的孔间距会降低探测的分辨率，影响溶洞规模的判定，过小的孔间距将会加大工作量，影响工作效率。因此，设计不同孔距的5组溶洞模型，模型参数如表2，模型位置如图2所示。图3展示出孔距为10m时的溶洞不同充水程度反演成像结果，由图3可知，跨孔电阻率CT法对5组溶洞模型的探测效果明显，异常的位置、大小与溶洞模型均一致，且能够区分溶洞的水、气介质分界线。分界线之上为高阻异常区，分界面之下为低阻异常区，其范围分别与溶洞上部充气、下部充水范围相对应。其中，由于构建模型受边界条件的影响，会产生一些围岩背景出现高阻或低阻异常，但这些异常区的影响不明显。为更加直观地观察溶洞模型随着充水程度及孔距变化的响应规律，抽取了不同孔距下溶洞模型中心处一维测深数据，绘制出各种孔距时溶洞不同充水程度的一维测深曲线对比图（图4）。结合图3与图4，全充气（水）溶洞的探测效果最佳，其电阻率响应与周围介质差异最明显，随着充水量的增加，低阻响应逐渐增强，高阻响应逐渐减弱，且低阻区范围向上部扩大；当充水量占1/2时，最高电阻率明显减小，低阻范围增大到与高阻范围大致相等；充水量增加到3/4时，高阻响应需要反演计算结合测深曲线才能有效判断。由此表明跨孔电阻率CT法探测溶洞充填多种介质效果良好。由图4可发现，孔距不同时，5种溶洞模型的电阻率响应在深度方向上的变化趋势基本一致，表现为均匀介质中较稳定，在溶洞位置处视电阻率增加（充气）或减少（充水）。对比图4a、b、c、d，发现孔距对该方法的影响很大，随着孔距的增加，溶洞的响应逐渐减弱。其中，6m和10m孔距的溶洞响应效果较好，其溶洞充填介质水气分界面电阻率差异分别为1279.4Ω·m、81.2Ω·m（已充填1/2水为例），能够明显分辨溶洞的充水、充气空间位置和大小；当孔距为16m、20m时，溶洞响应减弱，水气分界面电阻率差异降至12.8Ω·m、9.8Ω·m，不同充填介质下的溶洞响应特征与围岩介质的响应差异不明显，无法有效分辨充填多种介质的溶洞；当孔距增加到25m时，溶洞水气分界面电阻率差异仅为4.8Ω·m，更加无法区分充填多种介质的溶洞。由此可认为，采用跨孔电阻率CT法进行探测时，当孔距与孔深比值小于3/4时能有效分辨单一充填溶洞，当溶洞充填多种介质时，其比值建议小于1/3。2.2不同充填状态的特征设计不同电极距对充填不同介质的溶洞模型进行正反演数值模拟，研究电极距对溶洞的影响规律模型参数如表3。图5展示出电极距为0.5m时的溶洞不同充水程度反演成像结果。图6为不同电极距下溶洞中心处一维测深曲线图。由图5、图6可知，跨孔电阻率CT法对5种溶洞的探测效果较好，异常的位置、大小与溶洞模型均一致；溶洞的充气、充水量影响成像结果电阻率，充水量越多，对应部分的成像电阻率值越小；当溶洞充水比例分别为1/4、1/2和3/4时，反演结果中高阻区与低阻区的分界线埋深分别为17m、16m和15m，与模型设定的水气分界线基本一致。这表明跨孔电阻率CT法可识别溶洞不同的充填状态，能够根据反演结果进行解释与判定溶洞的充填状态。再分析图6可知，溶洞电阻率的响应随着电极距的增加逐渐减弱，电极距越大，溶洞电阻率的响应越弱。电极距为0.5m、1m时，溶洞水气分界面电阻率差异分别为139.58Ω·m、107.8Ω·m，差异较明显，探测效果较好。电极距为2m时，溶洞水气分界面电阻率差异减小至40.51Ω·m，低阻区开始向深部偏移；随着电极距增加到3m，溶洞电性响应变弱，高阻区向浅部扩大，溶洞水气分界面电阻率差异减小至20.05Ω·m；当电极距增加到4m时，异常范围向浅部和深部同时扩大，部分充水溶洞响应变得微弱，水气分界线模糊不清，难以有效分辨其分界线及溶洞充水量；6m极距时溶洞响应进一步减弱，但还可分辨单一充填溶洞。上述问题反映出电极距增大，采集到的数据量变少，会导致探测的精度降低。跨孔电阻率CT法探测充填多种介质的溶洞电性响应时，建议电极距选择为溶洞大小的一半。2.3不同溶洞特征构建溶洞与钻孔及地面不同位置模型，其中模型参数为：孔深为32m、孔间距为10m、电极距为0.5m、溶洞模型大小为3m×4m；模型中心位置分别为：第12组模型：溶洞1(5,4）、第13组模型：溶洞2(5,10）、第14组模型：溶洞3(5,16）、第15组模型：溶洞4(2.5,16）（图7）。图8为溶洞4模型反演计算结果。图8a和图8e均有一方形异常区域，分别为高阻区和低阻区，是充水溶洞和充气溶洞的成像结果。图8b-图8d成果图中均有一高阻区和一低阻区。其中，图8b中低阻区范围大致为高阻区范围的1/4，对应溶洞充1/4水；图8c中低阻区范围与高阻区范围大致相等，对应溶洞充1/2水；图8d中低阻区范围大约是高阻区的4倍，对应溶洞充3/4水。此特征表明跨孔电阻率CT法能识别溶洞的充填物性状。抽取溶洞模型中心处一维测深数据，绘制出如图9所示一维测深曲线图。对比溶洞1、溶洞2、溶洞3，溶洞3模型响应较强，其水气分界处电阻率衰减较大，其电阻率差值为139.58Ω·m，且随着溶洞靠近地面，电阻率响应逐渐减弱，当位于溶洞2的位置时，其水气分界面电阻率差值降至51.73Ω·m。溶洞1探测效果较差，反演结果出现畸变，这是由其靠近测线边缘数据量较少，精度较低导致的。对比溶洞3、溶洞4，溶洞4模型的电阻率响应较溶洞3模型强，其反演结果更能有效分辨出部分充水溶洞的充水量，可认为其靠近孔中电极，电流和数据比较密集，探测效果较好。由此，在纵向上，溶洞越靠近测线中部，其电阻率响应越强烈，在横向上，溶洞越靠近钻孔电极，探测效果越好。3充填介质对岩溶电性响应的影响此前，周文龙等此研究不仅从多个影响角度出发，同时还分析了不同充填介质复杂溶洞的探测效果，更加全面地探究了不同充填介质下溶洞电性响应特征及其变化规律。但在实际跨孔电阻率CT技术的应用中，还存在需深入研究的问题，例如，跨孔探测区域内可能存在多个异常体时的电性响应特征规律、跨孔探测区域周围存在异常体时仍可能在探测结果图中呈现的旁侧响应等问题。4不同电极距的岩溶模型(1）分析不同孔距下的溶洞模型，采用跨孔电阻率CT法进行探测，当孔距与孔深比值小于3/4时，能有效分辨单一充填溶洞，当溶洞充填多种介质时，其比值建议小于1/3。(2）分析不同电极距下的溶洞模型，电极距越大时，溶洞的响应越弱。孔距为0