本发明涉及一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法。
背景技术：
灌浆是场址深部岩溶、破碎带等不良地质加固处理的最主要手段，然而传统的灌浆技术无法对浆液运移过程和路径的做到透明化感知和可视化监测，导致灌浆施工作业主要依赖经验和少量传感器数据，存在很强的盲目性，无法实现灌浆的过程控制及其参数的精确优化，往往导致灌浆处置不到位、不彻底、不达标，埋下重大安全隐患。
具体来说，灌浆处理过程实时监测面临以下两个难题：
其一，由于监测区域的地质环境复杂，已知地质信息少，反演方程的病态程度高，极易出现假异常，对异常体的定位效果差。不良地质体的精细探测始终是个难题。
其二，被监测过程是快速多变的，这对异常的快速响应和精准定位与成像提出了更高要求。现有的灌浆检测技术，如数字钻孔摄像、物探法等，均不能实时探明灌浆过程中浆脉的运移路径、沉积留核和封堵情况。若不能及时发现和处理灌浆封堵的漏洞，极易引发二次突水。
技术实现要素：
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，本发明跨孔电阻率ct为监测手段、以灌浆浆液与不良地质(如岩溶溶质、破碎带等)之间显著的电阻率差异为物性基础，发明了一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，提出了一种用于不良地质体的三维空间定位和成像及其灌浆全过程跟踪监测评价的可行方案，进而保障工程的安全施工。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，包括以下步骤：
通过物探手段确定不良地质体的大致范围，根据确定的所得不良地质体的大致范围，在区域边界打多个钻孔，钻孔内布置电极，开展全空间三维电阻率跨孔ct精细探测，识别和定位不良地质体；
根据探测结果进行打灌浆孔，对不良地质体进行灌浆封堵；
开展全空间四维电阻率跨孔ct方法对灌浆封堵的全过程进行监测，构造四维电阻率反演目标函数及反演方程；
采用地震法和雷达法的结果作为先验信息，代入反演方程，反演迭代得到一组电阻率反演结果；
根据成像结果，获得所监测区域动态变化的电导率图像，进而获得各个阶段浆脉的运移路径、沉积留核和封堵情况。
进一步的，根据施工区域已有的工程地质和水文地质资料，推断不良地质体的大体范围，采用高密度电法、地质雷达或/和地震法，开展物探普查，初步确定不良地质体的空间位置、形态及其大致边界范围。
进一步的，钻孔根据现场实际情况，选取合适地点，不需要严格的围成矩形，但尽量分布在不良地质的四周。
开展全空间三维电阻率跨孔ct精细探测，利用不在同一直线上的三个或三个以上钻孔形成三维立体观测空间，在孔内布置测线，测线上均匀分布多个电极点，形成点源三维电场，对孔间地质结构进行多次覆盖采集和数据分析。
所述四维电阻率反演目标函数为数据误差项、空间光滑约束项和时间光滑约束项之和。
更进一步的，所述数据误差项与实际观测数据与理论观测数据的差值向量相关。
更进一步的，所述空间光滑约束项与光滑约束矩阵以及模型参数在迭代中的模型参数增量向量的乘积相关。
更进一步的，在时间约束项中引入梯度项使得模型网格电阻率在反演迭代过程中沿三个方向具有不同的时间演化梯度特性。
进一步的，对模型进行独立的三维电阻率反演，由迭代一次后的结果，获得异常体的大致范围，对该范围以外的网格在三个方向上的梯度变化值都重设为0，令目标函数取极小，得到反演方程。
进一步的，根据地质信息以及地震探测结果，初步预测目标体运移的大致走向，作为方向梯度矩阵的权重代入反演方程，求解反演方程得到模型参数修正量，通过迭代得到反演结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明提出了方向梯度矩阵的计算方法。通过反演迭代一次，确定浆液可能流向的空间区域；浆液的流动扩散往往遵循一定的规律，方向梯度约束作为先验信息，可以从一定程度上对动态流动的浆液进行表征，有利于更好的对流动的浆液成像；
2.本发明提出了携带先验方向梯度约束的四维电阻率反演方程，在时间约束项中引入梯度项，使得模型网格电阻率在反演迭代过程中沿三个方向具有不同的时间演化梯度特性，加强了在浆液流动主要方向上的敏感性，减弱了反演方程严重病态程度，减少了反演结果的假异常；
3.以地震法和雷达法确定不良地质的结构和界面，确定裂隙基本位置，构造合适的初始模型，预先判断浆液的基本走向，作为先验信息，代入携带先验方向梯度约束的四维电阻率反演方程；
4.本发明提出了一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，利用物探普查确定监测区域，利用多种物探方法的结果作为先验信息代入四维电阻率反演方程得到的一系列电导率时间图像，由此推断灌浆过程中浆脉的运移路径、沉积留核和封堵情况，全过程跟踪评价灌浆效果，为动态控制灌浆过程，及时发现漏洞提供了有益的参考；
5.本发明能降低反演方程的病态，减少反演结果中的假异常，更加准确的获得不良地质体和浆液的形态和定位，可以根据先验信息对监测过程在不同方向上取不同权重，更有针对性的捕获浆脉运移过程中的空间位置和形态，对加固效果做出科学评价，保障工程的安全施工。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆过程实时监测方法的流程图。
图2是本发明进行数值模拟时使用的地电模型设计图。
图3是本发明进行数值模拟得到的反演结果。
其中1、模拟裂隙水的单元网格，2、模拟灌浆浆液的单元网格。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，包括以下步骤：
(1)根据施工区域已有的工程地质和水文地质资料，推断不良地质体的大体范围。采用高密度电法、地质雷达、地震法，开展物探普查，初步确定不良地质体的空间位置、形态及其大致边界范围。
(2)根据步骤(1)所得不良地质体的大致范围，在区域边界打多个钻孔。钻孔内布置电极，开展全空间三维电阻率跨孔ct精细探测，进一步精确识别和定位不良地质体。
(3)根据步骤(2)探查结果，打灌浆孔，对不良地质体进行灌浆封堵。
(4)开展全空间四维电阻率跨孔ct方法对灌浆封堵的全过程进行监测。构造四维电阻率反演目标函数及反演方程。
(5)采用地震法和雷达法的结果作为先验信息，代入携带(4)中方程，反演迭代得到一组电阻率反演结果。
(6)根据(5)中的成像结果，获得所监测区域动态变化的电导率图像，进而获得各个阶段浆脉的运移路径、沉积留核和封堵情况。
步骤(2)中打的钻孔可以根据现场实际情况，选取合适地点，不需要严格的围成矩形，但尽量分布在不良地质的四周。
步骤(2)中开展全空间三维电阻率跨孔ct精细探测，利用不在同一直线上的三个或三个以上钻孔形成三维立体观测空间，在孔内布置测线，测线上均匀分布多个电极点，形成点源三维电场，对孔间地质结构进行多次覆盖采集和数据分析。其反演目标函数和反演方程均与采用的四维电阻率跨孔ct方法基本一致，不同的是，代入的数据只是一组拥有完整排列的采集数据，时间光滑约束项的权重取0。四维电阻率跨孔ct方法具体为：
步骤(4)中开展全空间四维电阻率跨孔ct精细探测，观测方式同三维一致。所述全空间四维电阻率反演目标函数具体为：
φ(δm)＝||ete||2+||wmδm||2+||wtct(m+δm)||2
等式右端第一项是数据误差项，e是实际观测数据与理论观测数据的差值向量。第二项是模型光滑约束项，wm为光滑约束矩阵，δm是模型参数m在迭代中的模型参数增量向量。第三项即时间光滑约束项。其中wt为方向梯度光滑约束矩阵，ct为时间光滑约束矩阵，δm代表δm中的任一元素。
时间光滑约束项中，时间光滑约束矩阵ct具体形式如下：
方向梯度光滑约束矩阵wt为对角块矩阵，wt＝diag(wt2,wt3,...,wtnc)，wti(i＝2,3,…,nc)分别对应模型mi(i＝2,3,…,nc)。
这里i是单位矩阵，η是单位矩阵的权重参数，是控制预测模型与参考模型偏差的光滑因子。梯度项
需要说明的是，方向梯度矩阵还需要进一步处理。对模型mi(i＝2,3,…,nc)进行独立的三维电阻率反演，由迭代一次后的结果，获得异常体的大致范围，对该范围以外的网格在三个方向上的梯度变化值都重设为0。
令以上目标函数取极小，得到如下反演方程：
所述步骤(5)中，地震法探测获得不良地质体的构造形态，雷达探测获得裂隙发育的大致情况，以此为基础，选取合适的初始模型用于(4)中反演方程。根据注浆孔位置及不良地质体的形态，初步预测灌浆过程中的大致走向，作为方向梯度矩阵的权重代入(4)中反演方程。求解反演方程得到δm，通过迭代得到反演结果。
a.地电模型图如图2所示，反演区域设置为10m*10m*16m,背景电阻率为500ω·m。模型中添加了一个低阻体作为裂隙型充水溶洞，其电阻率为50ω·m。模拟灌浆过程，将低阻体逐步改变为高阻体，各阶段的异常体在模型中的位置和形态如附图2所示。
b.采集数据过程：正演使用矩形单元双线性插值的有限元方法，并采用自然边界条件。网格大小为0.5m*0.5m,电极间距设为1米,两根测线均布置16个电极。所用数据为bipole-bipole(am-bn)和pole–tripole(a-bmn和a-nmb)两种传统的电极排列混合。
c.本算例中浆液具有明显的垂向运动特征，换句话说，网格电阻率值在垂直方向上的变化将处于优势地位，因此，在时间加权矩阵中应增大对梯度分量gz的权重，本算例中时间加权矩阵表达式各系数的取值分别为μ＝0.5，η＝1.0，α＝β＝0.2，γ＝0.6。
d.经过反演处理之后的成像效果如附图3所示。该数值模拟表明，基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆处理过程实时监测方法，能够有效降低反演方程的病态性，减少反演过程中的假异常，实时探明灌浆过程中浆脉的运移路径、沉积留核和封堵情况，为及时处理灌浆封堵的漏洞提供了指导。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。