膨胀土堤坝滑坡渗透滑动过程追踪的时移电法探测方法与流程

本发明实施例涉及堤坝探测领域，更具体地，涉及一种膨胀土堤坝滑坡渗透滑动过程追踪的时移电法探测方法。

背景技术：

滑坡滑动过程往往伴随滑坡体内水体的运移。在水体运移过程中，土体电性敏感特征明显，通常采用时移电阻率法获取堤坝土体随时间变化电性数据，然后将时移数据进行反演成像来进行滑动过程追踪。由于时间推移反演对象是一系列连续的、不同时间点的数据集序列，数据量较大，反演过程中病态程度会随时间点的增加呈级数加重，因此反演过程需要进行更加复杂严格的约束处理。常规时移电阻率反演只是针对某一时间点特定断面数据进行独立反演，然后再将不同时刻获取的数据反演成像断面进行比较，根据断面视电阻率值变化率来推测目标体的变化情况。但是，上述方法并没有真正应用到时间推移的概念，其数据反演过程实质上是离散不连续的，时间相关程度低，无法适用于堤坝滑坡过程追踪探测数据的成像分析。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的膨胀土堤坝滑坡渗透滑动过程追踪的时移电法探测方法。

本发明实施例提供一种膨胀土堤坝滑坡渗透滑动过程追踪的时移电法探测方法，该方法包括：s1，通过堤坝电阻率层析成像观测系统采集堤坝在枯水期河流水位稳定时电阻率数据；s2，对电阻率数据进行独立反演，获得断面电阻率初值及对应的电阻率变化范围，并根据断面电阻率初值和电阻率变化范围创建静态模型；s3，采用静态模型对每个时间点的电阻率数据进行反演，并根据反演结果为每个时空区间分配拉格朗日乘子；s4，基于拉格朗日乘子，采用基于时间域正则化和自适应正则化约束的混合正则化反演计算方法，对每个时间点的电阻率数据进行反演，获得反演计算结果。

本发明实施例提供的膨胀土堤坝滑坡渗透滑动过程追踪的时移电法探测方法，通过采用基于时间域正则化和自适应正则化约束的混合正则化反演计算方法，对每个时间点的电阻率数据进行反演，获得反演计算结果，能够有效过滤电阻率数据中与时间不相关的噪声，从而应用了时间推移的概念，使反演过程中保持连续；另外，通过采用静态模型对每个时间点的电阻率数据进行反演，能够使反演计算初始模型归一化，能够有效去除测量数据中掺杂的干扰对反演结果影响，减少假异常。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的膨胀土堤坝滑坡渗透滑动过程追踪的时移电法探测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的堤坝电阻率层析成像观测系统的布置示意图；

图3为本发明实施例提供的跑极装置跑极流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种用于滑坡过程追踪的时移电法数据反演方法，参见图1，该方法包括：

s1，通过堤坝电阻率层析成像观测系统采集堤坝在枯水期河流水位稳定时电阻率数据。

s2，对电阻率数据进行独立反演，获得断面电阻率初值及对应的电阻率变化范围，并根据断面电阻率初值和电阻率变化范围创建静态模型。

具体地，以枯水期河流水位稳定时采集的电阻率数据进行最小二乘法独立反演，获取初始状态时间点下电阻率空间分布。在独立反演算法中，可采用如下方式：

minj0＝‖p(gm-d)‖²+λ²‖em‖²

式中，minj0为反演过程中需要最小目标函数，λ为空间上拉格朗日乘子，m代表模型向量，d代表数据向量，g代表反演算子，p代表加权因子矩阵，e为评估模型二阶光滑度矩阵。

为了对上述最小目标函数求解，可通过线性反演方法中的gauss-newton算法求取模型m，迭代式如下：

mi+1＝mi+dm＝mi+(j^tj+λl^tl)^-1j^t(g(m)-d)+λl^tlmi

式中，i为迭代次数，dm为模型修正量，j为灵敏度矩阵，λ为空间拉格朗日乘子，l为评估模型二阶光滑矩阵，g(m)为模型正演数据向量。

通过上式迭代逐步修正模型，达到要求的误差条件。在独立反演开始时，可以将拉格朗日乘子的初始取值设定为λ0＝0.15，并可采用牛顿最速下降法进行拉格朗日乘子调整。基于上述最小目标函数及迭代公式可以获得反演结果，并进一步根据独立反演结果获取断面电阻率初值，确定电阻率变化范围。

在获得了断面电阻率初值及对应的电阻率变化范围后，可创建静态模型，将该静态模型作为后续时间点的电阻率数据反演的先验模型。

s3，采用静态模型对每个时间点的电阻率数据进行反演，并根据反演结果为每个时空区间分配拉格朗日乘子。

其中，拉格朗日乘子是在步骤s4中基于时间域正则化和自适应正则化约束的混合正则化反演计算方法中，对时间域正则项和自适应正则项进行控制的拉格朗日乘子。通过根据静态模型对每个时间点的电阻率进行反演，其目的是根据反演结果为每个时空区间分配一个适合的拉格朗日乘子，时空区间即为两个时间点之间的时段。

另外，由于对每个时间点的数据都采用了静态模型进行反演，从而使得反演计算初始模型归一化，能够有效去除测量的电阻率数据中掺杂的干扰对反演结果影响，减少假异常。

s4，基于拉格朗日乘子，采用基于时间域正则化和自适应正则化约束的混合正则化反演计算方法，对每个时间点的电阻率数据进行反演，获得反演计算结果。

具体地，在步骤s2中确定了每个时空区间的拉格朗日乘子后，即可以确定每个时空区间所采用的基于时间域正则化和自适应正则化约束的混合正则化反演计算方法，从而能够对每个时间点的电阻率数据进行反演，获得反演计算结果。

本发明实施例提供的方法，通过采用基于时间域正则化和自适应正则化约束的混合正则化反演计算方法，对每个时间点的电阻率数据进行反演，获得反演计算结果，能够有效过滤电阻率数据中与时间不相关的噪声，从而应用了时间推移的概念，使反演过程中保持连续；另外，通过采用静态模型对每个时间点的电阻率数据进行反演，能够使反演计算初始模型归一化，能够有效去除测量数据中掺杂的干扰对反演结果影响，减少假异常。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，堤坝电阻率层析成像观测系统包括：供电排列、测量排列和测量装置，供电排列及测量排列均包含有多个排成一列的电极；供电排列布置于堤坝迎水面的枯水线，供电排列沿水流方向平行于堤坝的轴线；测量排列布置于堤坝的顶部和/或背水面，测量排列与供电排列平行；测量装置用于在供电排列中的一个电极及无穷远极被供电后，对测量排列中的两个电极进行电阻率滚动测量，获取供电排列与测量排列的空间连线所形成的断面的电阻率。

具体地，参见图2，f为供电排列，s为测量排列，供电排列和测量排列均由多个排列成一列的电极形成，电极可以为惰性金属不极化电极。供电排列及测量排列的排列方式可参见图2。可以在枯水期将供电排列f布置于迎水面枯水线或枯水线附近，且供电排列f沿水流方向平行于堤坝的轴线布置。然后，在堤坝的顶部和/或堤坝的背水面，沿水流方向布置测量排列s。由于供电排列和测量排列均平行于堤坝的轴线布置，因此，供电排列和测量排列在空间中是平行的，从而供电排列和测量排列能够形成一个平面，该平面与堤坝的相交平面即为供电排列与测量排列的空间连线所形成的断面。

在堤坝上布置好供电排列和测量排列后，可开始进行观测。本发明实施例中，观测系统所采用的原理为电阻率勘察，该原理是沿着地表测量来确定地下电阻率的分布，具体通过一对电极向地下供入电流，再由另外一对电极测量电位差及电流，从而反演计算地下视电阻率；一般将数据按拟断面的形式来提供，它反映了地下视电阻率的变化。基于上述原理，本发明实施例通过将供电排列中的一个电极作为输入电极，以及将无穷远极作为另一个输入电极，并将测量排列中的两个不同的电极作为测量电极进行测量。由于供电排列和测量排列中均包含有多个电极，不同测量电极及不同的供电电极之间可以形成不同的断面，因此，在供电排列及无穷远极被供电后，测量装置是对测量排列进行电阻率滚动测量，从而对不同的电极所形成的不同断面的电阻率进行测量。最终能够获得电阻率断面，基于断面的电阻率数据能够获取堤坝内部空间的电阻率分布数据，基于电阻率分布数据能够实现对堤坝的成像观测。

本发明实施例提供的堤坝电阻率层析成像观测系统，通过测量装置在供电排列及无穷远极被供电后，对测量排列进行电阻率滚动测量，获取供电排列与测量排列的空间连线所形成的断面的电阻率，避免了现有技术中模型数值变换处理方法的误差以及数据反演计算过程耗时长的问题，直接采用定向剖面观测堤坝体电阻率变化情况，简明直观，有效提高了探测精度和效率。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，无穷远极布置于远离堤坝的水体的稳定场地中。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，堤坝电阻率层析成像观测系统包括：多条测量排列，多条测量排列相互平行且等间距分布；相应地，测量装置用于在供电排列及无穷远极被供电后，对多条测量排列同时进行电阻率滚动测量。

具体地，成像观测系统可包括多条测量排列si，例如图2中，共设置有s1至s6共6条测量排列。由于系统共包括1条供电排列和多条测量排列，因此供电排列与测量排列能够形成呈空间辐射状的多条电阻率断面。具体采用供电排列与测量排列分开的供-采分离模式，由专门用于供电的供电排列f进行供电，对其他所有的测量排列si同时进行数据采集，即可总结为单供多采的辐射性采集电极排列布置。通过供电排列f与无穷远极b供电，测量装置对测量排列si进行电阻率滚动测量，获取供电排列f与测量排列si空间连线电阻率断面数据，在堤坝内部空间切出f与si排列连线电阻率断面切片，最终获取呈空间辐射状排列的多条电阻率断面，从而获取堤坝内部空间电阻率分布数据。

应当说明的是，由于具有多条测量排列，因此，可以在对供电排列进行供电后，同时对多条测量排列进行电阻率的滚动测量，即实现了单供多采的并行电阻率数据采集。因此，能够实现多条断面数据并行采集，互不干扰，大大提高探测效率，为实现水体渗透滑动过程实时追踪提供速度保障。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，测量排列的数量及间距由堤坝的结构尺寸和/或探测分辨率需求确定。换言之，测量排列间距和条数可根据堤坝结构尺寸大小及探测分辨率要求调整。

基于上述实施例的内容，作为一种个可选实施例，供电排列及测量排列中包含有相同道数的电极，且供电排列的第一道电极与测量排列的第一道电极对齐。换言之，每条测量排列si的电极道数与供电排列f道数相同，且第一道电极对齐布置。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，堤坝电阻率层析成像观测系统还包括：跑极装置；跑极装置用于将供电排列的第i道电极作为供电电极ai极，将无穷远极作为供电电极b极进行供电；相应地，测量装置用于将测量排列的第i道电极作为测量电极mi极，将测量排列的第j道电极作为测量电极n极进行电位测量，并根据电位测量结果获取供电排列与测量排列的空间连线所形成的断面的电阻率；其中，i≥1，j＞i；测量电极mi极与测量电极n极之间的第一距离不大于供电电极ai极与测量电极mi极之间的第二距离，且第一距离与第二距离之间的差值小于测量排列的极距。

具体地，上述跑极装置及测量装置即对供电排列与测量排列所能够形成的所有断面的电阻率数据分别进行测量，获得每一可能形成的断面的电阻率数据。应当说明的是，本发明实施例对测量每一断面的电阻率的顺序不作限定，只需对每一需要进行测量的断面的电阻率实现测量。以下提供一种测量断面电阻率顺序的方式，但本发明实施例的保护范围不限于此：

如图3所示，将供电排列f中的电极依次作为供电电极a极，将无穷远极作为供电b极；测量排列si中的电极依次作为测量电极m和n。a-b(∞)极供电时，不同的测量排列上的测量电极mn可同时进行测量，从而实现单供多采的并行电阻率数据采集。具体跑极的步骤如下：

步骤1：供电排列第1道为a1，a1与b供电时，各测量排列上的第1道电极m1作为测量电极m、第2道电极n1作为测量电极n进行数据采集；然后，保持测量电极m不动，n极向后滚动，mn之间极距逐渐增大，但是，直至mn极距不能超过a1m极距(极距即为两个电极在空间中的直线距离)，且mn极距与a1m极距之间的差值小于测量排列极距；其中，测量排列的极距即为测量排列第一道电极与最后一道电极之间的距离；

步骤2：供电电极由a1移至a2，a2与b极供电，各测量排列上的测量电极m由m1移至m2，然后m2、n2作为测量电极进行数据采集，然后保持测量m极不动，测量n极向后滚动；

步骤3：依次往后，重复步骤2，直至供电电极a移至供电排列的末尾，完成完整断面数据采集。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，堤坝电阻率层析成像观测系统还包括：背景电位测量装置；背景电位测量装置用于测量供电排列及测量排列中每一电极分别与无穷远极之间自然电位差；相应地，测量装置还用于利用自然电位差校正电阻率滚动测量获得的测量结果。

具体地，背景电位测量装置可以采集供电及测量排列中的每一道电极与置于稳定场中的无穷远极b间的自然电位作为探测时空区间背景电位，通过电位差值精确计算各测量电极m、n之间的自然电位差，用于自然电位补偿计算，从而减小采集数据误差。相比于现有技术中只是在排列滚动过程中测量mn极间的自然电位，无法做到实时归一化，本发明实施例中，通过背景电位约束校正，将背景电位归一到等电位点，能够有效剔除了河道水体流动产生的电位变化干扰。同时利用无穷远极与测量排列中的每一道电极间的自然电位作为背景电位，可为精确背景电位校正提供可靠数据。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，堤坝电阻率层析成像观测系统还包括：水位监测装置、自然电位监测装置及预警启动装置；水位监测装置用于对堤坝的水位进行监测，获得水位值；自然电位监测装置用于对测量排列与无穷远极之间的自然电位进行监测，获得自然电位数据；预警启动装置用于若判断水位值大于设定水位值和/或若根据自然电位数据的动态变化值超过设定变化阈值时，则触发跑极装置对供电排列供电以及触发测量装置对测量排列进行电阻率滚动测量。

具体地，可采用水位和自然电位“双位”信号预警启动模式。通过置于水中的水位监测装置获取水位信息，通过测试排列与无穷远电极间自然电位突变预警信号，并通过判断水位值及自然电位数据的波动情况来控制数据采集系统(即跑极装置和测量装置)的启动。针对水位值，可预先设置分段预警水位(即设定水位值)，在水位上涨过程中，当水位达到设置的预警水位时，系统启动采集。同时，在水位稳定阶段则可以通过预设的自然电位变化阈值，在自然电位动态变化超过阈值时，采集系统自动启动进行观测。应当说明的是，水位条件和自然电位变化条件只需满足一个即可触发跑极装置进行供电以及测量装置进行测量。

由于水位监测装置对水位的监测以及自然电位监测装置对自然电位的监测不会产生大量能耗，因此，本发明实施例打破传统不间断地采集方式，依靠水位和自然电位“双位”信号预警采集控制，设置双重保障，在实现渗透过程实时探测目的的前提下节约能耗。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，设定水位值由季节和气象情况确定，水位监测装置监测水位的时间间隔由设定水位值确定。例如，设定水位值越大，时间间隔越小。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，测量装置为多通道电法工作站。具体地，堤坝电阻率层析成像观测系统的硬件系统可包括：

a)多通道电法工作站，可选用高密度电法工作站实现多通道并行采集电法工作站主机，可同时监测采集8个通道数据，单个通道可最大连接196根电极；

b)分布式电缆、电极及转换盒，电缆采用级联式高密度电缆、电极选用惰性金属不极化电极，光电高速电极转换盒作为供电采集排列及控制电极切换；

c)自电扫描模块(即背景电位测量装置)，快速扫描通道上连接所有电极与无穷远极间自然电位值；

d)信号触发外部接口，触发信号接口与水位监测装置相连，实时获取水位信息。

综合本发明实施例提供的上述内容，本发明实施例相比于现有技术至少具有以下优点：

(1)避免了常规模型数值变换处理方法的误差以及数据反演计算过程耗时长的问题，直接采用定向剖面观测堤坝体电阻率变化情况，简明直观，有效提高了探测精度和效率；

(2)单极-偶极装置实现多条断面数据并行采集，互不干扰，大大提高探测效率，为实现水体渗透滑动过程实时追踪提供速度保障；

(3)现有技术只是在排列滚动过程中测量mn极间的自然电位，无法做到实时归一化；通过背景电位约束校正，将背景电位归一到等电位点，能够有效剔除了河道水体流动产生的电位变化干扰。同时利用无穷远极与观测排列中的每一根电极间的自然电位作为背景电位，可为精确背景电位校正提供可靠数据；

(4)打破传统不间断地采集方式，依靠水位和自然电位“双位”信号预警采集控制，设置双重保障，在实现渗透过程实时探测目的的前提下节约能耗。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，s2中根据断面电阻率初值和电阻率变化范围创建静态模型，包括：根据断面电阻率初值及电阻率变化范围，采用有限元方法模拟空间电阻率分布，并根据电法断面数据的分布特点运用自适应网格算法创建静态模型。

具体地，结合初始数据独立反演得到的断面成果(即断面电阻率初值)及所确定的电阻率变化范围，采用有限元方法模拟空间电阻率分布，根据电法断面数据上密下疏分布特点，运用自适应网格算法创建静态模型其中，自适应算法原理是在电阻率细微变化单元根据精度需要裂变为更小的单元，裂变后产生新单元的边长尺寸是原来的1/2，通过各边中点以及单元质心，一个四边形单元可以分割为四个四边形单元，依此类推，直至分辨率满足探测要求，最终得到的静态模型该静态模型作为后续时间点的电阻率数据反演的先验模型。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，自适应正则化为自适应tikonhov正则化；相应地，基于时间域正则化和自适应正则化约束的混合正则化反演计算方法的最小目标函数为：

minj1＝‖f^tf‖²+αγ+βψ

式中，minj1为约束反演过程中的最小目标函数，γ为时间域上光滑正则项，ψ为自适应tikonhov约束正则项，α为控制时间域上光滑正则项的拉格朗日乘子，β为控制自适应tikonhov约束正则项的拉格朗日乘子，f为数据向量矩阵。

具体地，对不同时间点采集的电阻率数据均采用上述混合正则化方法进行约束反演。其中，时间域上的约束采用一阶微分算子，稀疏约束(即自适应约束)采用二阶微分算子。上述光滑正则项具体可以通过如下公式表示：

式中，是一个稀疏矩阵，对角线和次对角线上分别为1或-1，为相邻时间点上模型施加约束。d为参考时间步长对应的观测数据，为模型的修正向量，k为迭代次数，δ为二阶微分算子。

自适应tikonhov约束乘子β采用对角矩阵δ，δk第k个参考模型空间步长对应的空间域拉格朗日乘子，空间步长依据反演模型深度增长系数变化调整；拉格朗日乘子α采用对角矩阵λ，λi为第i个参考时间步长对应的时间域拉格朗日乘子。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，s3中采用静态模型对每个时间点的电阻率数据进行反演，并根据反演结果为每个时空区间分配拉格朗日乘子，包括：采用静态模型对每个时间点的电阻率数据进行反演，获得每个时间点对应的反演结果模型；根据相邻的时间点分别对应的反演结果模型之间的空间电阻率变化程度，为每个时空区间分配拉格朗日乘子。

具体地，对于每一个时间步长中的模型单元，首先基于每一个时间点采集的电阻率数据，以静态模型作为先验模型运用最小二乘法进行反演，根据反演结果模型预估每个时间点对应的拉格朗日乘子。再根据相邻时间步长(即相邻时间点)对应反演结果模型(即与)之间空间电阻率变化程度，进行自适应匹配附值，即为每个时空区间分配一个相应的拉格朗日乘子。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，为每个时空区间分配拉格朗日乘子，包括：为空间电阻率变化大的时空区间分配第一拉格朗日乘子，以及为空间电阻率变化小的时空区间分配第二拉格朗日乘子，第一拉格朗日乘子小于第二拉格朗日乘子。

具体地，在为每个时空区间分配拉格朗日乘子时，遵循变大附小的原则，即不同时间步长下，为空间电阻率变化大的时空区间分配较小的拉格朗日乘子(即第一拉格朗日乘子)，为空间电阻率变化小的时空区间分配较大的拉格朗日乘子(即第二拉格朗日乘子)。例如，用表示第n个时间点数据独立反演计算模型，则拉格朗日乘子的分配可基于如下分配矩阵q1，并根据电阻率改变程度范围进行赋值：

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，s4之后，还包括：改变时间点之间的间隔尺度，并重复执行步骤s3和s4，获得一系列对应于不同时间间隔尺度的反演计算结果。

具体地，可以改变时间点之间的间隔尺度，例如，可以将时间点之间的跨度(即两个时间点之间的时段)由1个单位时间间隔扩大至2个单位时间间隔，然后重复上述步骤s2和s3进行反演计算，此时拉格朗日乘子分配矩阵q2变化为：

时间点跨度选择由小至大，从1个单位时间间隔扩大至收尾相接时间点。

最终得到一系列由q1变化至qn-1的不同的时间间隔尺度的拉格朗日乘子分配矩阵，所对应的正则化约束电阻率变化反演计算成果

应当说明的是，现有技术中的时移数据处理方法通常利用相邻前后时间点数据进行比较，时间步长过小可能造成模型参数差异极小，地电结构发生变化的时空区间会在反演中受到压制从而分辨不出，同时采用的差异约束也会限制突变的产生。相比于现有技术，本发明实施例提出了多时间尺度约束反演分析，获取的时移信息更丰富，对断面电阻率变化信息识别更加全面，能够提高变化预判准确度，从而对整个断面电阻率变化部位进行定位，实现滑动过程水体渗透小范围扩散的精细捕捉。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，获得一系列对应于不同时间间隔尺度的反演计算结果之后，还包括：根据一系列对应于不同时间间隔尺度的反演计算结果，创建电阻率参数变化百分比时间推移序列图像并获得电阻率非线性变化趋势，以分析水体渗透过程及追踪滑坡滑动过程。

具体地，通过反演成果建立一系列不同时间尺度的电阻率参数变化百分比时间推移序列图像，获取电阻率非线性变化趋势，分析水体渗透过程，从而追踪滑坡滑动过程。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。