一种利用视电导率和电阻率圈定不良地质体边界的方法与流程

1.本发明属于建筑施工领域，尤其是涉及一种利用视电导率和电阻率圈定不良地质体边界的方法。


背景技术：

2.不良地质体是一种不良地质体，对于如暗塘类的病害体，多为沉积的淤泥及软土，其强度降低严重，容易影响围护结构变形，导致临近建筑物沉降。如不及时加以治理，容易造成无法挽回的影响。因此，对不良地质体准确的探查，则会影响到后续治理工作。常规不良地质体探查方法通常是对场地进行钻孔调查，通过分析每个钻取土样的土壤成分，进而划定不良地质体边界。但是这种钻孔方法，会投入大量的人力物力，经济效益较低。
3.工程物探方法以探测目标地质体与周围土层物性的异常为基础，根据得到的场数据，对其进行数据处理，进而得到地下目标地质体的分布状态的一种方法。不良地质体作为一种沉积的淤泥及软土质物质，其物性通常与周围土体存在较大的差异，因此采用物探方法可以对其进行有效探测。三维电磁成像方法通过利用大地电导率仪对场地进行全覆盖面积性探测，对地下6.7m以浅的视电导率进行成像，对不良地质体水平方向边界进行初步探测，电阻率成像法通过布设与不良地质体边界垂直或斜交的测线，对测线所在剖面进行电阻率成像，最终确定不良地质体的深度方向的边界。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种利用视电导率和电阻率圈定不良地质体边界的方法，通过利用视电导率和电阻率信息探测不良地质体边界，在提高工作效率的同时，做到了不良地质体边界精准三维定位，为实现不良地质体治理提供了关键技术保障。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种利用视电导率和电阻率圈定不良地质体边界的方法，包括以下步骤；
7.s1、测得视电导率；利用电磁三维成像法进行全覆盖面积性盲探，通过数据处理得到视电导率数据；
8.s2、圈定不良地质体边界水平位置；根据视电导率数据，圈定不良地质体边界水平位置；
9.s3、测得视电阻率；根据s2中圈定的不良地质体边界水平位置，利用电阻率成像法进行详探；
10.s4、反演得到电阻率数据；利用s3中采集的得到的视电阻率数据，对其进行数据处理，进而得到电阻率分布结果；
11.s5、圈定不良地质体掩埋深度；根据s4中得到的电阻率数据，进而圈定不良地质体的掩埋深度；
12.s6、确定不良地质体地下三维空间展布；综合视电导率以及电阻率信息，确定不良地质体边界位置，并对探测结果进行钻孔验证。
13.进一步的，电磁三维成像法是利用大地电导率仪进行数据采集，该方法具有较高的水平分辨率，用于圈定不良地质体边界的水平位置分布情况；
14.大地电导率仪包括信号发射端和接收端，信号发射端工作时发射一个随时间变化的原生磁场h1，通过大地时，随即产生非常微弱的交流感应电流，根据电磁感应定律，此电流将诱发出次生磁场h2，原生磁场场值h1和次生磁场场值h2均被接收端接收，h2与h1的比值与电导率σ呈正相关，即其中，ω＝2πf为角频率，f为发射频率，单位为hz；σ为视电导率，单位为s/m；s为发射端与接收端之间距离，单位为m；μ0＝4π
×
10-7
h/m为真空磁导率。
15.进一步的，s1中的面积性盲探；通常根据工区大小采用满覆盖模式，实现快速直观地得到整个工区内部大地电导率分布情况的目的；满覆盖模式为沿某一方向对测线进行布设，采集顺序为s型或平行或网格状。
16.进一步的，s1中的数据为各个测点处视电导率数据，需要利用克里金插值法，对该散点数据进行网格化，则能够得到整个工区内视电导率分布情况。
17.进一步的，s2中，电磁三维成像方法是以地下介质电导率差异为测量基础，不良地质体与周围环境的电导率存在差异，即反映出不良地质体边界位置。
18.进一步的，s3中，电阻率成像法是通过一对供电电极向地下供入稳定电流，然后通过一对测量电极进行电位差观测对地下电阻率异常进行定位，电流的传播在地下服从欧姆定律；电阻率成像法测线的布设与不良地质体边界走向垂直或斜交。
19.进一步的，s4中，数据处理包括数据预处理和反演处理，数据预处理包括剔除探测异常点。
20.另一方面，由于s3中，电阻率成像法探测采用自由无限制任意四极的组合方式来采集数据，采集数据量多达214272个，因此通过提高采集数据集也可以降低反演的多解性和病态性问题。
21.进一步的，s5中，电阻率成像法是以地下介质电阻率差异为测量基础，不良地质体与周围环境的电阻率存在差异，即反映出不良地质体边界深度位置。
22.进一步的，s6中，先利用工区内平面视电导率分布目测圈定目不良地质体边界水平位置，再利用电阻率成像法详探不良地质体边界深度，进而确定不良地质体边界的三维分布情况。
23.相对于现有技术，本发明所述的一种利用视电导率和电阻率圈定不良地质体边界的方法具有以下优势：
24.(1)本发明利用电磁三维成像技术预先进行全覆盖面积性探测，直接计算出6.7m以浅视电导率分布情况，可以快速圈定不良地质体边界的水平位置。
25.(2)本发明根据视电导率分布情况，建立电阻率成像方法测线，进行详探，圈定不良地质体边界深度位置，极大地提高了工作效率。
26.(3)通过利用视电导率和电阻率信息探测不良地质体边界三维位置，在提高工作效率的同时，做到了不良地质体边界的精准三维定位，为实现不良地质体治理提供了关键技术保障。
附图说明
27.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明一种利用视电导率和电阻率圈定不良地质体边界的方法的流程示意图；
29.图2为本发明电磁三维成像探测满覆盖测线示意图；
30.图3为本发明视电导率分布情况示意图；
31.图4为本发明电阻率成像结果剖面示意图。
具体实施方式
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
36.如图1至图4所示，一种利用视电导率和电阻率圈定不良地质体边界的方法，包括以下步骤；
37.s1、测得视电导率；利用电磁三维成像法进行全覆盖面积性盲探，通过数据处理得到视电导率数据；
38.s2、圈定不良地质体边界水平位置；根据视电导率数据，圈定不良地质体边界水平位置；
39.s3、测得视电阻率；根据s2中圈定的不良地质体边界水平位置，利用电阻率成像法进行详探；
40.s4、反演得到电阻率数据；利用s3中采集的得到的视电阻率数据，对其进行数据处理，进而得到电阻率分布结果；
41.s5、圈定不良地质体掩埋深度；根据s4中得到的电阻率数据，进而圈定不良地质体的掩埋深度；
42.s6、确定不良地质体地下三维空间展布；综合视电导率以及电阻率信息，确定不良
地质体边界位置，并对探测结果进行钻孔验证。
43.在本发明的一种优选的实施方式中，s1中，在进行探测之前，需要对工区进行踏勘，了解工区内部地质、地层情况，对后期数据解释具有重要意义。如图1所示，图1中的“地下病害体”即不良地质体。
44.在本发明的一种优选的实施方式中，s1中，电磁三维成像法是利用大地电导率仪进行数据采集，该方法具有较高的水平分辨率，用于圈定不良地质体边界的水平位置分布情况；
45.大地电导率仪包括信号发射端和接收端，信号发射端工作时发射一个随时间变化的原生磁场h1，通过大地时，随即产生非常微弱的交流感应电流，根据电磁感应定律，此电流将诱发出次生磁场h2，原生磁场场值h1和次生磁场场值h2均被接收端接收，h2与h1的比值与视电导率σ呈正相关，即其中，ω＝2πf为角频率，f为发射频率，单位为hz；σ为视电导率，单位为s/m；s为发射端与接收端之间距离，单位为m；μ0＝4π
×
10-7
h/m为真空磁导率；
46.大地电导率仪进行内部由1个发射端和3个与发射端不同距离的接收端，分别是1.48m，2.82m和4.49m，由于发射端与接收端的距离差异，因此可以探测到3个不同深度的视电导率分布情况，三个深度分别为2.2m，4.2m以及6.7m。大地电导率仪可快速、非接触地测量出土壤的视电导率。
47.在本发明的一种优选的实施方式中，s1中的全覆盖面积性盲探；通常根据工区大小采用满覆盖模式，实现快速直观地得到整个工区内部视电导率分布情况的目的；满覆盖模式为沿某方向对测线进行布设，采集顺序为s型。
48.在本发明的一种优选的实施方式中，s1中的数据为各个测点处电导率数据，利用大地电导率仪测得，然后需要克里金插值方法，对该散点数据进行网格化处理，则能够得到整个工区内电导率分布情况。
49.克里金法又称空间自协方差最佳插值法，它是以南非矿业工程师d.g.krige名字命名的一种最优内插法；该方法以区域化变量理论为基础，以变差函数为主要工具，在保证估计值满足无偏性条件和最小方差条件的前提下求得估计值；假设区域化变量f(x)满足二阶平稳假设，则插值点p的估算值为：
[0050][0051]
其中，fi和wi分别是m个已知点的函数值和权系数。克里金法就是在保证这个估计值无偏，且在估计方差为最小的条件下求出权系数wi；根据无偏的条件，得到
[0052][0053]
根据估计的方差最小的条件有：
[0054][0055]
其中，μ为拉格朗日算子，r(x
j-xi)为已知点间的变差函数值，r(x
p-xi)为已知点与
待插点间的变差函数值。从而求出待插点p的估算值；该方法是一种光滑的内插方法，在数据点多时，其内插的结果可信度较高。
[0056]
在本发明的一种优选的实施方式中，s2中，由于电磁三维成像是以地下介质的电导率差异为基础，因此当目标地质体与周围环境的电导率存在差异时，可反映出目标地质体位置。因此可以直接通过目测，圈定出目标地质体的大致水平位置。
[0057]
在本发明的一种优选的实施方式中，s3中，电阻率成像法采用自由无限制任意四极的组合方式来采集数据，打破了常规电法勘探中数据采集方式的限制，采集数据量是常规高密度电法的几十倍，具有采集信息量丰富、分辨率高、多解性弱以及全自动、快速采集的特点，为高精度、小目标的浅层勘探提供了可靠的保证。该方法使用一个96电极的排列，采用电阻率成像法能采集214272个数据，电阻率成像法测线的布设与不良地质体边界走向垂直或斜交。
[0058]
具体的，在s3中，电阻率成像法是通过一对供电电极向地下供入稳定电流，然后通过一对测量电极进行电位差观测对地下电阻率异常进行定位，电流的传播在地下服从欧姆定律；
[0059]
供电电极与测量电极的排列方式称作排列装置，供电电极的距离称为电极距；目前，常用的排列方式有温纳装置、单极-单极装置、偶极-偶极装置、三极装置和斯伦贝谢装置；温纳装置的高灵敏度区域分布最广且最均匀，抗环境地电噪音干扰的能力最强，单极-单极装置的高灵敏度区域最少，抗噪能力最弱；适当的调整电极距后，偶极-偶极装置、三极装置和斯伦贝谢装置理论上获得了更大的探测深度，且装置探测数据的高灵敏度区域也出现在较深的区域范围，有效保证了装置采集到的深部数据的可靠性，反映三种装置数据的空间分辨率均较高；
[0060]
电阻率成像法与其他电阻率法的区别是采用自由无限制任意四极的组合方式来采集数据，打破了常规电法勘探中数据采集方式的限制，采集数据量是常规高密度电法的几十倍，具有采集信息量丰富、分辨率高、多解性弱以及全自动、快速采集的特点，为高精度、小目标的浅层勘探提供了可靠的保证；该方法使用一个96电极的排列，采用电阻率成像法能采集214272个数据；数据采集时将电极阵分成偶数组合奇数组，供电电极奇-偶配对组合，测量电极任意组合；96个电极中奇数组48个(1、3、5、
……
93、95)为a极；偶数组48个(2、4、6、
……
94、96)为b极，在一次通电过程中同时测量其它电极相对于某一电极m的电位差，就得到93个电位差(mn1、mn2、mn3……
mn
92
、mn
93
)数据；而奇数组48个电极和偶数组48个电极互相配对(即全排列)做供电电极，即做一个排列就有48
×
48＝2304次供断电过程，每次供电可同时采集93个电位差数据，总采集数据量为48
×
48
×
93＝214272个，电阻率成像法测线的布设与不良地质体边界走向垂直或斜交。
[0061]
在本发明的一种优选的实施方式中，s4中，数据处理包括数据预处理和反演处理，数据预处理包括剔除探测异常点。反演是根据给定的一组地球物理测量结果重构地下特征，重构工作以模型响应“拟合”测量结果的方式进行，拟合工作通过某种误差测量方法来完成。通过提高s3中采集数据量，能够在一定程度上降低反演的多解性和病态性。
[0062]
反演的具体流程为；将正演模拟过程表示为a
·
m＝d，d和m是矢量,分别表示实测数据和模型参数，a为矩阵；a
ij
的值依赖于地球物理条件，采样几何参数和模型参数矢量m；反演的目的是找到模型参数矢量m，使其正演模拟响应和野外数据集d之间的差达到最小，
反演方法可以被写成m＝a-1
d。
[0063]
反演问题有它的自然病态性和非唯一解性，处理这个问题的方法是应用平滑约束以及先验信息；通过将平均视电阻率作为初始值，可计算出初始模型响应，用最优化算法产生一组修正参数的估计值，接下来用这些修正参数修改初始理论模型，得到新的理论响应以改善和实测数据的匹配，通过不断地迭代计算，直到理论响应和观测响应之间的吻合程度满意为止。
[0064]
在本发明的一种优选的实施方式中，s5中，电阻率成像法是以地下介质电阻率差异为测量基础，不良地质体与周围环境的电阻率存在差异，即反映出不良地质体边界深度位置。
[0065]
在本发明的一种优选的实施方式中，s6中，先利用工区内平面视电导率分布目测圈定目不良地质体边界水平位置，再利用电阻率成像法详探不良地质体边界深度，进而确定不良地质体边界的三维分布情况。
[0066]
实施例1：
[0067]
1、根据施工工区情况，利用电磁三维成像技术，通过大地电导率仪对工区内部进行全覆盖面积性盲探，利用克里金插值得到土壤视电导率分布情况；本实例中，通过连续测量的形式进行探测，如图2所示。电磁三维成像技术使用的是捷克gf公司cmd-explorer大地电导率仪，采用垂直偶极auto模式。
[0068]
从大地电导率仪可直接导出视电导率数据，对其利用克里金插值法进行网格化即可得到平面视电导率分布情况，深度分别为2.2m，4.2m，6.7m，如图3所示。
[0069]
2、结合视电导率信息，圈定不良地质体边界水平位置；根据不良地质体与周围环境电导率差异目测圈定其边界水平位置，如图3蓝色虚线所示。深度2.2m处电导率分布情况，探测区域的东北区域整体呈现低电导率分布，幅值约为50ms/m～90ms/m，测区西南部整体呈现中高电导率分布，幅值约为90ms/m～120ms/m，以图中蓝色虚线为界，东北部与西南部呈现明显电导率差异。深度4.2m处电导率分布情况，探测区域的东北区域整体呈现低电导率分布，幅值约为70ms/m～90ms/m，测区西南部整体呈现中高电导率分布，幅值约为90ms/m～120ms/m，以图中蓝色虚线为界，东北部与西南部呈现明显电导率差异。深度6.7m处电导率分布情况，探测区域的东北区域整体呈现低电导率分布，幅值约为80ms/m～90ms/m，测区西南部整体呈现中高电导率分布，幅值约为90ms/m～120ms/m，以图中蓝色虚线为界，东北部与西南部呈现明显电导率差异。不良地质体的电导率值低于周围土体电导率值，且6.7m以浅的不良地质体的边界线随着探测深度不断加深，边界线(蓝色虚线)逐渐向东北方向偏移。
[0070]
3、建立电阻率成像测线进行详探；电阻率成像使用的是flashres-universal，96道电阻率成像系统。该方法使用大数据采集，对地下二维地电结构进行精准成像，多解性较弱，探测深度可达地下十几米至几十米，该技术为国内领先。探测测线如图3黑色实线所示。
[0071]
4、反演得到电阻率数据；利用采集到的视电阻率数据，对其进行剔除异常点处理，并将有效数据进行反演，得到电阻率剖面结果，并圈定不良地质体边界深度位置。地面电阻率成像结果如图4所示，测线方向为近东北方向，水平位置44m以东最高电阻率值约为9.3ω
·
m。以水平位置44m处为界，测区东北部平均电阻率值明显高于西南部平均电阻率值，与前述电磁三维成像结果具有较好的一致性。不良地质体的电阻率值高于周围土体电阻率
值，推测蓝色虚线为不良地质体深度方向边界位置，深度方向延伸至约7m处。
[0072]
5、综合视电导率和电阻率信息，确定不良地质体边界的三维位置，并对探测结果进行钻孔验证；综合现场实际情况，不良地质体的电导率值低于周围土体电导率值，且6.7m以浅的不良地质体的边界线随着探测深度不断加深，边界线逐渐向东北方向偏移，不良地质体的电阻率值高于周围土体电阻率值，推测蓝色虚线为不良地质体深度方向边界位置，深度方向延伸至约7m处。对实施例工区进行钻孔验证后，推测不良地质体边界三维位置与实际钻孔点位置所示不良地质体边界位置基本一致。
[0073]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。