河道岩溶勘察并行电法多维成像技术应用研究

李红文，龚敦红，余斐，谭磊，徐东海

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020；4.温州工程勘察院有限公司，浙江 温州 325006；5.温州龙达围垦开发建设有限公司，浙江 温州 325006)

河道岩溶勘察并行电法多维成像技术应用研究

李红文1，2，3，龚敦红4，余斐1，2，3，谭磊1，2，3，徐东海5

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020；4.温州工程勘察院有限公司，浙江 温州 325006；5.温州龙达围垦开发建设有限公司，浙江 温州 325006)

针对江山港岩溶区某段河道内可能存在的隐伏溶蚀体，提出了采用拟地震化供电方式且同步采集海量数据的并行电法为主要探测技术手段，并结合钻孔揭露资料，分析了岩溶体在河道两岸下方的平面展布，进一步预测河床底部区地层的构造特征。试验研究表明：二维视电阻率断面揭示出整个测线控制区域的岩溶体的二维分布，有效地勾勒出溶蚀洞体在垂面上的埋深、大小及规模等信息；考虑到两岸溶洞在河床底部的关联性问题，提取不同深度的电阻率立体化切片，直观地显示出河道两岸溶洞在垂向上分布高程不一、大小差异明显以及右岸溶洞在河床内延展但并未贯通至左岸的特点，研究成果为流域综合治理以及后期运行维护提供科学地技术支撑。

水利工程；并行电法；隐伏岩溶；岩溶勘察；三维电阻率

0引言

河流是城市群落、田园乡野重要的水域联系纽带，承载行洪、灌溉、供水、航运、景观等多重复合型功能属性[1]，开展小流域的综合整治工作有助于提高人们的生活品质，建设美丽乡村，改善生存环境，以期实现“水清、流畅、岸绿、景美”的总体生态健康目标[2-3]。为有针对性地科学地进行河道整治工程的规划设计，对河道段实施前期的工程地质勘察工作是基础，以期查明该区的岩土层分布及存在的不良工程地质问题。我国的岩溶发育分布较为广泛，造就奇特自然景象的同时，也给工程的安全实施带来系列地质灾害的发生，尤其遇到地下水位升降和人类抽排地下水共同导致隐伏岩溶区在地面塌陷的现象[4]。因此，在岩溶地区河道工程治理中有必要明确不良岩溶体的分布特征，降低岩溶塌陷和地表水漏失引发工程灾害的风险。目前，河道勘察手段主要以钻探为主，而分散的钻孔取样资料往往只是“一孔之见”，尤其遇到地质条件比较复杂，岩土层变化频繁，仅凭有限钻孔难以全面有效地查明地质异常区的分布、延展、规模及形态情况[5-6]，况且钻孔布置也存在主观盲目性。

隐伏性岩溶隐患具有地质体空间的随机隐蔽性、分布规律性差及时空的不确定性等特点[7-9]，开展超前预报[10]、预测是治理岩溶的难点和关键。岩溶地区河道隐患的查找，不仅要明确两岸下部溶洞的发育情况，也要对两岸溶洞之间是否具有贯穿性有一定的认识，目前工程勘察主要采用二维成像技术反映出观测系统下方地质体的分布规律，而溶洞在空间上表现为三维几何地质体[11]，急需一种可以针对河床底部空间内纵横向不良地质体有效查明的方法[12]。基于此方面研究不足，笔者采用并行电法测试技术对江山港岩溶区开展探测工作，利用多维成像技术全方位查明两岸及河床段岩溶的分布情况，结合对异常区布钻取样验证，提高了对河道岩溶分布的认识，为后期施工设计提供了科学的指导。

1并行电法测试原理及成像技术

1.1并行电法技术

高密度电法是根据岩土体介质之间的电阻率值差异为地球物理前提，利用专门仪器依次只记录相应的电流极与电压道之间相互组合形成的地电数据体，而线路上其余电极处于闲置状态，成果以电阻率色谱图的形式展现出岩溶体的分布信息[13]。并行电法吸收了地震勘探中数据采集的思想，改进了传统高密度电法拘泥于分装置串行采集的弊端，实现了并行、高效、大数据瞬时获取的新理念，发挥出面向对象的全电场数据同步采集的优势。并行电法有AM法和ABM法两种供电方式，采集过程中，按照一定协议发布供电命令，让任意电极处于供电状态，则其余测量电极同时处于电压采样状态，根据需要可任意提取高密度电法的所有排列形式以及海量的自然场、一次场、二次场等全场的地电信息。

AM法采用单个点电源供电，测线上所有电极(除A供电电极之外)都处在点电源形成的人工电场中，B电极只具有构成电流回路的作用而被置于无穷远处。图1是AM法的采集方式示意，当1号电极供电时，2，3，…，n-1，n号电极同步采集电位数据；当2号电极供电时，1，3，…，n-1，n号电极同步采集电位数据，依次供电与采集排列组合，直到供电电极为n时结束。所有采集到的电位数据与参比电极N作归一化电位差处理，可得到二极、三极以及高分辨地三维数据体，多次覆盖式全场测量压制了噪声的干扰，提高了解译的精度。相比高密度电法，在同样的时间内，64通道并行采集是串行采集的视电阻率的数据量的1 365倍[14]，大大提高了工作效率和成果的解译信息量。

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

1.2河床底部立体化成像方法

基于河道属于特殊的线性工程，勘察工作既要注重对两岸隐伏的地质灾害现象准确把握，同时还要达到兼顾明确河床段底部是否存在工程隐患的目的。电阻率法中的常规观测系统的布设方式只能反映剖面信息，为确保电流场覆盖整个河床底部，并行电法采用具有高分辨地多次覆盖识别地下洞体的三维布极模式[15]。图2为三维观测系统的单极-偶极布设示意。一般在测试过程中首先选择河道一侧布设电极电缆线，而B极被置于对岸中部附近作为参与计算的供电回路电极，利用并行电法仪采用AM法进行数据采集，测线上的所有电极依次与B极形成稳恒的地电场，其余电极同步瞬时采集地电数据，供电电极与测量电极之间的扫描测量，形成具有扇形几何体状多次覆盖的立体电场空间体。通过交换两岸的布设电极，实现了对河岸及河床底部地质特征的多次覆盖式观测，获得了各测点的自然电场、一次场和二次场电位的时空变化特征，有助于提升电法探测效率及精度。建立合适的坐标系统，对得到的地电数据按照实际位置进行统一坐标赋值，通过网格差分重构计算可还原出地质体在三维空间上的电场分布规律[16]，结合勘察区地质资料、揭露出的钻孔信息，进而预测出河道中隐伏的不良地质体范围﹑埋深﹑大小以及贯通性。

图2并行三维电法观测系统Fig.2Observation system of 3D parallel electrical method

一般地，海量的并行电法数据体在反演计算过程中，由于相邻单元间电阻率值差异较大和反演参数较多，使得最终迭代成果的电阻率值呈非唯一性收敛。通过在反演求解过程中加入光滑约束条件来改善计算的稳健性和可靠性，进而得到较为满意的电性构造结果，则有如下平滑度约束反演算法[17]：

(GTG+λCTC)Δm=GTΔd

(1)

式中：G为Jacobi矩阵；C为模型光滑矩阵；λ为阻尼因子。

通过求解Jacobi矩阵及大型矩阵逆的计算，来求取各三维网格的电性数据。残差向量Δd的大小采用均方根误差RMS来衡量，并作为反演收敛的标准。通过不断地循环迭代改正，直至最终模型的计算视电阻率和观测视电阻率数据的误差达到满意程度。

2工程应用实例

以江山港河道勘察为例，采用并行电法技术开展区段岩溶调查，利用钻探揭露验证，进一步说明技术的适用性和有效性。

2.1工区概况及测线布置

江山港是钱塘江上游衢江右岸的第一条支流，干流全长134 km，是信安湖和钱塘江源头之一。为保障两岸人民的生产财产安全，加快城市化建设进程，改善水环境质量，开展江山港河道综合治理工程。江山港地层内主要出露基岩有一上白垩统南雄组上段(K2n2)、下段(K2n1)紫红色砂岩、侏罗系上统鹅湖岭组d段(J3ed)熔结凝灰岩、上二叠统雾霖山组下段(P2w1)石英砂岩、中石炭统藕塘底组(C2o)灰岩夹泥岩及第四系地层。在丰足溪下游及达岭溪基岩为埋深较浅的灰岩夹泥岩且受侵蚀严重，可能形成局部或者大面积岩溶溶洞，拟采用并行电法对该段开展探测工作，以期查明河道是否存在溶槽、溶洞和破碎带等不良地质体，也为钻探布置提供更合理的靶区。

图3测线布置示意Fig.3Layout of exploration line

测线布置如图3，在河道a侧(右侧)布设电法测线CX1，电极间距为1 m，自上游至下游依次布设电极道1#～64#，B1极至于b岸(左岸)测线中心位置距测线垂距长26 m；左岸测线CX2同理。本次探测仪器采用WBD-1型并行电法仪，采样方式为AM法，供电时间500 ms，采样间隔50 ms，单次采集64通道仅需96 s即可完成高分辨地电探数据体的收录。测试时，河水位距岸顶高差为3.8 m，河底深度距岸顶4.5 m。

2.2探测结果分析

2.2.1二维电阻率断面

图4左右岸河道的视电阻率等值线Fig.4Contour map of apparent resistivity of left and right banks of the river course

现场测试的激励电流和一次场电位数据，经过配套的软件进行数据解编、电极坐标、噪声剔除、视电阻率计算得到测线剖面上二维视电阻率断面见图4。分别以每条测线起点为坐标(0，0)，沿测线布置方向为剖面长度L的正方向(由左向右，下同)，竖直向下为探测深度H的负方向。图4(a)是河道右岸的视电阻率色谱图像，除地面表层受散落碎石干扰影响，造成局部出现阻值较大外，整体上视电阻率值小于80 Ω·m；测线上0～30段视电阻率相对较低且呈斜条带状向右下方深部延展，可能为岩土体破碎富水所致。图4(b)成果图相较于图4(a)视电阻率图像整体分布较为均匀，10 m以下岩体连续性较好，不过图像测线上20～30 m段，埋深20 m以下出现相对于周围的低阻突变现象，可能在河床底部发生岩土体性质的改变。综合河岸两条测线成果，可以看出河岸下方的右侧段相比于左侧视电阻率连续性较好且阻值较大，左侧可能存在岩溶发育的不良地质现象。二维视电阻率剖面对河岸两侧下伏地层电性特征有较好的反映，但对河床内的地层分布及岩溶发育现象缺乏较全面科学地认识。

2.2.2三维电阻率成像

对左右岸所测得的AM法数据体进行常规解编，选取右岸1#电极(0，0，90.26)为三维空间的基点，取水流方向为测线长度的正方向，取指向对岸为线距正方向。各电极点按照相应于基点的空间位置赋予坐标值，有序拼接成软件识别的文件格式。如图5，利用EarthImage3D软件反演计算得到的河道立体空间地电场展布图，图像上直观的显示出两岸及河床的起伏地形，河床深度为85.7 m，左右岸河岸宽分别为3 m。从图5可以看出，沿水流方向上河床段电阻率值较大，高、低阻异常区分布清晰，易于判断出岩溶地层在河床段的发育情况。图6是反演迭代计算过程中，RMS误差和L2泛函随迭代次数增加的趋势线，当迭代次数达到可接受次数(N=4)时，均方根误差仅为7.45%，显然采用平滑度约束反演算法可有效的压制河岸地表不均匀体、起伏地形以及河水等噪声的干扰，降低产生虚假构造的可能性。

图5河道三维电阻率结果图像Fig.53D resistivity image of river course

图6反演误差与迭代次数的关系Fig.6Relationship between inversion error and iteration times

2.3成果分析

图7为河床底部下方不同深度的电阻率水平切片，较为清晰的反映出河床底部地层沿垂直方向上的变化态势。

图7三维电阻率水平切片Fig.73D resistivity of horizontal section

第1切片(从上向下)电阻率值整体较低，可能受河水影响，反映的是河床浅层的地质信息；第2切片、第3切片中右岸左侧段电阻率值相对较低且低阻区域有向左岸延展的趋势，可能该段存在局部岩溶段且向左岸溶蚀，河床右侧段高阻区呈片状分布；在第4切片中右岸左侧区阻值开始增大，显示出孤立的高阻区，可能存在局部溶洞现象。总体而言，探测段电阻率值较低主要分布在35～120 Ω·m，由浅及深高阻区域逐步扩大且连成一片，相较于右侧电阻率形态较为规则、连续，左侧不同高度的电阻率曲线变化不一，局部出现明显的低阻。据此结合两岸的二维视电阻率成果，分布在左右岸两侧位于测线上17 m处布设钻孔验证孔FZS01、FZS02，钻探结果如图8。

图8钻孔FZS01、FZS02岩芯柱状图Fig.8Histogram of FZS01 and FZS02 drilling core

图8为FZS01、FZS02钻孔柱状图，其中FZS01钻孔孔深26 m，在孔深18.9 m处出现灰岩层，下伏层高程68.43和66.33 m处分别存在两处垂高为0.5 m和0.9 m溶蚀段，内部主要被碎石、黏土等杂物充填；钻孔FZS02中也存在两处溶洞，其中12.4～16.8 m存在大规模的岩溶洞穴，钻探过程中出现掉钻、钻孔内水位明显下降及浑水等现象。试验表明钻探验证资料与物探成果吻合度较好。

3结论

1) 并行电法技术采用拟地震化的数据收录模式，同步快速的获取地质体海量的地电数据体，为有效的开展覆盖性岩溶区河道多维电法勘察提供了新的技术手段。

2) 对岩溶区河道探测试验表明，二维视电阻率图像可有效的反映出右岸溶洞埋藏较浅且洞径较左岸较大；三维立体化反演更全面准确的揭示出整个测区内的岩溶分布，右岸溶洞向河床内延展但未抵达左岸，测试成果与实地钻探验证结果一致。

3) 三维电阻率成像在平滑度约束反演计算中，决定最优的反演成果与初始模型、圆滑系数、阻尼因子以及层厚度等因素的恰当选取有较大关联，结合有关的钻孔资料作为反演计算的约束条件对提高解译水平大有裨益。

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(责任编辑：谭绪凯)

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

水利部技术示范项目(SF-201725);浙江省省属科研院所专项计划(2014F50016);浙江省水利河口研究院院长基金项目(ZIHE2016014);浙江省科技厅重点计划研发项目(2017C03008);浙江省水利厅科技计划项目(RC1543);浙江省科技厅院所扶持专项项目(2016F50003)

李红文(1970—)，男，河南平顶山人，高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察方面的研究。E-mail：496962410@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.10