基于三维电阻率法的水电工程隧道地质条件探查

黄 瑶

(南宁理工学院 土木与工程学院, 广西 桂林 541006)

0 引言

随着工程隧道的建设量不断增加,所遇到的工程地质问题也越来越复杂。水电工程隧道由于用途的特殊性,隧道选址要求较高,隧道施工中对地质条件探查的要求也比较高。在隧道施工时,探测异常地质体,并确定其空间位置、形状、大小及埋深,查明有害地质体中填充物(如有害气体、地下水、沉积物或泥浆)的性质,探测不同岩性构造之间的分界面至关重要。为了有效获取隧道工作面前的地质构造,隧道地质条件探查的理论和技术一直是研究者们关注的焦点。近50年来,超前勘探从钻井和地质分析发展到非破坏性地球物理勘探,由于地球物理方法具有探测快速、破坏性较小以及施工高效等特点,在隧道地质条件的探查以及异常体的圈定方面得到了广泛应用[1-6]。由于电阻率法对隧道各地质结构的电性特征响应明显,对地层电导率差异敏感,识别地质结构及地层的能力较强,所以电阻率法在隧道地质条件探查方面发展迅速。采用高密度电阻率法可以准确探查出隧道前方溶洞的位置及判断出岩层的富水区[7-8],也可以探测出隧道隐伏断层的位置[9]。但上述电阻率法对隧道施工地质条件的探查与研究只是针对二维平面,对地质条件的空间分布特征研究较少,不能从整体空间上判断隧道地质条件。而水电工程隧道前方地质异常体的空间位置、形状、大小是预测隧道前方围岩质量,分析隧道施工过程中可能遇到的地质灾害的类型、风险和规模等亟待解决的关键难题,因此,对水电工程隧道的地质条件三维空间探查非常重要。

近年来,随着计算机技术的进步,三维电阻率法取得了长足的发展,在数值模拟方面[10-12]和三维电阻率法反演方面[13-16]都取得了不少的成果。本文以三维电阻率法为基础,构建水电工程隧道中不同地质异常体的三维数值模型,模拟地质异常体的空间电性分布特征及响应特征,为解决水电工程隧道施工所遇到的地质问题提供技术支持。同时,将三维电阻率技术应用于现场实际探测中,结合地质资料,实现了对隧道施工地质条件的三维探查,保障了隧道的安全施工,证明该方法具有良好的推广实用价值。

1 三维电阻率技术

三维电阻率法勘探是电阻率法的三维可视化的发展,以岩层、地层及地质结构的电性差异为基础,通过空间范围内隧道及周围地质结构的电阻率值的不同来判断隧道相应的地质条件[17-19]。电阻率法对水、岩层、空洞的电阻率差异响应明显,因此对水电隧道地质条件的探查具有良好的探测效果,三维电阻率勘探技术能够有效判断异常体的空间位置、形状及大小,完成对异常体的定位。电阻率法的探测深度与测线的长度和供电电流等因素有关,一般的水电工程隧道施工深度较浅,三维电阻率法的探测深度能满足浅层隧道的探测要求,对含水构造的响应特征明显,适用于水电工程隧道的建设。

本文采用的是用有限元法求解正演问题的全三维反演方法。正演计算构建三维地电断面模型,将三维区域划分为大量的小区块,每个小区块赋予相应的电阻率值,根据相应的插值公式,确定整个空间内的电阻率值[20-22]。反演计算通过现场探测,获得测区内的电位数据。反演问题的一般形式可表达为:

Δd=GΔm,

(1)

式中:G为Jacobi矩阵;Δd为观测数据d和正演理论值d0的残差向量;Δm为初始模型m的修改向量[23-26]。为了提高复杂解的稳定性,在传统的阻尼最小二乘法的基础上加入光滑约束,反演求得光滑模型,其中Δm的算法为:

(GTG+λCTC)Δm=GTΔd,

(2)

式中:C是模型光滑矩阵;λ为阻尼因子。通过对Jacobi矩阵G及大型矩阵逆的计算,获得各三维网格相应的电性数据。通过比较正演计算与反演计算的结果,利用反演程序在反演过程中调节各子块的电阻率,以均方差[27-28]作为相似程度的判断标准,均方差小于标准后,正演构建的地电模型即可近似被认为是测区内的真实地电模型。根据测区内电性结构的分布特征,判断其相应的地质条件及圈定相应的地质异常体。

2 数值模拟

为了研究三维电阻率法对水电工程隧道地质异常体的响应程度,基于AGI软件平台,通过构建2个水电工程隧道地质条件的数值模型,模拟测区内有含水溶洞、断层破碎带及岩层含水时空间范围内电性分布特征。

模型如图1所示,在电阻率为1 000 Ω·m的均匀空间中有一个异常体,其长×宽×高为30 m×20 m×10 m,中心埋深为20 m,异常体分别设置为低阻(10 Ω·m)和高阻(10 000 Ω·m)。布设5条测线,电极间距为5 m,测线长145 m,测线之间的间距为20 m。数据采集方式为温纳三极装置。

图1 数值模型示意Fig.1 Layout of model 1

本文研究的是水电工程隧道的地质条件,因为地层中含水量较大,因此模拟时围岩电阻率的取值较小,同时也有利于有效区分低阻异常体。

模拟结果如图2所示。图2a显示低阻异常体在深度25 m时表现最为明显,异常体的大小及分布位置与模型的位置对应准确,低阻异常体与周围均匀介质的分界线明显。因此,三维电阻率法对低阻异常体的探查具有很高的准确性,并且能够准确探查低阻异常体的位置。图2b中可以明显分辨出高阻异常体,在深度25 m时中心位置电阻率值由最高向四周扩散,最后趋于背景电阻率,且高阻异常体的空间分布与模型设置较为一致。高阻异常体与背景电阻率的响应特征都比较明显,模拟结果可以准确圈定高阻异常体的范围。

(a) 低阻体模型的反演结果及异常体等值面

通过数值模拟可以判断三维电阻率法能够准确探明水电工程隧道的地质条件,对隧道施工过程中遇到的溶洞问题能够作出明显的判别。因此,三维电阻率勘探技术对水电工程隧道地质条件的探查具有很好的适用性及可靠性。

3 现场实测

3.1 工区地质条件及测线布置

云南某水资源配置工程,需要利用隧道进行水资源的配置。该地区地貌以丘陵为主,且岩溶发育较多,隧道位于岩溶发育区域,场地经人工填平,地势较平坦。前期钻孔资料揭示工区主要分布第四系覆盖层,以粉质黏土为主,电阻率变化较大,一般为20～220 Ω·m;覆盖层下发育二叠系灰岩及泥盆系灰岩,电阻率一般为420～1 200 Ω·m。为探查该隧道的施工地质条件,在隧道前方布设7条测线(图3),线距均为20 m,每条测线均有90个电极,电极距1.5 m,测线方向与隧道开挖方向一致。采用温纳装置进行数据采集。

图3 工区测线布置Fig.3 Layout of survey line

3.2 反演结果及综合解释

对7条测线的数据采集采用二维剖面采集模式,获得了质量较好的数据。合并数据后基于AGI软件平台进行三维反演。由于现场环境噪声较小,阻尼因子取值较小,初始阻尼因子为0.15,最小阻尼因子为0.01,结合隧道开挖的位置构建三维探测坐标。图4为反演得到的电阻率分布,可以看出剖面中电阻率具有明显的分层性:浅部低阻层约为40Ω·m,埋藏深度1～4 m,推测为工区的第四系覆盖层;其下方为明显的高阻层,电阻率为620～1 100 Ω·m,推测为二叠系灰岩。

图4 三维电阻率反演结果Fig.4 Result of 3D resistivity inversion

同时,三维反演结果中存在2个明显的高阻异常体,电阻率值约为10 000 Ω·m。为了准确判断异常体的大小及空间分布,绘制了三维电阻率等值线图(图5)。图中左侧的高阻异常体较右侧的异常体大,结合现场的地质资料与数值模拟结果,可以判断这两个高阻异常体为溶洞,溶洞内含水极少,为溶洞空洞。左侧溶洞上部发育大,具有向左下延伸的趋势,埋藏深度较大,大小约为20 m×25 m×20 m;右侧溶洞较小,约为15 m×10 m×10 m,埋藏深度也较浅。

图5 高阻异常体的三维图示Fig.5 3D diagram of high resistivity anomalous bodies

为了详细研究该隧道开挖过程中的隧道前方的地质条件,截取了三维反演结果中平行隧道测线的L4的电阻率剖面(图6)。可以看出:各地层岩性电性特征明显不同,地层之间具有较好的分层性,基岩面的起伏形态能够很好地分辨,溶洞的位置、大小及含水性均得到很好的显示。

图6 L4线的反演电阻率断面及解释成果Fig.6 Inversion result and interpretation of survey line L4

3.3 钻孔验证

为验证三维电阻率法探测的准确性,在测线L4上方布设钻孔D1,图7给出了D1的钻孔柱状图及典型数字岩心图。钻孔揭示第四系覆盖层厚度为1.5 m,溶洞埋深6.4～10 m,溶洞内以空洞为主,未发现水及泥沙等破碎充填物。覆盖层厚度、基岩面埋深、溶洞的大小及充填物的性质与三维电阻率反演结果一致,取得了良好的探测效果。

图7 D1柱状图及典型数字岩心图Fig.7 Bar chart and typical digital core chart of borehole D1

4 结论与建议

1)三维电阻率技术对隧道地质条件具有较好的响应程度,能够有效探测河床地质条件的三维特征,对断层、含水破碎带等异常体能够有效辨别,对判断溶洞的大小、空间分布以及充填物的性质具有良好的效果;三维电阻率技术对水电工程隧道的施工地质条件的空间探查具有很好的适用性。

2)利用三维电阻率技术对水电工程隧道进行现场探测,经钻孔验证,取得了良好的探测效果。三维电阻率技术能够准确判断其空间范围内的覆盖层厚度、基岩面分布特征。

3)三维电阻率技术能够有效探测隧道的空间范围内的地质条件,为隧道的安全开采提供保障,同时为类似工程的施工提供技术支持。