（信号与信息处理专业论文）基于激电法隧道涌水超前探测仪的研究与实现.pdf

丫i11h17119h。ih7ih1i1ii 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：签逸蔓： 日 期：趔! 堡：互：多。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：嫩导师签名：堡! i 丝日期：娅：臣：2 。 1 1 研究背景4 1 2 论文安排一5 第二章超前地质预报技术7 2 1 常用超前地质预报方法一7 2 2 含水层探测技术8 2 2 1 常用的含水层探测技术8 2 2 2 激发极化法9 2 3 激电效应的基本理论l l 2 3 1 双电层理论1 2 2 3 2 离子导体激电效应的机理薄膜极化1 2 2 4 基于二电流激发极化法的探测仪实现方案1 4 第三章二电流激发极化法探测系统设计l5 3 1c 8 0 51f 0 2 0 简介15 3 2 发射机1 6 3 2 1 直流恒流电源设计1 6 3 2 2 单片机控制模块。17 3 2 3 测量接地电阻1 8 3 3 接收机19 3 3 1 单m c u 模式1 9 3 - 3 2p c + m c u 模式2 l 第四章优化技术2 3 4 1 信号采集2 3 4 1 1 输入信号的前级处理2 3 山东大学硕士学位论文 2 4 1 2 自适应增益放大2 4 4 2 系统实时性2 7 4 2 1 发射机实时性2 7 4 2 2 接收机实时性2 7 4 3 数据在c f 卡中的文件存取3 0 4 3 1f a t 文件系统。3 0 4 3 2 单片机实现c f 卡中的f a t 文件存取3 3 4 4 信号提纯技术4 2 4 4 1 去除电磁干扰4 2 4 4 2p i d 调零去除极化干扰4 6 4 4 3 小波变换去噪5 l 第五章模型试验及现场应用6 0 5 1 模型试验6 0 5 2 现场试验6 2 第六章总结和展望6 4 6 1 总结6 4 6 2 展望6 5 参考文献6 6 致i 射7 1 攻读硕士期间参与的工程项目和发表的论文7 2 一 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 1 e n g l i s ha b s t r a c t 2 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 4 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 4 1 2f r a m eo f p a p e r 5 c h a p t e r2g e o l o g i c a lp r e d i c t i o nt e c h n i q u e s 7 2 。lc o n v e n t i o n a lg e o l o g i c a lp r e d i c t i o nt e c h n i q u e s 7 2 2a q u i f e rp r e d i c t i o nt e c h n i q u e s 8 2 2 1c o n v e n t i o n a lp r e d i c t i o nt e c h n i q u e s 8 2 2 2i n t r o d u c e dp o l a r i z a t i o nm e t h o d 9 2 3i n t r o d u c e dp o l a r i z a t i o ne f f e c t 1l 2 3 1t h e o r yo f e l e c t r i cd o u b l el a y e r 1 2 2 3 2i o n i cc o n d u c t o ri pe 1 j f e c tm e c h a n i s m _ 】m e m b r a n ep o l a r i z a t i o n 12 2 4t h ei m p l e m e n t a t i o no fd e t e c t o rb a s e do nt w o - c u r r e n ti p 14 c h a p t e r3 t h ed e s i g no fd e t e c t o rs y s t e mb a s e do nt w o c u r r e n ti p 15 3 1c 8 0 5lf 0 2 0o v e r v i e w 15 3 2t r a n s m i t t e r 16 3 2 1d cc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ed e s i g n 16 3 2 2s c mc o n t r o lm o d u l e l7 3 2 3 e a r t h i n gr e s i s t a n c em e a s u r e m e n t 18 3 3r e c e i v e r 1 9 3 3 1s i n g l em c um o d e 19 ：i ：i 2p c + m c um o d e 2 1 c h a p t e r4o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e 2 3 4 1a c q u i s i t i o no f s i g n a l 2 3 4 1 1i n p u ts i g n a lp r e p r o c e s s i n g 2 3 4 1 2s e l f - a d a p t i n gg a i na m p l i f i e r 2 4 4 2s y s t e mr e a l - t i m e ：! 7 4 2 1t r a n s m i t t e rr e a l t i m e 2 7 4 2 2r e c e i v e rr e a l t i m e ：1 7 3 山东大学硕士学位论文 4 4 3d a t af i l ea c c e s si nc fc a r d 3 0 4 3 1f a t f i l e s y s t e m - 3 0 4 3 2a c c e s s i n gf a tf i l e s y s t e mi nc fc a r du s i n gs c m 3 3 4 4s i g n a lp u r i f i c a t i o nt e c h n i q u e s 4 2 4 4 1r e m o v i n ge l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 4 2 4 4 2p i dz e r o i n gt or e m o v ep o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c e 4 6 4 4 3w a v e l e tt r a n s f o r md e - n o i s i n g 5 1 c h a p t e r5m o d e lt e s ta n df i e l da p p l i c a t i o n 6 0 5 1m o d e lt e s t 6 0 5 2f i e l da p p l i c a t i o n 6 2 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 6 4 6 1c o n c l u s i o n 6 4 6 2p r o s p e c t 6 5 r e f e r e n c e 6 6 a c k n o w l e d g e m e n t 7 1 p r o j e c t sa n dp a p e r s 7 2 譬 山东大学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展，深埋长大隧道建设越来越多，隧道施工过程中出现的涌水 等地质灾害也越来越多。这些灾害不但会延误工期，造成巨大的直接和间接经济 损失，还可能会造成人员伤亡。因此，寻找到一种能够有效地预测隧道前方溶岩 地质的方法并制作基于该方法的仪器，已经越来越重要。 二电流激发极化法是根据含水构造对激发极化效应的影响来预测隧道前方的 含水构造的。利用这种方法可以预测含水构造的存在、位置，甚至可以预测出含 水量的多少。因为仪器测量精度等原因，在此之前该方法多限于理论研究，应用 于实际的情况很少。 本论文的主要内容是设计和实现基于该方法的隧道涌水超i ；i 探测仪，对关键 环节进行深入研究，并采用优化技术。首先，介绍了激发极化效应的概念和二电 流激发极化法的机理，从理论上分析探测仪设计的有效性：其次，介绍基于该方 法的探测仪系统的设计方案、组织结构和各部分的功能，提纲挈领地从整体上把 握系统的设计思路；再次，分别从硬件设计和软件设计两个层面上，对信号采集、 传输、存取和提纯等环节深入研究，提出优化设计方案，采用了两级5 0 h z 陷波、 自适应增益放大、全中断数据流、c f 卡上的f a t 文件存取、基于p i d 算法的两级 调零和小波变换去噪等技术，提高了系统的稳定性、精确性、实时性和使用灵活 性，满足科研和实际应用的双重需要：最后，利用设计完成的探测仪进行模型试 验和现场试验，对试验结果进行分析，进而在实践中证明了仪器和方法的有效性。 关键词：二电流激发极化法；小波变换；f a t 文件系统：自适应增益放大；全中 断数据流 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , m o r ea n dm o r ed e e ps e a t e dl o n gt u n n e l sa r eb e i n g c o n s t r u c t e d ，s ow a t e ri n r u s ha n do t h e rg e o l o g i c a ld i s a s t e r sa l ea l s oi n e r e a s i n gd u r i n gt h e t u n n e lc o n s t r u c t i o n t h e s ed i s a s t e r sn o to n l yd e l a yt h es c h e d u l e ，r e s u l t i n gi nh u g ed i r e c t a n di n d i r e c te c o n o m i cl o s s e s ，b u ta l s om a yc a u s ec a s u a l t i e s t h e r e f o r e ，f i n d i n ga n e f f e c t i v em e t h o dt o p r e d i c tk a r s tg e o l o g yi nf r o n to ft h et u n n e la n dm a k i n gt h e e q u i p m e n tb a s e do nt h i sm e t h o dh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t w o - c u r r e n ti pm e t h o dp r e d i c t sw a t e rb e a r i n gs t r u c t u r ei nf r o n to ft h et u n n e l ，b a s e d o nt h ee f f e c to fw a t e rb e a r i n gs t r u c t u r eu p o ni n d u c e dp o l a r i z a t i o n u s i n gt h i sm e t h o d ， w ec a np r e d i c tt h ep r e s e n c eo fm o i s t u r es t r u c t u r e , t h el o c a t i o n ，a n de v e np r e d i c tt h e w a t e rc o n t e n t b e c a u s eo ft h ei n s t r u m e n tm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n do t h e rr e a s o n s ，t h i s m e t h o di s m o s t l yl i m i t e dt ot h e o r e t i c a ls t u d i e sb e f o r e ，r a r e l ya p p l i e dt ot h ea c t u a l s i t u a t i o n t h i sp a p e ri sa i m e dt od e s i g na n di m p l e m e n tt h et u n n e lw a t e ri n r u s ha d v a n c e d d e t e c t o rb a s e do nt h i sm e t h o da n dt om a k et h o r o u g hr e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o nt o s e v e r a lk e yl i n k s f i r s to fa l l ，t h ei n d u c e dp o l a r i z a t i o ne f f e c ta n dt h em e c h a n i s mo f t w o - c u r r e n ti pm e t h o da l ei n t r o d u c e dt o a n a l y z et h ee f f e c t i v e n e s so ft h i sd e t e c t o r s y s t e mt h e o r e t i c a l l y ；s e c o n d ，i n t r o d u c et h ed e s i g n , t h es t r u c t u r ea n dm e i rf u n c t i o n so f t h ed e t e c t o rs y s t e mb a s e do nt h i sm e t h o d , s ow ec a ng r a s pd e s i g ni d e a so ft h ew h o l e s y s t e mi ng e n e r a l ；f r o mt h et w ol e v e l so fh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n , m a k e t h o r o u g hr e s e a r c ht oa c q u i s i t i o no fs i g n a l ，d e l i v e r y , i t c , c e 豁a n dp u r i f i c a t i o na n do t h e r k e yl i n k s ，a n dp r o p o s eo p t i m a ld e s i g nt e c h n i q u e s ，s u c ha st w o - s t a g e5 0 i - i zn o t c h f i l t e r i n g , s e l f - a d a p t i n gg a i na m p l i f i e r , a l li n t e r r u p td e l i v e r ym e c h a n i s mo fd a t as t r e a m , a c c e s st od a t af i l ef r o mf a tf i l e s y s t e mi nc fc a r d ，t w o - s t a g ez e r o i n gb a s e d0 1 1p i d 2 山东大学硕士学位论文 a l g o r i t h m ，w a v e l e t t r a n s f o r md e - n o i s i n gt e c h n i q u ea n ds oo n ，t oi m p r o v es y s t e m s t a b i l i t y , a c c u r a c y , r e a l - t i m ea n du s ef l e x i b i l i t y , s a t i s f y i n gt h er e s e a r c ha n dp r a c t i c a l r e q u i r e m e n t s ；f i n a l l y , p u tt h ei n s t r u m e n t a t i o nb a s ho nt h ed e s i g nt om o d e lt e s ta n d f i e l dt e s t ，a n a l y z et h em e a s u r i n gr e s u l t ，a n dt h e np r o v et h ev a l i d i t yo ft h ei n s t r u m e n ta n d t h em e t h o df r o mp r a c t i c e k e yw o r d s ：t w o - c u r r e n ti pm e t h o d ：w a v e l e tt r a n s f o r m ；f a tf i l e s y s t e m ；s e l f - a d a p t i n g g a i na m p l i f i e r ；a l li n t e r r u p td a t as t r e a m 3 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 我国是建成隧道最长、数量最多的国家，也是隧道穿越各种水文地质条件最复 杂的国家，同时是隧道发展建设最多、最快的国家。而且深埋、长距离地下隧道 工程越来越多。这类隧道由于其埋深大、洞程长，因而勘探过程中会遇到一系列 方法技术难题。隧道周围一定范围内的岩溶洞穴及断层构造，都将对隧道施工产 生安全隐患，严重时会在施工中产生坍塌或涌水，如果不采用准确、快速的探测 手段，在隧道施工中的勘查阶段对施工地区一定深度范围内的溶洞、断层、地下 水等地质构造的赋存状态进行超前宏观预测，不仅会严重影响工程进展，增加工程 造价，有时甚至会发生重大安全事故，对施工人员的生命安全及施工机械造成严重 威胁【i 】【2 】【3 1 。 地下工程突水突泥等灾害频繁发生，如宜万铁路野三关隧道2 0 0 7 年8 月5 日发生 特大涌水，死亡l o 人；马鹿箐隧道2 0 0 6 年1 月发生涌水，死亡1 1 人。日本旧丹那隧 道1 9 1 8 年开工后曾6 次遇到大的突水，导致隧道至1 9 3 4 年才建成；清水隧道曾遇及 1 5 8 4 x1 0 4 m 3 d 的突水；大清水隧道曾遇及1 2 0 3 8 4 x1 0 5 r n 3 d 的突水；青函隧道曾4 次遇到1 1 5 2 1 0 5 m 3 d 的突水，前后共死亡3 4 人，伤残1 3 0 0 余人，经5 个多月才控 制，总工期较计划推迟1 0 年之久；瑞士与意大利之间的辛普伦l 号隧道为控制山体 压力及地下水，比原计划多花5 倍资金，时间推迟了1 5 年。总之，隧道突水、突泥 给施工安全带来了重大灾难和无法估计的经济损失h 5 l 。这些灾害的发生，主要是 不能提前预知隧道前方含水体及其大小。因此，隧道地质超前预报是隧道施工过 程中必不可少的一道工序。目前，在隧道超前探测领域，使用较多的有地震波法、 超前钻孔法、声波法、红外探测法，激电法等等，这些方法都有各自的缺陷，因 此隧道施工中要综合运用多种探测方法，提高预测的准确性。而且目前还没有哪 种方法能对隧道前方水体预报进行准确定位，更无法进行涌水量的估算；在岩溶 裂隙水等不良地质实时预报方面还缺乏先进的科学预报方法和设备。 4 山东大学硕士学位论文 激发极化是发生在地质介质中，因外电流而引起介质内部出现电荷分离，产生 一个附加电位的一种物理化学现象。激电法，就是根据不同的地质介质和地质构 造产生的附加电位大小不同，充放电特性不同的特点，来预测未知地质成分和结 构的。激电法在找水、找矿中的运用已经普遍，但是在隧道超前探测中的运用还 处于探索阶段。基于激发极化原理，有些人提出了利用二电流激发极化法探测水 源并确定含水量的理论，使用这种方法既可以判断含水构造的有无，还可以确定 含水构造的位置，甚至可以推断出含水量的大小。 新技术的发展和新理论的提出为很多探测理论的证明和应用创造了条件。随着 微电子技术的发展，越来越多的高性能、高精度芯片应用于仪器仪表制造领域， 它们提高了信号的采样精度和处理速度。越来越多好的去噪方法被提出，例如各 种小波变化去噪技术，它能够兼顾频域和时域的双重分辨率，从而能够满足对采 集信号进行各种去噪处理的要求。这些都为超前预测方法的证明和应用创造了条 件。 本课题源自山东大学信息学院和岩土中心合作的一个8 6 3 项目，要求设计一 个基于二电流激发极化法的具有较高精度、较高稳定度且能满足科研需要的隧道 涌水超前探测仪系统。该探测仪系统即能用于隧道施工现场，又能用于科研领域， 因此具有很高的市场价值和科研价值。本系统研发过程中，进行了大量的实验， 包括数值模拟仿真实验，室内试验，物理模型内的试验，以及在青岛海底隧道、 锦屏国家二级水电站引水隧洞等地的现场试验。通过总结试验中出现的问题，不 断提高系统的稳定性，现已经达到了实用水平。 1 2 论文安排 本文的主要工作是基于二电流激发极化法提出一种隧道涌水超前探测系统的 设计方案，着重阐述接收机系统的一系列优化设计。论文共分为九章，各章的内 容如下： 第一章介绍该探测系统的研究背景。包括地质探测理论的现状，探测仪制造 技术和信号去噪技术的发展，介绍介质的激发极化现象以及基于这种现象的物探 方法。激发极化现象是二电流激发极化法提出的现实基础。 5 山东大学硕士学位论文 第二章介绍常用的超前探测方法，分析它们的优缺点，介绍激发极化法及其 原理，提出二电流激发极化法及其实现方案。 第三章介绍该探测仪系统的设计方案，对发射机、接收机下位机和接收机上 位机结构、功能进行剖析。介绍该系统的总体设计框架。 第四章是本文的重点，分别从信号的采集、传输、存取和提纯几个方面详细 介绍系统的实现。正是这些环节采用的一些优化技术提高了系统的稳定性、精确 性、实时性和易用性。 第五章列出了模型试验结果和隧道施工现场的试验情况，证明了该系统的有 效性、实用性。针对该探测系统建立了试验模型，正是通过在模型中的进行反复 试验，对试验数据和出现的问题进行分析总结，对系统设计和试验手段进行修改， 才使得该探测系统性能不断提高、试验方法日趋合理、二电流激发极化法理论得 以完善。通过在“锦屏国家二级水电站引水隧洞”等施工现场的试验和对试验结 果的分析，证明了探测仪系统的有效性。 第六章对本文的工作进行总结，并指出本文研究的不足之处以及尚待解决的 问题，同时指明下一步研究工作的方向。 论文的最后是参考文献、致谢以及作者在硕士就读期间参与的工程项目和发 表的论文。 6 山东大学硕士学位论文 量量量曼曼曼曼曼曼曼曼量皇曼曼曼皇曼曼曼量曼量曼曼曼曼舅曼曼曼鼍皇皇量曼量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅皇量皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼量量鼍量量曼吕量鼍曼曼舅 第二章超前地质预报技术 2 1 常用超前地质预报方法 超前地质预报( g e o l o g i c a lp r e d i c t i o n p r o s p e c t i n g ) 是在隧道开挖时，对掌子 面前方的围岩与地层情况做出超前预报，是保证安全施工的重要环节，是国内外 工程地质界和隧道工程界十分关注却又没有得到很好解决的难题。目前，在地下 工程超前预报领域中常用的方法有t s p 超前预报技术、超前钻孔、陆地声纳、地 质雷达、红外探水法等【6 l 【7 l 【8 1 ，各种方法都为地下工程的施工带来极大的便利。由 于物探手段本身的特性，使其对某些特定地质体的预报反应不够灵敏，同时也受 很多因素的限制。 钻孔探测是隧道地质探测中最常用的方法，但作为隧道施工中的超前探测手 段有许多不足的地方，该方法主要缺点是成本高，横向探测范围小，在隧道工作 面实施水平超前钻探对隧道施工有较大的影响。上述缺点大大限制了钻孔探测在 隧道超前地质预报中的使用。 t s p 超前预报技术是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报 隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况的。t s p 2 0 3 隧道地震波超前地质预报系 统，是瑞士安伯格( a m b e r g ) 公司专门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制、开 发的，是目前世界上在这个领域最先进的科学成果。具有预报距离长不需要占用 隧道工作面，对隧道施工影响小的优点。但是，该法受预报地质工程师的经验和对 信号判释水平的影响，存在多解性或误判现象。而且设备投资较大，实施时耗材成 本较高。陆地声纳法，又称高频地震反射法，在掌子面附近，单点采集高频地震 反射信号形成连续剖面，可以预报掌子面前方较短距离内的的断层及其它地质界 面的位置和产状。但是，也需要经验丰富的地质工程师才能解释，也存在多解性 或误判现象【9 】。 红外探水法是利用隧道中围岩向外发射的红外线电磁波探测含水构造的。隧 道围岩向外发射的红外电磁波形成了红外辐射场，岩层向外发射红外线的同时也 7 山东大学硕士学位论文 把内部的地质信息传递了出来。地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化， 红外探水仪是通过接受岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场强的变化值， 来确定掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。红外探水法使用快速方便， 但是只能定性判断是否存在含水体，无法确定含水体的位置，更不能预测含水量。 地质雷达探测法又称为电磁波法，属于电法探测的一种，基于地下介质的电 性差异，向隧道掌子面前方发射高频电磁波，并接受掌子面前方介子反射的电磁 波进行处理、分析解译的一项技术。该方法探测距离一般小于3 0m ，在潮湿的含 水层中小于1 0m 。施工时需占用掌子面，影响施工。 2 2 含水层探测技术 2 2 1 常用的含水层探测技术 预测隧道施工中的涌水情况一般采用风险分析和仪器探测相结合思路，综合 各种方法进行科学预报【1 0 1 。因为含水层具有灵敏的电磁特性，例如：电阻率较低、 激发极化效应明显等，所以一般使用电方法进行含水层的探测【1 1 f 1 2 】。常用的方法 有：电阻率法【1 3 】、自然电场法【1 4 l 、激发极化法【1 5 】、核磁共振法【1 6 】等。 电阻率法探水的依据是含水体和周围岩石之间的电阻率差异，从物理学中我 们已经知道，导体的电阻与导体的电阻率和长度成正比，与垂直电流方向的导体 横截面积成反比。通过在地面上任意两点间用供电电极a 、b 供入电流值为i 直流 电，在另外两点间用测量电极m 、n 测量电位差av 删，通过电阻率和电阻之间的 关系可以计算出电阻率值。如果大地是一个均匀的、各向同性的介质，那么，该 计算结果就是该介质的电阻率值；如果地下存在不同电阻率的介质( 例如：低电 阻率的含水体) ，那么计算结果就不等于地表介质的电阻率。因此，利用这种方法 求出来的电阻率又称为视电阻率。利用电阻率法，通过改变布极方式可以推断出 周围是否存在低电阻体，以及它的位置。但是，除了含水体之外各种矿藏也是低 电阻体，甚至一些岩石的电阻率也较低，因此该方法也存在一定的误判断性，可 以作为一种辅助方法。 在自然条件下即使不向地下供电，地面任意两点间也总能观测到一定大小的 8 山东大学硕士学位论文 电位差，这表明地下存在着自然电流场，称为自然电场。常见的自然电场有两类： 一类是呈区域性分布的不稳定的低频电场，称为大地电磁场；另一类是分布范围 局限于局部地区的稳定电场，它的存在往往和某些金属矿或地下水运动有关。自 然电场法，就是利用测量自然电场分布的方式来探查金属矿床和地下水及其流向。 核磁共振找水方法是利用核磁共振( n m r ) 技术探测地下水的一种新的地球物 理方法，也是目前唯一一种直接找水的方法【1 7 】。核磁共振指的是通过适当频率的 交变电磁场激发原子核，使其在不同能级之间共振跃迁。因为核磁共振的初始振 幅与所研究空间内的自由水中质子( 也就是氢核) 数成正比，也就是与含水量成 正比，因此可以用来探测一定范围内的地层中自由水的有无，以及含水量的多少。 它与传统找水方法相比具有高分辨性、高效性、信息量丰富和解释唯一性等优点。 但是，核磁共振信号的微弱导致核磁共振找水仪需要有高的接收灵敏度，所以它 极易受到电磁噪声的干扰，这是该方法的一大缺点，也导致它不能在电磁环境复 杂的场所使用。 2 2 2 激发极化法 在进行电阻率法勘探时，会出现如下现象：在向地下供入稳定电流的情况下 测量电极之间的电位差并非瞬间达到饱和值，而是随时间而变化，经过一段时间 后趋于稳定的饱和值；而断开供电电流后，电位差也并非瞬间衰减为零，而是在 最初的一瞬间很快下降，而后随时间缓慢下降并趋于零。这种发生在地质介质中 因外电流激发而引起介质内部出现电荷分离，由于电化学作用引起附加电场的物 理化学现象，称为激发极化( i p ，i n t r o d u c e dp o l a r i z a t i o n ) 效应【1 8 】【1 9 1 。下图为时间 域激发极化现象的示意图，将电化学作用产生的电流称为“二次电流 ，二次电流 在介质中产生的电场称为二次场，由于二次场作用形成的测量电极间的电位差用 k 表示；当介质中不存在极化体时同样电流作用下产生的电场称为一次场，由于 一次场作用形成的测量电极间的电位差用k 表示；实际测量中测量电极之间的电 位差是k 和a 巧之和，称为总场，用a v 表示【2 0 1 。 9 山东大学硕士学位论文 y 3 2 l o 图2 1 时间域激发极化现象示意图 激发极化法正是以不同地质介质之间的激电效应差异为物质基础，通过观测 和研究被测对象的激发极化效应来达到探测预报目的的。它作为一种对水体反应 灵敏的电磁勘探方法，以其独特的优点( 经济、无损、快速及信息丰富等) 广泛应用于 资源勘探与工程勘察中。它有对隧道不良水体反应灵敏的特点，在隧道及地下坑道 的超前地质预报中可用来预报工作面前方突水异常体及其涌水量情况。时间域激 发极化法【2 1 1 1 2 2 直接找水是我国物探工作者于上世纪7 0 年代中期集体发明的具有 我国自主知识产权的方法。它主要是利用地下水激发极化机制，形成的一个新方 法【2 3 】【2 4 】。它是利用激发极化效应，在地面向地下供给一个较大恒定电流，使地下 不同的岩石或水体受激发产生极化，极化的岩体或水体产生二次电场，通过计算 得到极化率和极化电流的衰减系数等参数。频率域激发极化法则是向大地供给一 个多频信号，然后计算视幅频率等参数，从而也能够得到含水层的极化率，它与 时间域激发极化法测得的极化率是等效的。 时间域激发极化法也可以用于预测隧道前方的地质情况。使用这种方法有多 种布极方式，例如：定电源二极法、定电源三极法、动电源二极发等，下图为其 中一种布极方式。首先要用直流恒流源a b 对隧道掌子面进行充电，并观察m n 两点之间的电压，待总电场稳定之后停止供电进入放电过程。通过观察放电曲线， 计算激电参数：极化率、衰减度、激发比、半衰时等，可以预测隧道前方的地质 情况。 1 0 山东大学硕士学位论文 i一 b ( ) nma n a 2 a l 图2 2 隧道测量的电极布置方式 不同极化介质的放电特性各不相同，从而为我们提供了一种探测地质介质成 分和结构的一种方法。采用的激电法参数有： 视极化率仉：表征激发极化效应产生的二次场在极化总电场中占的份额。 叩。= j i a 歹i i v ：2 习( t o e r ) l 。( 2 - 1 ) 其中，o f f 是停止供电的时刻，t o u r 一t 是停止供电的前一时刻。 一般岩石的极化率很低( o 5 5 ) ，含水岩石的极化率比一般岩石的高( 1 5 5 ) ，电子导体( 含金属矿石、含碳岩石等) 的极化率最高( 一般大于l o ) 。 利用视极化率可以判断含水或疏松岩层。 半衰时h ：二次场放电到一半所用的是时间，表征激发极化效应二次场的放 电速度。半衰时是找水中的重要激电参数，在超前探测中也同样重要。在激发条 件相同的条件下，含碳矿石的充放电速度最慢，含金属矿石稍快，但是都比岩石 的充放电速度慢【2 5 l ；含水的颗粒较大的岩石结构，比不含水的颗粒较小的结构放 电快。此外，连通性好的导电结构半衰时小，疏松岩( 矿) 石比致密岩石的半衰 时小的多。 此外，还可以结合视电阻率见，视充电率m 。和衰减度d 等，判断前方的地 质成分，岩石构造和疏松程度等 2 3 激电效应的基本理论 对于大地和岩石的激发极化效应有很多中解释，普遍接受的有双电层理论和 薄膜极化理论。 粒的鬈= 竺篓矿竺蹴，具有嘶负新的姚负耔分布在颗 等雾：二同凳：薹兰竺正离子吸引到自己周围，番纛蒜三= 盖芋 ：翟层= 竺苎攀中，负电荷被牢牢吸盂三磊篡：瓮 ：蓍黧篙：i 竺? 乏溶液中。这些被蚓嘉；嚣吴鬻羡慕 釉鬈竺，二竺佣分扩懒远磊荔荔簇? 在 而阴黧銎兰，由于负电荷慨焉。晶；蒜高， 纂黧竺黛黑蜘，二者的篡釜筹裂：雩纛 篓嚣二翟二黧挲! 指天然气从高浓聂：盖二蒜嚣嚣? 运移过程中，两者浓度达到致时的浓度) 一“圳”啊砷眠玳厦地层彰散、 2 3 。离子导体激电效应的机理薄膜极化 1 2 在砂层颗粒或者岩石的孔隙中，存在着宽度不同的串联孔隙通道，如图窄孔 山东大掌硕士学1 立论文 隙中由于其宽度极小，整个孔隙处于双电层的紧密区和扩散区中，其中阳离子浓 度远大于阴离子浓度，所以当电流通过窄孔隙时，阳离子在其中移动较快( 同性 排斥) ，所以将窄孔隙称为“阳离子选择带 或者“主动选择带”。 根据以上分析，当电流通过窄空隙时，在电流流出端积聚了大量的阳离子， 而在而在宽孔隙中的阴离子较窄孔隙中的阴离子迁移速率较快，所以根据阴离子 的移动方向可知，在窄孔隙的电流流出端亦积聚了大量的阴离子。这样造成了离 子浓度沿孔隙的变化，这种形成的正负离子分布将产生一个与外电场方向相反的 附加电场，阻碍离子的运动，也就是将阻碍外电流，直到达到平衡为止。当断电 后，由于离子的扩散作用，在离子浓度梯度的影响下，形成扩散电位，这就是离 子导体上所观测到的激发极化现象【2 6 1 。从本质上讲，激发极化现象是由宽窄孔中 离子迁移数的差异而引起的。 当施加外电场后，宽窄串联孔隙中的总电流由两部分组成：迁移电流和扩散 电流。 1 3 山东大学硕士学位论文 图2 - 4 砂粒中的宽窄孔隙串联系统以及简化示意图、离子浓度分布图 不同岩石、矿石的成分、结构构造不同产生的激发极化效应也会不同。为了 便于研究，人们还把它们简化成一定的电学模型，把有关的性质归纳为模型的几 个电学参数，例如过阻容模型、c o l e c o l e 模型2 7 1 等。此外，还可以建立数学模型 对激发极化过程进行数值模拟【2 8 】【2 9 】。总之，对激发极化效应的理论解释以及对含 水构造的激发极化效应的理论分析已经比较成熟了。 2 4 基于二电流激发极化法的探测仪实现方案 在使用激发极化法找水的过程中，人们发现二次场半衰时与地下水存在一定 关烈3 0 1 3 1 1 。基于激发极化效应和时间域激发极化探测方法，本项目提出了用于隧 道掌子面前方含水体水量预测方法一二电流激发极化法( 简称半衰时之差法) ，该 方法是时域激发极化法的一个扩展。该方法以定点源三极法或二极法为测量装置， a 向地下供入大小两种电流，将大电流作用下的二次场半衰时) 一减去小电流作用下