高密度电法在工程地质探测中的应用.doc

高密度电法在工程地质探测中的应用r.高密度电法在工程地质探测中的应用周东霞(福建省121地质大队,福建龙岩3640P1)摘要:本文对高密度电法勘探技术在工程勘察中的应用,以实际工程布置和探测解释成果为例,对高密度电法的特点,装置选择以及在地基勘查,涵洞体探测等方面的应用效果做了详细论述.根据野外实测视电阻率值经计算机处理分析,解释,最终获得地层划分和异常圈定的地质信息,经实践证明,具有准确,经济,高效特点,采用此方法在工程勘察市场上具有广阔前景,对扩大物探服务领域,提高经济效益具有重大意义.关键词:高密度电法;工程地质;分辨率;应用解释D0I:1O.5969/j.issn.16716596.2O11.11.009随着现代科学技术的高速发展,各种工程基础地质条件要求也越来越高,物探方法在社会地质服务已得到广泛应用.不同岩土结构存在不同的导电性能,探测过程叶I,在地下建立起稳定电流场时,其分布规律取决于不同电性层的赋存形态,研究表明,视电阻率的变化规律除与物性差异,目标体大小和埋深呈正比例关系外,还与围岩电性和电性不均匀有关.高效率和高分辨率的高密度电法勘探技术是_T程地质物理勘探的重要手段之一.高密度电阻率法测量系统功能及适用范围在工程勘察中的应用,针对工程勘察的常见类型及要求,主要有地基勘查,:十=层划分,岩体勘杏,涵洞体探测,地质灾害调查等类型.在应用效果上,高密度电法展现其独特的适用性和先进性.l高密度电法原理及特点1.1原理高密度电法的物理前提是地下介质(地层)问的导电性差异.其方法原理与常规电法相同,通过AB电极间向地下供电,建立地下人工电场,在地面由MN电极测量电位差,并求得各记录点的视电阻率值.根据野外实测视电阻率值经计算机处理分析,解释,最终获得地层划分和异常圈定等地质信息.高密度电法野外数据采集包括电极系,多芯电缆,多路电极转换器和测量主机组成.观测时按设计定问隔的等间距电极,由多芯电缆通过转换器与主机联接,实现了数据采集,存贮,传输等计算机自动控制的全过程.电极装置排列选择包括二极,三极和四极组合的偶极及温纳装置(a),极距选择根据探测地质对象及目的层埋深,以保证有效勘探深度范围内的最佳电极根数和极距,电极距分别选用1,2,4,5,10(m)等.1.2特点(1)高密度电法存工程勘察中应用,可根据不同工程类型性质选择相应装置排列,数据采集,资料处理方法,分析解释过程,成果输出等,可由数字调用和影像剖面直接显示地质目的层的电性特征,形态,规模及延伸趋势等.(2)高密度电法实际上是一种阵列勘探方法,在二维空间内研究地下稳定电流场分布,数据采集通过计算机控制实现连续滚动扫描测量,避免了电极移动的人为干扰,交叉供电和测量,丰富了地电信息,提高电性分辨能力.对具有电性差异的薄层,夹层,涵洞体,地质界面,构造破碎,裂隙发育等小目标体均可以异常反映.(3)高密度电法资料处理利用扩展模型功能,配合有限元处理技术和减少边缘效应,获得高密度等psN,像成果剖面,达到电剖面和电测深两种方法的兼容效果.(4)高密度电法测量方法为扫描测量,在测线上按一定间距一次性布完6O根电极,通过多路电极转换器自动控制测量系统,观测过程克服了人为布极的出错可能,也避免了电极重复移动造成的人为误差,同时极大提高了工作效率.鞋I鬟单燧救霄天横地基艟撩篱凳攫辱ps影稼利霸域鬟脚2装置类型选择应用RES2DINV高密度电阻率数据二维反演软件,该软件适用于温纳(q,Y),偶极一偶极(ABMN滚动),单极偶极(A一滚动,B滚动,AMN矩形),二极(AM滚动),斯仑贝尔(Q2排列,四极测深滚动)等电法极距排列方式.高密度电法野外工作方法,经过大量试验实践,全面掌握各种排列装置的方法原理,并从中总结了选择温纳装置,资料处理一般方法.高密度电法工作采用程控式数据采集,存贮,传输,按照工作装置排列方式完成供电与测量任务,观测中通过变换收稿日期:2011一O208修回Et期:2011-0224作者简介:周东霞(1957一),男,测井工程师,现任福建省121地质大队地球物理勘查院院长.21中国西部科技2011年O4月(中旬)第1O卷第11期总第244期测量装置和电极排列组合,获取丰富的地电信息,数据量较大,通过仪器传输接口将采集数据回放到计算机,由数据处理系统进行资料处理与解释.3应用实例3.1地基勘查h-Mod.IR_蚺9帅一III一一II口IIIIII7SI996氢5120L黼晰l删州10mO26enI8N32Mon*5256一一目-,_恫t帅cl1m厂_II翘耪-霞3蘩地If城烯地涌涧撵铡糕襁度等ps影像潮面成繁圈工程建设场地地基勘查,对工程建设场地选址,地基地质评价和场地软基处理加固评价,应用高密度电法具有重要意义.图1为某单位教育中心大楼地基勘查成果,场地原地貌为小山坡地,中部有一小沟谷,过去被填平.该楼建设在山沟位置必须进行软地基处理加固,为准确查证山沟位置,采用高密度电法进行勘查,测线布置沿主楼边线布一个排列,装置选择四极剖面,极距为1m.场地地质结构简单,上覆第四系粉粘土,基岩为第三系泥质粉砂岩.所测电性反映均为小于70Qm的低阻,而山沟凹地由开挖土石方回填处理,并经辗压夯实,电性比原生粉粘土和泥质粉砂岩相对要高,电阻率值为大于130QIll的相对高阻异常反映,高密度等ps影像剖面成果图中,断面在2838号为倒三角形的高阻异常体,底界深度为8m,高阻电性解释为回填处理,异常位置为山沟位置;3856号点间有一水平连续的层状高阻异常带,高阻电性反映解释为回填处理层,厚度为3m.高密度成果解释与实22际地基处理位置基本相符.3.2涵洞体探测建设工程场地涵洞体的探查,以查明存在涵洞体的性质,平面分布位置,形态及埋深等,为工程设计,施工提供依据.地下涵洞体探测地下排水涵洞,地下防空洞及地下污水处理池三种不同类型.(1)图2为某单位工程场地废旧污水处理池高密度电法勘测成果.试验场地地层为第三系泥质粉砂岩,按照池体已知资料,在池体上方沿轴线布置测线,电极距为1m,图2中高密度等Ps影像剖面成果,电性反映为2040Qm的中低阻,其中在1925号点表层出现高阻异常,中部出现低阻异常,从电性反映的异常特征分析解释,上部高阻为池体上覆盖层,由盖板及松散杂填土层等高阻物质,下部低阻解释为污水处理池体,解释成果经核实与所处位置及范围相一致.(2)图3为某地新城建设工程场地地下涵洞探测成果.场地内表层堆积建筑垃圾,从南部和西北部可见涵洞残留进出口位置,基本可推测涵洞在场地中的路径,涵洞平面位置及埋深.试验工作沿涵洞走向垂直布置l8条剖面,电极距采用1m.图中LL线高密度等Ps影像剖面成果,断面电性均以中阻高阻反映,其中3337号点中深部有低阻异常反映,形态呈拱形状与揭露涵洞体特征相似,根据观察该涵洞已年久失修,洞体内积淤,积水较厚,与电性反映低阻异常相吻合,分析解释3337号点异常解释为涵洞体位置,定量计算洞宽4m,洞顶埋深4.50m.4解释依据高密度电法在工程场地中应理论结合实际,从不同项目类型,对探测目标体的形成机理,地质结构与物性特征.(1)地基勘查通常是应用物探手段探测建设工程场地地质不均匀性的分布情况,通过高密度电法探测地下不均匀体的电性特征,分布彤态进行分析解释场地地质结构,评价软地基分布位置及处理结果.(2)物探解决工程地质土层划分必须具备可控制薄层变化和较高电性分辨能力,用常规电法难于实现土层划分,而高密度电法是一种阵列勘探方法,测量方式由连续滚动扫描测量,具备较高密度的探测点和电性差异高分辨率,对土层划分有高清晰的影像效果.(3)高密度电法勘探电场建立在二维空间基础上,对纵横向电性变化具有较高灵敏度的电信号反映,采用高密度电法可为工程地质解决涵洞体和岩土体勘查提供科学依据.涵洞体在地下空问一般包含充填和空隙两部分,从理论上为不良导体,但涵洞体内实际上都将充填污水或淤泥等有机物质,并向外围渗透,电性反映有较强的低阻异常向外扩散,导致了整个涵洞体呈低阻反映:岩体在地下电性反映与涵洞体相反,岩体将排斥电流回路产生电场畸变而获得明显的高阻异常反映.(4)地质灾害调查主要以突发性并造成危害最大的崩塌,滑坡,泥石流为主要对象.常见的崩塌,滑坡,泥石流等地质灾害形成的机制主要与地层岩性,水文地质及地质构造有关,应用高密度电法探明滑体性质,滑动面形(下转第37页)1.2到达条件最早出现的滑动模的到达条件为:S>0(<0)或S<0>0)(式4)后来统一等价于;<0,但是该到达条件必须满足S可微,且通过原点.对式4不能满足在有限时间到达,于是有人给出L,imO,L卜+im.s.,这样就能保证滑模在有限时问到达.有时所定义的切换面不一定在整个状态问都存在滑动模态.此外,一些学者还提出了李亚普诺大型到达条件:()t0()=0.5:,以及指数收敛结构一n.为了改善趋近模态的性能,有的学者提出趋近律到达条件:s=一sgn(x)一.1.3变结构自适应控制近年来,变结构控制与自适应控制相结合的控制方法逐渐被一些学者使用,以解决控制系统中的参数不确定件和时变参数的问题.其主要思想是利用变结构控制的思想来设计自适应控制系统.而对于时变系统和非线性系统的研究也出现了大量的结论.1.4变结构控制与鲁棒控制由于滑模控制具有良好的鲁棒性,因此变结构控制还在鲁棒控制中得到应用.尤其是由于鲁棒控制中线性矩阵不等式LMI的研究,使得变结构控制与鲁棒控制的结合更为容易.通过LMI来确定滑模的参数,从而应用相应的控制律保证线性二次型的稳定.2反馈线性化方法反馈线性化方法是近20年来非线性控制理论中发展比较成熟的方法,该方法的主要思想是应用微分几何的原理和方法,通过引入非线性反馈和坐标变换来完成线性化过程.目前,反馈线性化的方法主要有两种:(1)精确线性化方法,如微分几何方法,隐函数方法和逆系统方法等.(上接第22页)态,埋深和延伸情况,而且地质灾害的性质,形成机制,规模等都与母体(基岩)完整性有关,探测时可形成较大的电性反差,有利于勘查取得较好效果.5结论(1)高密度电法在T程勘察中应用,对建设工程场地地基勘查,土层划分,岩体探测,涵洞体探查,地质灾害勘探等具有较强的科学性和较高的可靠性.为二广程设计,施工部门提供科学依据,达到合理布置工程,减少_程投入,降低生产成本,获得经济效益和社会效益.(2)高密度电法与常规电法相比较,从方法和资料处理解释都具有先进性,工程地质勘察一般以了解地基地质,岩士体,涵涮体分布情况和地质构造形态等为勘查对象,其特点是要求准确,经济,高效,在工程勘察场上应用具有经济,快速,高效的广阔前景,对扩大物探服务领域,提高绎济r_堕(2)基于参考模型的渐近线性化方法,如模型参考方法及模型参考自适应方法等.2.1微分几何法微分几何法是应用微分几何的原理和方法通过引入非线性反馈和坐标变换来完成线性化过程的.日前,该方法局限于研究仿射非线性系统.2.2直接反馈线性化方法该反方法又称为基于李亚普诺大直接方法的非线性系统反馈线性化方法,是最重要和最有效的一种设计方法,其基本思想最早由我国学者韩京清教授提出.该方法不仅适用丁二仿射非线性系统,而且对丁非仿射型非线性系统以及一类非光滑非线性系统均可适用.研究的基本问题有:如何应用理论使系统线性化,线性化以后能否由虚拟输入量的表达式中求得非线性反馈控制律,线性化以后系统的性质(如可控性,可观性)如何.2.3逆系统方法逆系统方法的基本思想是:通过求取被控过程的逆过程,将之串联在被控过程前面,得到解耦的被控对象,然后再用线性系统理论进行设计.由于系统可逆性概念是不局限于系统方程的特点形式,而具有一定的普遍性.由于逆系统的概念和方法容易理解,也避免了微分几何或其它抽象的专门性数学理论的引入,从而形成了种简明的非线性控制理论分支.参考文献:1WUNCHWS.ReproductionofanhrbitraryFunctionofTi用ebyDiscontinuousContro1D.StanfordUSA:StanfordUniversity,1953.2EMELYANOVSV,FEDOTOVAAI.DesignofAstaticTrackingSystemswithVariable.31韩京清.线性系统的结构与反馈系统计算C.控制理论与应用学术