黃 瑤

(南寧理工學(xué)院 土木與工程學(xué)院, 廣西 桂林 541006)

0 引言

隨著工程隧道的建設(shè)量不斷增加,所遇到的工程地質(zhì)問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜。水電工程隧道由于用途的特殊性,隧道選址要求較高,隧道施工中對(duì)地質(zhì)條件探查的要求也比較高。在隧道施工時(shí),探測(cè)異常地質(zhì)體,并確定其空間位置、形狀、大小及埋深,查明有害地質(zhì)體中填充物(如有害氣體、地下水、沉積物或泥漿)的性質(zhì),探測(cè)不同巖性構(gòu)造之間的分界面至關(guān)重要。為了有效獲取隧道工作面前的地質(zhì)構(gòu)造,隧道地質(zhì)條件探查的理論和技術(shù)一直是研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。近50年來(lái),超前勘探從鉆井和地質(zhì)分析發(fā)展到非破壞性地球物理勘探,由于地球物理方法具有探測(cè)快速、破壞性較小以及施工高效等特點(diǎn),在隧道地質(zhì)條件的探查以及異常體的圈定方面得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。由于電阻率法對(duì)隧道各地質(zhì)結(jié)構(gòu)的電性特征響應(yīng)明顯,對(duì)地層電導(dǎo)率差異敏感,識(shí)別地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地層的能力較強(qiáng),所以電阻率法在隧道地質(zhì)條件探查方面發(fā)展迅速。采用高密度電阻率法可以準(zhǔn)確探查出隧道前方溶洞的位置及判斷出巖層的富水區(qū)[7-8],也可以探測(cè)出隧道隱伏斷層的位置[9]。但上述電阻率法對(duì)隧道施工地質(zhì)條件的探查與研究只是針對(duì)二維平面,對(duì)地質(zhì)條件的空間分布特征研究較少,不能從整體空間上判斷隧道地質(zhì)條件。而水電工程隧道前方地質(zhì)異常體的空間位置、形狀、大小是預(yù)測(cè)隧道前方圍巖質(zhì)量,分析隧道施工過(guò)程中可能遇到的地質(zhì)災(zāi)害的類型、風(fēng)險(xiǎn)和規(guī)模等亟待解決的關(guān)鍵難題,因此,對(duì)水電工程隧道的地質(zhì)條件三維空間探查非常重要。

近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,三維電阻率法取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,在數(shù)值模擬方面[10-12]和三維電阻率法反演方面[13-16]都取得了不少的成果。本文以三維電阻率法為基礎(chǔ),構(gòu)建水電工程隧道中不同地質(zhì)異常體的三維數(shù)值模型,模擬地質(zhì)異常體的空間電性分布特征及響應(yīng)特征,為解決水電工程隧道施工所遇到的地質(zhì)問(wèn)題提供技術(shù)支持。同時(shí),將三維電阻率技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探測(cè)中,結(jié)合地質(zhì)資料,實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道施工地質(zhì)條件的三維探查,保障了隧道的安全施工,證明該方法具有良好的推廣實(shí)用價(jià)值。

1 三維電阻率技術(shù)

三維電阻率法勘探是電阻率法的三維可視化的發(fā)展,以巖層、地層及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的電性差異為基礎(chǔ),通過(guò)空間范圍內(nèi)隧道及周圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)的電阻率值的不同來(lái)判斷隧道相應(yīng)的地質(zhì)條件[17-19]。電阻率法對(duì)水、巖層、空洞的電阻率差異響應(yīng)明顯,因此對(duì)水電隧道地質(zhì)條件的探查具有良好的探測(cè)效果,三維電阻率勘探技術(shù)能夠有效判斷異常體的空間位置、形狀及大小,完成對(duì)異常體的定位。電阻率法的探測(cè)深度與測(cè)線的長(zhǎng)度和供電電流等因素有關(guān),一般的水電工程隧道施工深度較淺,三維電阻率法的探測(cè)深度能滿足淺層隧道的探測(cè)要求,對(duì)含水構(gòu)造的響應(yīng)特征明顯,適用于水電工程隧道的建設(shè)。

本文采用的是用有限元法求解正演問(wèn)題的全三維反演方法。正演計(jì)算構(gòu)建三維地電斷面模型,將三維區(qū)域劃分為大量的小區(qū)塊,每個(gè)小區(qū)塊賦予相應(yīng)的電阻率值,根據(jù)相應(yīng)的插值公式,確定整個(gè)空間內(nèi)的電阻率值[20-22]。反演計(jì)算通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè),獲得測(cè)區(qū)內(nèi)的電位數(shù)據(jù)。反演問(wèn)題的一般形式可表達(dá)為:

Δd=GΔm,

(1)

式中:G為Jacobi矩陣;Δd為觀測(cè)數(shù)據(jù)d和正演理論值d0的殘差向量;Δm為初始模型m的修改向量[23-26]。為了提高復(fù)雜解的穩(wěn)定性,在傳統(tǒng)的阻尼最小二乘法的基礎(chǔ)上加入光滑約束,反演求得光滑模型,其中Δm的算法為:

(GTG+λCTC)Δm=GTΔd,

(2)

式中:C是模型光滑矩陣;λ為阻尼因子。通過(guò)對(duì)Jacobi矩陣G及大型矩陣逆的計(jì)算,獲得各三維網(wǎng)格相應(yīng)的電性數(shù)據(jù)。通過(guò)比較正演計(jì)算與反演計(jì)算的結(jié)果,利用反演程序在反演過(guò)程中調(diào)節(jié)各子塊的電阻率,以均方差[27-28]作為相似程度的判斷標(biāo)準(zhǔn),均方差小于標(biāo)準(zhǔn)后,正演構(gòu)建的地電模型即可近似被認(rèn)為是測(cè)區(qū)內(nèi)的真實(shí)地電模型。根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)電性結(jié)構(gòu)的分布特征,判斷其相應(yīng)的地質(zhì)條件及圈定相應(yīng)的地質(zhì)異常體。

2 數(shù)值模擬

為了研究三維電阻率法對(duì)水電工程隧道地質(zhì)異常體的響應(yīng)程度,基于AGI軟件平臺(tái),通過(guò)構(gòu)建2個(gè)水電工程隧道地質(zhì)條件的數(shù)值模型,模擬測(cè)區(qū)內(nèi)有含水溶洞、斷層破碎帶及巖層含水時(shí)空間范圍內(nèi)電性分布特征。

模型如圖1所示,在電阻率為1 000 Ω·m的均勻空間中有一個(gè)異常體,其長(zhǎng)×寬×高為30 m×20 m×10 m,中心埋深為20 m,異常體分別設(shè)置為低阻(10 Ω·m)和高阻(10 000 Ω·m)。布設(shè)5條測(cè)線,電極間距為5 m,測(cè)線長(zhǎng)145 m,測(cè)線之間的間距為20 m。數(shù)據(jù)采集方式為溫納三極裝置。

圖1 數(shù)值模型示意Fig.1 Layout of model 1

本文研究的是水電工程隧道的地質(zhì)條件,因?yàn)榈貙又泻枯^大,因此模擬時(shí)圍巖電阻率的取值較小,同時(shí)也有利于有效區(qū)分低阻異常體。

模擬結(jié)果如圖2所示。圖2a顯示低阻異常體在深度25 m時(shí)表現(xiàn)最為明顯,異常體的大小及分布位置與模型的位置對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確,低阻異常體與周圍均勻介質(zhì)的分界線明顯。因此,三維電阻率法對(duì)低阻異常體的探查具有很高的準(zhǔn)確性,并且能夠準(zhǔn)確探查低阻異常體的位置。圖2b中可以明顯分辨出高阻異常體,在深度25 m時(shí)中心位置電阻率值由最高向四周擴(kuò)散,最后趨于背景電阻率,且高阻異常體的空間分布與模型設(shè)置較為一致。高阻異常體與背景電阻率的響應(yīng)特征都比較明顯,模擬結(jié)果可以準(zhǔn)確圈定高阻異常體的范圍。

(a) 低阻體模型的反演結(jié)果及異常體等值面

通過(guò)數(shù)值模擬可以判斷三維電阻率法能夠準(zhǔn)確探明水電工程隧道的地質(zhì)條件,對(duì)隧道施工過(guò)程中遇到的溶洞問(wèn)題能夠作出明顯的判別。因此,三維電阻率勘探技術(shù)對(duì)水電工程隧道地質(zhì)條件的探查具有很好的適用性及可靠性。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 工區(qū)地質(zhì)條件及測(cè)線布置

云南某水資源配置工程,需要利用隧道進(jìn)行水資源的配置。該地區(qū)地貌以丘陵為主,且?guī)r溶發(fā)育較多,隧道位于巖溶發(fā)育區(qū)域,場(chǎng)地經(jīng)人工填平,地勢(shì)較平坦。前期鉆孔資料揭示工區(qū)主要分布第四系覆蓋層,以粉質(zhì)黏土為主,電阻率變化較大,一般為20～220 Ω·m;覆蓋層下發(fā)育二疊系灰?guī)r及泥盆系灰?guī)r,電阻率一般為420～1 200 Ω·m。為探查該隧道的施工地質(zhì)條件,在隧道前方布設(shè)7條測(cè)線(圖3),線距均為20 m,每條測(cè)線均有90個(gè)電極,電極距1.5 m,測(cè)線方向與隧道開(kāi)挖方向一致。采用溫納裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 工區(qū)測(cè)線布置Fig.3 Layout of survey line

3.2 反演結(jié)果及綜合解釋

對(duì)7條測(cè)線的數(shù)據(jù)采集采用二維剖面采集模式,獲得了質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)。合并數(shù)據(jù)后基于AGI軟件平臺(tái)進(jìn)行三維反演。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲較小,阻尼因子取值較小,初始阻尼因子為0.15,最小阻尼因子為0.01,結(jié)合隧道開(kāi)挖的位置構(gòu)建三維探測(cè)坐標(biāo)。圖4為反演得到的電阻率分布,可以看出剖面中電阻率具有明顯的分層性:淺部低阻層約為40Ω·m,埋藏深度1～4 m,推測(cè)為工區(qū)的第四系覆蓋層;其下方為明顯的高阻層,電阻率為620～1 100 Ω·m,推測(cè)為二疊系灰?guī)r。

圖4 三維電阻率反演結(jié)果Fig.4 Result of 3D resistivity inversion

同時(shí),三維反演結(jié)果中存在2個(gè)明顯的高阻異常體,電阻率值約為10 000 Ω·m。為了準(zhǔn)確判斷異常體的大小及空間分布,繪制了三維電阻率等值線圖(圖5)。圖中左側(cè)的高阻異常體較右側(cè)的異常體大,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)資料與數(shù)值模擬結(jié)果,可以判斷這兩個(gè)高阻異常體為溶洞,溶洞內(nèi)含水極少,為溶洞空洞。左側(cè)溶洞上部發(fā)育大,具有向左下延伸的趨勢(shì),埋藏深度較大,大小約為20 m×25 m×20 m;右側(cè)溶洞較小,約為15 m×10 m×10 m,埋藏深度也較淺。

圖5 高阻異常體的三維圖示Fig.5 3D diagram of high resistivity anomalous bodies

為了詳細(xì)研究該隧道開(kāi)挖過(guò)程中的隧道前方的地質(zhì)條件,截取了三維反演結(jié)果中平行隧道測(cè)線的L4的電阻率剖面(圖6)?？梢钥闯?各地層巖性電性特征明顯不同,地層之間具有較好的分層性,基巖面的起伏形態(tài)能夠很好地分辨,溶洞的位置、大小及含水性均得到很好的顯示。

圖6 L4線的反演電阻率斷面及解釋成果Fig.6 Inversion result and interpretation of survey line L4

3.3 鉆孔驗(yàn)證

為驗(yàn)證三維電阻率法探測(cè)的準(zhǔn)確性,在測(cè)線L4上方布設(shè)鉆孔D1,圖7給出了D1的鉆孔柱狀圖及典型數(shù)字巖心圖。鉆孔揭示第四系覆蓋層厚度為1.5 m,溶洞埋深6.4～10 m,溶洞內(nèi)以空洞為主,未發(fā)現(xiàn)水及泥沙等破碎充填物。覆蓋層厚度、基巖面埋深、溶洞的大小及充填物的性質(zhì)與三維電阻率反演結(jié)果一致,取得了良好的探測(cè)效果。

圖7 D1柱狀圖及典型數(shù)字巖心圖Fig.7 Bar chart and typical digital core chart of borehole D1

4 結(jié)論與建議

1)三維電阻率技術(shù)對(duì)隧道地質(zhì)條件具有較好的響應(yīng)程度,能夠有效探測(cè)河床地質(zhì)條件的三維特征,對(duì)斷層、含水破碎帶等異常體能夠有效辨別,對(duì)判斷溶洞的大小、空間分布以及充填物的性質(zhì)具有良好的效果;三維電阻率技術(shù)對(duì)水電工程隧道的施工地質(zhì)條件的空間探查具有很好的適用性。

2)利用三維電阻率技術(shù)對(duì)水電工程隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè),經(jīng)鉆孔驗(yàn)證,取得了良好的探測(cè)效果。三維電阻率技術(shù)能夠準(zhǔn)確判斷其空間范圍內(nèi)的覆蓋層厚度、基巖面分布特征。

3)三維電阻率技術(shù)能夠有效探測(cè)隧道的空間范圍內(nèi)的地質(zhì)條件,為隧道的安全開(kāi)采提供保障,同時(shí)為類似工程的施工提供技術(shù)支持。