河道巖溶勘察并行電法多維成像技術應用研究

李紅文，龔敦紅，余斐，譚磊，徐東海

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江 杭州 310020；4.溫州工程勘察院有限公司，浙江 溫州 325006；5.溫州龍達圍墾開發建設有限公司，浙江 溫州 325006)

河道巖溶勘察并行電法多維成像技術應用研究

李紅文1，2，3，龔敦紅4，余斐1，2，3，譚磊1，2，3，徐東海5

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防災減災重點實驗室，浙江 杭州 310020；4.溫州工程勘察院有限公司，浙江 溫州 325006；5.溫州龍達圍墾開發建設有限公司，浙江 溫州 325006)

針對江山港巖溶區某段河道內可能存在的隱伏溶蝕體，提出了采用擬地震化供電方式且同步采集海量數據的并行電法為主要探測技術手段，并結合鉆孔揭露資料，分析了巖溶體在河道兩岸下方的平面展布，進一步預測河床底部區地層的構造特征。試驗研究表明：二維視電阻率斷面揭示出整個測線控制區域的巖溶體的二維分布，有效地勾勒出溶蝕洞體在垂面上的埋深、大小及規模等信息；考慮到兩岸溶洞在河床底部的關聯性問題，提取不同深度的電阻率立體化切片，直觀地顯示出河道兩岸溶洞在垂向上分布高程不一、大小差異明顯以及右岸溶洞在河床內延展但并未貫通至左岸的特點，研究成果為流域綜合治理以及后期運行維護提供科學地技術支撐。

水利工程；并行電法；隱伏巖溶；巖溶勘察；三維電阻率

0引言

河流是城市群落、田園鄉野重要的水域聯系紐帶，承載行洪、灌溉、供水、航運、景觀等多重復合型功能屬性[1]，開展小流域的綜合整治工作有助于提高人們的生活品質，建設美麗鄉村，改善生存環境，以期實現“水清、流暢、岸綠、景美”的總體生態健康目標[2-3]。為有針對性地科學地進行河道整治工程的規劃設計，對河道段實施前期的工程地質勘察工作是基礎，以期查明該區的巖土層分布及存在的不良工程地質問題。我國的巖溶發育分布較為廣泛，造就奇特自然景象的同時，也給工程的安全實施帶來系列地質災害的發生，尤其遇到地下水位升降和人類抽排地下水共同導致隱伏巖溶區在地面塌陷的現象[4]。因此，在巖溶地區河道工程治理中有必要明確不良巖溶體的分布特征，降低巖溶塌陷和地表水漏失引發工程災害的風險。目前，河道勘察手段主要以鉆探為主，而分散的鉆孔取樣資料往往只是“一孔之見”，尤其遇到地質條件比較復雜，巖土層變化頻繁，僅憑有限鉆孔難以全面有效地查明地質異常區的分布、延展、規模及形態情況[5-6]，況且鉆孔布置也存在主觀盲目性。

隱伏性巖溶隱患具有地質體空間的隨機隱蔽性、分布規律性差及時空的不確定性等特點[7-9]，開展超前預報[10]、預測是治理巖溶的難點和關鍵。巖溶地區河道隱患的查找，不僅要明確兩岸下部溶洞的發育情況，也要對兩岸溶洞之間是否具有貫穿性有一定的認識，目前工程勘察主要采用二維成像技術反映出觀測系統下方地質體的分布規律，而溶洞在空間上表現為三維幾何地質體[11]，急需一種可以針對河床底部空間內縱橫向不良地質體有效查明的方法[12]?；诖朔矫嫜芯坎蛔?，筆者采用并行電法測試技術對江山港巖溶區開展探測工作，利用多維成像技術全方位查明兩岸及河床段巖溶的分布情況，結合對異常區布鉆取樣驗證，提高了對河道巖溶分布的認識，為后期施工設計提供了科學的指導。

1并行電法測試原理及成像技術

1.1并行電法技術

高密度電法是根據巖土體介質之間的電阻率值差異為地球物理前提，利用專門儀器依次只記錄相應的電流極與電壓道之間相互組合形成的地電數據體，而線路上其余電極處于閑置狀態，成果以電阻率色譜圖的形式展現出巖溶體的分布信息[13]。并行電法吸收了地震勘探中數據采集的思想，改進了傳統高密度電法拘泥于分裝置串行采集的弊端，實現了并行、高效、大數據瞬時獲取的新理念，發揮出面向對象的全電場數據同步采集的優勢。并行電法有AM法和ABM法兩種供電方式，采集過程中，按照一定協議發布供電命令，讓任意電極處于供電狀態，則其余測量電極同時處于電壓采樣狀態，根據需要可任意提取高密度電法的所有排列形式以及海量的自然場、一次場、二次場等全場的地電信息。

AM法采用單個點電源供電，測線上所有電極(除A供電電極之外)都處在點電源形成的人工電場中，B電極只具有構成電流回路的作用而被置于無窮遠處。圖1是AM法的采集方式示意，當1號電極供電時，2，3，…，n-1，n號電極同步采集電位數據；當2號電極供電時，1，3，…，n-1，n號電極同步采集電位數據，依次供電與采集排列組合，直到供電電極為n時結束。所有采集到的電位數據與參比電極N作歸一化電位差處理，可得到二極、三極以及高分辨地三維數據體，多次覆蓋式全場測量壓制了噪聲的干擾，提高了解譯的精度。相比高密度電法，在同樣的時間內，64通道并行采集是串行采集的視電阻率的數據量的1 365倍[14]，大大提高了工作效率和成果的解譯信息量。

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

1.2河床底部立體化成像方法

基于河道屬于特殊的線性工程，勘察工作既要注重對兩岸隱伏的地質災害現象準確把握，同時還要達到兼顧明確河床段底部是否存在工程隱患的目的。電阻率法中的常規觀測系統的布設方式只能反映剖面信息，為確保電流場覆蓋整個河床底部，并行電法采用具有高分辨地多次覆蓋識別地下洞體的三維布極模式[15]。圖2為三維觀測系統的單極-偶極布設示意。一般在測試過程中首先選擇河道一側布設電極電纜線，而B極被置于對岸中部附近作為參與計算的供電回路電極，利用并行電法儀采用AM法進行數據采集，測線上的所有電極依次與B極形成穩恒的地電場，其余電極同步瞬時采集地電數據，供電電極與測量電極之間的掃描測量，形成具有扇形幾何體狀多次覆蓋的立體電場空間體。通過交換兩岸的布設電極，實現了對河岸及河床底部地質特征的多次覆蓋式觀測，獲得了各測點的自然電場、一次場和二次場電位的時空變化特征，有助于提升電法探測效率及精度。建立合適的坐標系統，對得到的地電數據按照實際位置進行統一坐標賦值，通過網格差分重構計算可還原出地質體在三維空間上的電場分布規律[16]，結合勘察區地質資料、揭露出的鉆孔信息，進而預測出河道中隱伏的不良地質體范圍﹑埋深﹑大小以及貫通性。

圖2并行三維電法觀測系統Fig.2Observation system of 3D parallel electrical method

一般地，海量的并行電法數據體在反演計算過程中，由于相鄰單元間電阻率值差異較大和反演參數較多，使得最終迭代成果的電阻率值呈非唯一性收斂。通過在反演求解過程中加入光滑約束條件來改善計算的穩健性和可靠性，進而得到較為滿意的電性構造結果，則有如下平滑度約束反演算法[17]：

(GTG+λCTC)Δm=GTΔd

(1)

式中：G為Jacobi矩陣；C為模型光滑矩陣；λ為阻尼因子。

通過求解Jacobi矩陣及大型矩陣逆的計算，來求取各三維網格的電性數據。殘差向量Δd的大小采用均方根誤差RMS來衡量，并作為反演收斂的標準。通過不斷地循環迭代改正，直至最終模型的計算視電阻率和觀測視電阻率數據的誤差達到滿意程度。

2工程應用實例

以江山港河道勘察為例，采用并行電法技術開展區段巖溶調查，利用鉆探揭露驗證，進一步說明技術的適用性和有效性。

2.1工區概況及測線布置

江山港是錢塘江上游衢江右岸的第一條支流，干流全長134 km，是信安湖和錢塘江源頭之一。為保障兩岸人民的生產財產安全，加快城市化建設進程，改善水環境質量，開展江山港河道綜合治理工程。江山港地層內主要出露基巖有一上白堊統南雄組上段(K2n2)、下段(K2n1)紫紅色砂巖、侏羅系上統鵝湖嶺組d段(J3ed)熔結凝灰巖、上二疊統霧霖山組下段(P2w1)石英砂巖、中石炭統藕塘底組(C2o)灰巖夾泥巖及第四系地層。在豐足溪下游及達嶺溪基巖為埋深較淺的灰巖夾泥巖且受侵蝕嚴重，可能形成局部或者大面積巖溶溶洞，擬采用并行電法對該段開展探測工作，以期查明河道是否存在溶槽、溶洞和破碎帶等不良地質體，也為鉆探布置提供更合理的靶區。

圖3測線布置示意Fig.3Layout of exploration line

測線布置如圖3，在河道a側(右側)布設電法測線CX1，電極間距為1 m，自上游至下游依次布設電極道1#～64#，B1極至于b岸(左岸)測線中心位置距測線垂距長26 m；左岸測線CX2同理。本次探測儀器采用WBD-1型并行電法儀，采樣方式為AM法，供電時間500 ms，采樣間隔50 ms，單次采集64通道僅需96 s即可完成高分辨地電探數據體的收錄。測試時，河水位距岸頂高差為3.8 m，河底深度距岸頂4.5 m。

2.2探測結果分析

2.2.1二維電阻率斷面

圖4左右岸河道的視電阻率等值線Fig.4Contour map of apparent resistivity of left and right banks of the river course

現場測試的激勵電流和一次場電位數據，經過配套的軟件進行數據解編、電極坐標、噪聲剔除、視電阻率計算得到測線剖面上二維視電阻率斷面見圖4。分別以每條測線起點為坐標(0，0)，沿測線布置方向為剖面長度L的正方向(由左向右，下同)，豎直向下為探測深度H的負方向。圖4(a)是河道右岸的視電阻率色譜圖像，除地面表層受散落碎石干擾影響，造成局部出現阻值較大外，整體上視電阻率值小于80 Ω·m；測線上0～30段視電阻率相對較低且呈斜條帶狀向右下方深部延展，可能為巖土體破碎富水所致。圖4(b)成果圖相較于圖4(a)視電阻率圖像整體分布較為均勻，10 m以下巖體連續性較好，不過圖像測線上20～30 m段，埋深20 m以下出現相對于周圍的低阻突變現象，可能在河床底部發生巖土體性質的改變。綜合河岸兩條測線成果，可以看出河岸下方的右側段相比于左側視電阻率連續性較好且阻值較大，左側可能存在巖溶發育的不良地質現象。二維視電阻率剖面對河岸兩側下伏地層電性特征有較好的反映，但對河床內的地層分布及巖溶發育現象缺乏較全面科學地認識。

2.2.2三維電阻率成像

對左右岸所測得的AM法數據體進行常規解編，選取右岸1#電極(0，0，90.26)為三維空間的基點，取水流方向為測線長度的正方向，取指向對岸為線距正方向。各電極點按照相應于基點的空間位置賦予坐標值，有序拼接成軟件識別的文件格式。如圖5，利用EarthImage3D軟件反演計算得到的河道立體空間地電場展布圖，圖像上直觀的顯示出兩岸及河床的起伏地形，河床深度為85.7 m，左右岸河岸寬分別為3 m。從圖5可以看出，沿水流方向上河床段電阻率值較大，高、低阻異常區分布清晰，易于判斷出巖溶地層在河床段的發育情況。圖6是反演迭代計算過程中，RMS誤差和L2泛函隨迭代次數增加的趨勢線，當迭代次數達到可接受次數(N=4)時，均方根誤差僅為7.45%，顯然采用平滑度約束反演算法可有效的壓制河岸地表不均勻體、起伏地形以及河水等噪聲的干擾，降低產生虛假構造的可能性。

圖5河道三維電阻率結果圖像Fig.53D resistivity image of river course

圖6反演誤差與迭代次數的關系Fig.6Relationship between inversion error and iteration times

2.3成果分析

圖7為河床底部下方不同深度的電阻率水平切片，較為清晰的反映出河床底部地層沿垂直方向上的變化態勢。

圖7三維電阻率水平切片Fig.73D resistivity of horizontal section

第1切片(從上向下)電阻率值整體較低，可能受河水影響，反映的是河床淺層的地質信息；第2切片、第3切片中右岸左側段電阻率值相對較低且低阻區域有向左岸延展的趨勢，可能該段存在局部巖溶段且向左岸溶蝕，河床右側段高阻區呈片狀分布；在第4切片中右岸左側區阻值開始增大，顯示出孤立的高阻區，可能存在局部溶洞現象?？傮w而言，探測段電阻率值較低主要分布在35～120 Ω·m，由淺及深高阻區域逐步擴大且連成一片，相較于右側電阻率形態較為規則、連續，左側不同高度的電阻率曲線變化不一，局部出現明顯的低阻。據此結合兩岸的二維視電阻率成果，分布在左右岸兩側位于測線上17 m處布設鉆孔驗證孔FZS01、FZS02，鉆探結果如圖8。

圖8鉆孔FZS01、FZS02巖芯柱狀圖Fig.8Histogram of FZS01 and FZS02 drilling core

圖8為FZS01、FZS02鉆孔柱狀圖，其中FZS01鉆孔孔深26 m，在孔深18.9 m處出現灰巖層，下伏層高程68.43和66.33 m處分別存在兩處垂高為0.5 m和0.9 m溶蝕段，內部主要被碎石、黏土等雜物充填；鉆孔FZS02中也存在兩處溶洞，其中12.4～16.8 m存在大規模的巖溶洞穴，鉆探過程中出現掉鉆、鉆孔內水位明顯下降及渾水等現象。試驗表明鉆探驗證資料與物探成果吻合度較好。

3結論

1) 并行電法技術采用擬地震化的數據收錄模式，同步快速的獲取地質體海量的地電數據體，為有效的開展覆蓋性巖溶區河道多維電法勘察提供了新的技術手段。

2) 對巖溶區河道探測試驗表明，二維視電阻率圖像可有效的反映出右岸溶洞埋藏較淺且洞徑較左岸較大；三維立體化反演更全面準確的揭示出整個測區內的巖溶分布，右岸溶洞向河床內延展但未抵達左岸，測試成果與實地鉆探驗證結果一致。

3) 三維電阻率成像在平滑度約束反演計算中，決定最優的反演成果與初始模型、圓滑系數、阻尼因子以及層厚度等因素的恰當選取有較大關聯，結合有關的鉆孔資料作為反演計算的約束條件對提高解譯水平大有裨益。

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(責任編輯：譚緒凱)

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

水利部技術示范項目(SF-201725);浙江省省屬科研院所專項計劃(2014F50016);浙江省水利河口研究院院長基金項目(ZIHE2016014);浙江省科技廳重點計劃研發項目(2017C03008);浙江省水利廳科技計劃項目(RC1543);浙江省科技廳院所扶持專項項目(2016F50003)

李紅文(1970—)，男，河南平頂山人，高級工程師，主要從事水利水電工程地質勘察方面的研究。E-mail：496962410@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.10