聚束直流電阻率法及其在黃河根石探測(cè)上的應(yīng)用研究

1、聚束直流電阻率法及其在黃河根石探測(cè)上的應(yīng)用研究* 本文得到黃河水利委員會(huì)“黃河科技項(xiàng)目 (2003H02) ”資金支持冷元寶1,2王銳1,李長(zhǎng)征1, ,朱文仲1,喬惠忠1（1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450032; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）摘 要：根石是保證堤防、壩、垛等河道整治工程的基礎(chǔ)，通過探測(cè)掌握根石分布狀況對(duì)保證防洪安全具有重要意義。但是由于介質(zhì)條件復(fù)雜等原因，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)地下根石層厚度的探測(cè)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究，黃河水利科學(xué)研究院開發(fā)了聚束直流電阻率法探測(cè)系統(tǒng)，提高了直流電法對(duì)高阻、深部物體的探測(cè)能力。多次原型試驗(yàn)和打孔

2、驗(yàn)證證明，該方法與系統(tǒng)能夠有效地探測(cè)出地下根石層的分布情況和厚度。本文對(duì)聚束直流電阻率法及其應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。關(guān)鍵詞：聚束、電法、探測(cè)、根石Beaming Resistivity Method and Its Application in Enrockment DetectingWang Rui1, Li Changzheng1,Leng Yuanbao2,1,Zhu Wenzhong1,Qiao Huizhong 1( 1. Yellow river institute of hydraulic research ,Zhengzhou Henan 450003,China; 2. In

3、stitute of Geophysics and Geomatics,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)Abstract: A new kind of detection system and its applications in enrockment detecting are introduced in this paper. Enrockment is the foundation of embankment and other river regulation constructions. So its impor

4、tant to detect and monitor the underground enrockment status. But for many reasons, almost all kinds of geophysical method, such as resistivity method, GPR, elastic wave method, can not confirm the thickness of enrockment. After long time research, Yellow River Institute of Hydraulic Research invite

5、d a new kind of system which called Beaming Resistivity Method Detection System. The new system successfully confirmed the thickness of underground enrockment.Keywords Beaming Resistivity Method, Enrockment.1. 引言丁壩、垛和護(hù)岸是黃河防洪工程的重要組成部分，而根石則是丁壩、垛和護(hù)岸的基礎(chǔ)。為了保證丁壩、垛和護(hù)岸的安全，必須及時(shí)了解根石的分布情況，以便有針對(duì)性地提前作好搶護(hù)準(zhǔn)備，防止垮壩等

6、嚴(yán)重險(xiǎn)情發(fā)生。因此根石探測(cè)是防汛搶險(xiǎn)、確保防洪安全最重要的工作之一。黃委從1980年前后開始進(jìn)行壩垛根石探測(cè)技術(shù)研究，后被列入國(guó)家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“黃河治理與水資源開發(fā)利用（85-926）”第一課題“黃河下游防洪關(guān)鍵技術(shù)研究（85-926-01）”中，投入大量人力、物力，采用了縱波折射法、縱波反射法、面波勘探法、常規(guī)電法、高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)等多種方法進(jìn)行試驗(yàn)研究，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平等因素，未取得實(shí)質(zhì)性成果 邊鵬,張遂芹,符建銘. 河南黃河河道整治工程根石探測(cè)及根石現(xiàn)狀分析J. 人民黃河，1999，21(6):6-7.。1997年，黃委會(huì)引進(jìn)了美國(guó)EdgeTech公司的“X-STAR”水

7、下剖面儀，并對(duì)水下根石探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了全面試驗(yàn)研究，取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展：能夠比較準(zhǔn)確地探出根石頂界面。但是，根石的厚度問題、陸地根石的探測(cè)問題，仍然沒有解決 冷元寶,郝明,何劍. 工程測(cè)試新技術(shù)在堤壩隱患探測(cè)中的應(yīng)用J. 河南地質(zhì)，1999，17(4):303-306. 王震宇, 黃淑閣. “X-STAR剖面儀”在黃河下游河道整治工程根石探測(cè)中的初步應(yīng)用J. 人民黃河，1998，20(2):12-13.。目前黃河流域使用的根石基本上都是30cm見方的花崗巖石塊，花崗巖屬于高波速、高電阻介質(zhì)。這一特點(diǎn)給利用地球物理手段探測(cè)根石層厚度帶來了極大的難度，也是多種探測(cè)手段效果均不理想的根本原因。要解決根石

8、層厚度的探測(cè)問題必須另辟蹊徑，開發(fā)新型的探測(cè)方法與設(shè)備。2. 聚束直流電阻率法簡(jiǎn)介直流電阻率法是傳統(tǒng)的物理勘探方法之一，長(zhǎng)久以來，直流電阻率法在礦產(chǎn)普查、能源勘探、地質(zhì)填圖以及水文、工程地質(zhì)調(diào)查等方面，都取得大量成果，發(fā)揮了重要作用。但是，無論是普通的電剖面、電測(cè)深方法還是高密度電阻率法，它們的探測(cè)能力都受到“體積效應(yīng)”的影響。例如，何繼善院士經(jīng)過理論研究及模型試驗(yàn)后指出，用高密度電阻率方法探測(cè)堤防隱患，洞徑埋深比不可能超過1：10 何繼善,朱自強(qiáng). 論直流電阻率法探測(cè)堤壩隱患能力C. 湖南省地球物理論叢（2001）. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2001.；。另一方面，由于高阻地質(zhì)體對(duì)電流的排斥，

9、一般電法探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的電流很難克服高阻地層的屏蔽，也就無法獲得高阻層的厚度以及其下部地質(zhì)情況的信息。體積效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)正是長(zhǎng)久以來影響根石層探測(cè)效果的根本原因。經(jīng)過多年的探測(cè)實(shí)踐與總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，參考三側(cè)向和七側(cè)向電法測(cè)井的系統(tǒng)布設(shè)和數(shù)據(jù)處理方法，黃河水利科學(xué)研究院的科研人員提出了一種被稱為“聚束直流電阻率法”的探測(cè)方法。該方法利用輔助電極控制地下電流的分布，減小體積效應(yīng)與屏蔽效應(yīng)的影響，提高對(duì)高阻地層的探測(cè)能力。該觀測(cè)系統(tǒng)的電極布設(shè)參見圖 1?？烧{(diào)電阻N電壓表可調(diào)電阻直流電源 A1 M2 M1 A0 M1 M2 A2B圖 1 聚束直流電阻率法的電極分布示意圖Fig.1 electrode dist

10、ributionA1、A2，M1、M1，M2、M2這三對(duì)電極對(duì)稱地排列在電極A0兩邊，呈一條直線，A0B和A0N均與這條直線方向垂直。各電極之間的距離根據(jù)所需探測(cè)深度和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)而定。A0是主電極，A1、A2是屏蔽電極，M1、M2、M1、M2是監(jiān)督電極。測(cè)量時(shí)，主電極和屏蔽電極分別供給極性相同的電流I0和I1，并調(diào)節(jié)I1，使得兩對(duì)監(jiān)督電極，M1、M1和M2、M2上的電位保持相同，即或。根據(jù)三側(cè)向和七側(cè)向測(cè)井的理論，反映了地下主電流穿過的各個(gè)地層電阻的串聯(lián)值，而A1和A2的間距又決定了勘探的深度 張庚驥，高等學(xué)校教學(xué)用書電法測(cè)井M，石油大學(xué)出版社,1996.作者簡(jiǎn)介：王銳，河南鄭州人，水利部黃河水

11、利科學(xué)研究院高新技術(shù)研究中心工程師，從事信息物理技術(shù)研究?；谶@兩個(gè)特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)A1、A2的距離可以得到一系列的值，將其乘上裝置系數(shù)K（K值由電極極距決定），并經(jīng)進(jìn)一步運(yùn)算，即可得到不同深度地層的視電阻率。3. 聚束直流電阻率法設(shè)備的研制通過一系列的理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)后，確定了最佳聚束方案，并以此為基礎(chǔ)，開發(fā)了JT-1聚束直流電阻率探測(cè)儀，該儀器是根據(jù)本項(xiàng)目聚束電流（電場(chǎng)）的特殊要求，并結(jié)合聚束直流電阻率法探測(cè)壩垛根石和堤防質(zhì)量的野外工作方法，設(shè)計(jì)并研發(fā)的專用探測(cè)儀器。該儀器采用微機(jī)和大規(guī)模集成電路，實(shí)現(xiàn)高速采集、快速處理、實(shí)時(shí)顯示，并能將儀器所測(cè)數(shù)據(jù)通過RS232接口傳輸給計(jì)算機(jī)

12、。為了增加該儀器工作的穩(wěn)定性和野外工作的適用性，儀器采用了美國(guó)進(jìn)口野外儀器專用密封箱體，由超高沖擊結(jié)構(gòu)的聚丙烯異分子協(xié)聚合物材料制成，密封墊圈材料為閉合細(xì)胞海綿體的.250聚氯丁橡膠，帶有單向自動(dòng)排氣閥，具有防 水防潮，堅(jiān)固耐磨，工藝考究的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)同行業(yè)中處于領(lǐng)先水平。其內(nèi)部工藝結(jié)構(gòu)采用金屬框架固定方式，防震效果較好。 另外，該儀器還可以進(jìn)行四極測(cè)深、聯(lián)合電測(cè)深、四極動(dòng)源剖面、聯(lián)合剖面、偶極偶極、地井電法、五極縱軸電測(cè)深等常規(guī)電法勘探。使之成為一臺(tái)多功能的電法勘探儀器，可用于堤防隱患探測(cè)，水利工程地質(zhì)勘探等工作。JT-1聚束直流電阻率探測(cè)儀由微計(jì)算機(jī)、兩組接收通道、三組供電電路、調(diào)平衡電路

13、、平衡指示電路、濾波電路、24位AD轉(zhuǎn)換電路及數(shù)據(jù)處理軟件等組成，其中，微計(jì)算機(jī)部分由51系列單片及ROM、RAM等構(gòu)成微計(jì)算機(jī)，從鍵盤接收控制命令。由點(diǎn)陣式液晶顯示各種狀態(tài)及測(cè)量結(jié)果?？刂平涌诎l(fā)出供電、恒流、前放、濾波等需要的命令，并從AD獲得所需數(shù)據(jù)。通訊口是用在測(cè)量結(jié)束后將儀器內(nèi)的數(shù)據(jù)送到外部計(jì)算機(jī)；兩組接收通道用來接收M1 N、M2 N接收電極的電壓信號(hào)，在調(diào)平衡階段兩組電壓信號(hào)進(jìn)行比較，平衡后M1 N電壓信號(hào)作為接收數(shù)據(jù)被記錄；三組供電電路通過供電電極分別向大地發(fā)射同極性電流信號(hào)，A0 為主電流，A1 、A2 為屏蔽電流，平衡后A0成為聚束電流被記錄；調(diào)平衡電路用來調(diào)節(jié)A0或A1 、

14、A2電流，使M1 N、M2 N接收電極的電壓信號(hào)平衡（相等），此時(shí)，A0便形成了垂直地面的聚束電流向下供電；平衡指示電路用來監(jiān)視M1 N、M2 N接收電極的電壓信號(hào)的比較（平衡）狀態(tài)；濾波電路用來消除交流電的工頻干擾和其它高頻信號(hào)的干擾；24位AD轉(zhuǎn)換電路用來將M1 N、M2 N接收電極的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存或記錄；數(shù)據(jù)處理軟件將AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和計(jì)算，得出對(duì)應(yīng)的視電阻率等參數(shù)并可實(shí)時(shí)顯示。JT-1聚束直流電阻率探測(cè)儀的配套設(shè)備還包括電流調(diào)節(jié)器，電極，放線架，直流供電電源等。4. 原型試驗(yàn)儀器設(shè)備研制完成后，研究人員先后完成了2次堤防根石探測(cè)試驗(yàn)，共完成了3個(gè)測(cè)點(diǎn)。試

15、驗(yàn)地點(diǎn)選在中牟九堡控導(dǎo)工程堤壩險(xiǎn)段134壩和136壩，測(cè)點(diǎn)1位于134壩壩頭水塘東1米，測(cè)點(diǎn)2位于134壩壩頭水塘東5米，測(cè)點(diǎn)3位于136壩頭東6米。這兩個(gè)壩曾多次出險(xiǎn)，地下有大量的拋石體存在，適于驗(yàn)證聚束探測(cè)儀器對(duì)根石層的探測(cè)效果。試驗(yàn)過后，研究人員組織了打孔或錐探驗(yàn)證，并進(jìn)行了對(duì)稱四極測(cè)深探測(cè)進(jìn)行探測(cè)效果對(duì)比。(b) 測(cè)點(diǎn)1鉆孔柱狀圖聚束直流電阻率測(cè)深曲線對(duì)稱四極電阻率測(cè)深曲線(a) 測(cè)點(diǎn)1聚束與對(duì)稱四極電阻率測(cè)深曲線圖 2 測(cè)點(diǎn)1試驗(yàn)成果圖Fig.2 The abnormity curve and borehole columnar section of measuring point

16、#1圖 2是測(cè)點(diǎn)1位置的聚束直流電阻率測(cè)深、四極測(cè)深和鉆孔的成果對(duì)比圖，從中可以看出，聚束直流電阻率測(cè)深曲線在處呈現(xiàn)明顯高阻異常，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，判斷為根石層。鉆孔資料顯示，地下為根石層，與聚束直流電阻率測(cè)深的結(jié)果相當(dāng)一致。四極測(cè)深曲線在根石層分布深度沒有異常顯示。測(cè)點(diǎn)2的試驗(yàn)情況再次驗(yàn)證了聚束直流電阻率法探測(cè)根石層位置和厚度的效果，圖 3是測(cè)點(diǎn)2位置的聚束直流電阻率測(cè)深、四極測(cè)深和鉆孔的成果對(duì)比圖。一般對(duì)稱四極測(cè)深曲線對(duì)根石層沒有反映，聚束直流電阻率測(cè)深曲線對(duì)根石層反映比較明顯。聚束直流電阻率測(cè)深曲線判斷測(cè)點(diǎn)地面下8m為根石層。鉆孔資料顯示，根石層位于地下7m處。聚束直流電阻率所測(cè)資料與鉆孔柱狀圖

17、對(duì)比大致結(jié)果相同，表明了聚束直流電阻率探測(cè)根石的有效性。聚束直流電阻率測(cè)深曲線對(duì)稱四極電阻率測(cè)深曲線(a) 測(cè)點(diǎn)2聚束與對(duì)稱四極電阻率測(cè)深曲線(b) 測(cè)點(diǎn)2鉆孔柱狀圖圖 3 測(cè)點(diǎn)2試驗(yàn)成果圖Fig.2 The abnormity curve and borehole columnar section of measuring point #2在測(cè)點(diǎn)3處，由于地勢(shì)情況無法進(jìn)行打孔驗(yàn)證，研究人員利用探桿進(jìn)行錐探對(duì)聚束直流電阻率法探測(cè)的成果進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)聚束測(cè)量曲線判斷，為拋石層，16米為砂層。錐探結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)果與根石頂界面深度基本相符。聚束探測(cè)成果判斷的根石層厚度比鉆孔資料厚。在聚束探測(cè)和鉆孔兩種不同方法間存在差異也是正常的。而且鉆機(jī)在工作中不可避免的存在采樣缺失、鉆機(jī)跟進(jìn)速度誤差等原因，鉆孔結(jié)果本身就存在誤差。因此聚束成果與鉆孔成果之間的差異并不能完全代表聚束探測(cè)系統(tǒng)的誤差。