电阻率二维反演方法以及在工程中的应用

采用基于光滑约束的最小二乘二维电阻率反演成像方法,提出反演方程快速求解算法,显著改善了二维电阻率勘探反演成像的效果与效率,在滑坡体勘探和城市地铁勘探应用中,能够清楚、直观地探测出溶洞、断层等地下异常体的形态以及空间位置。     

三维电阻率空间结构约束反演成像方法

 反演的多解性是三维电阻率探测的固有问题,极易造成地质解释的误差甚至错误。针对该问题,提出利用其他勘探地球物理方法(如地震反射方法、地质雷达方法等)获得的异常体的空间结构和形态信息作为电阻率反演先验约束的学术思路。首先,提出空间结构约束这一新约束的构制方法,将已知异常区域(由其他勘探地球物理方法得到)映射到三维反演模型中,使得对应区域的各网格之间的电阻率差异极小,建立一种表达简单、易于实现的空间结构约束矩阵,可表征常见典型构造,特别是形态或结构较复杂的地质构造。在此基础上,构造携带空间结构约束的三维电阻率探测反演目标函数及其反演成像方程,形成三维电阻率探测空间约束反演成像方法。然后,基于上述反演方法,开展数值试验和工程应用,将地质雷达和地质分析获得的空间结构约束施加到三维电阻率反演中,发现利用三维电阻率空间结构约束反演方法大大增加了异常区域的先验信息,可有效去除反演成像中的假异常和多余构造,对异常体的定位精度和界面分辨效果较传统的电阻率反演方法有了很大的提高,使得反演结果与地质原型较为一致,显著压制了电阻率探测反演的多解性问题,证明三维电阻率探测空间结构约束反演成像方法是抑制多解性、改善定位精度和界面分辨效果的可行途径。     

基于松弛变量的不等式约束三维电阻率并行反演方法研究

 三维电阻率反演存在多解性问题,且求解耗时较长,制约着电阻率法探测的实际应用。针对该问题,提出在反演方程中施加不等式约束、设计并行算法的解决思路。在传统的常规光滑约束反演基础上,引入松弛变量,将携带有地下介质电阻率变化范围上下限值信息的不等式约束施加到反演方程。利用原始对偶内点法原理,构造新的目标函数,可将模型电阻率值限定在不等式约束范围内并直接在约束规定的可行域内进行寻优,从理论上可压制反演的多解性。同时,设计偏导数矩阵求解并行算法和Cholesky分解并行算法,可使反演速度提高50%以上。综上形成了基于松弛变量的不等式约束三维电阻率并行反演方法,并开展相应的数值反演试验与工程应用验证。结果表明上述反演方法充分利用不等式约束的先验信息,在去除反演成像的假异常、压制反演的多解性、改善反演准确性和计算效率等方面有明显效果。     

电阻率影像法及在水文和工程地质中的应用

电阻率影像法的基本原理与常规的直流电阻率法相同, 但它采用阵列勘探方式进行实际勘察,用二维反演方法进行数据处理, 又经计算机成像, 勘探效果很大提高, 可以说是地学中的ＣＴ。本文介绍了该方法的基本原理, 并给出了几个理论算例和野外实例。     

基于混合正则化的最小二乘三维电阻率反演成像

基于经典Tikhonov正则化(classical Tikhonov regularization)的最小二乘反演是三维电阻率反演的主要方法。对于电阻率分片连续的地质体,由于光滑反演解的光滑性使得目标区域与背景区域间边界模糊,不能很好地体现异常体的形态信息和位置信息,成像效果不好。将总变分正则化(total variation regularization)与经典Tikhonov正则化结合,提出混合正则化反演方法,通过模型分析比较经典Tikhonov正则化、TV正则化、混合正则化在反演结果上的不同,证明了引入混合正则化约束的最小二乘反演既保持了经典Tikhonov正则化方法解的稳定性,又具有TV正则化方法解的保边缘性,有效地改善了三维电阻率成像效果。最后将混合正则化的反演方法应用到实际工程,验证了该方法的有效性和实用性。     

三维电阻率方法对含水溶洞的反演模拟研究

采用基于阻尼最小二乘法的三维电阻率反演成像方法,以含水溶洞探测模拟为例对其反演成像效果和分辨率进行了分析,结果表明该方法能够较好地实现一定埋深范围内地下低阻异常的三维空间定位和形态识别,为地质解译提供可靠的依据。     

各向异性介质一阶速度-应力方程平面波最小二乘逆时偏移

为满足各向异性储层精细勘探的需求,基于各向异性介质拟声波一阶速度-应力方程,首先推导适用于反演成像的偏移成像算子及线性正演算子,进而构建出泛函梯度及散射波场;其次从最小二乘反演框架出发,发展各向异性介质拟声波最小二乘逆时偏移成像方法;为了提高反演效率,进一步引入平面波编码技术,并结合预条件、正则化及GPU加速等措施,最终发展一种稳定高效的各向异性介质平面波最小二乘反演成像多级优化策略,并进行典型模型反演成像测试。结果表明:该方法能够对逆掩断层、高陡倾构造、崎岖浅表层等复杂构造进行相对保幅成像,成像效率较高,且迭代过程中自动压制交叉干扰和偏移噪音,进而提升剖面的整体成像质量。     

基于距离加权约束算法的围岩三维电阻率CT反演成像研究

孔中电极附近成像效果差的问题是一直以来困扰三维电阻率CT精细探测的难题,针对该问题,提出了"距离加权"约束反演的思路,通过构建"指数型"衰减的距离加权因子分布模型,对距孔中电源点不同远近的剖分单元赋予差异权重,重点改善了孔中电源点附近区域反演敏感度较高而造成的成像形态畸变问题,提高了三维电阻率CT反演成像方法对异常体三维定位和识别的精度及可靠性。通过数值反演试验和物理模型试验研究,进一步检验了距离加权约束反演方法在改善孔中电极附近异常体成像形态方面的有益效果,试验结果均比较准确地反映了异常体的空间位置、规模和形态。     

隧道含水构造直流电阻率法超前探测三维反演成像

突涌水地质灾害是隧道修建面临的主要威胁，隧道掌子面前方赋存的突水灾害源——含水构造的三维定位已经成为亟待解决的关键难题。针对上述难题，提出了直流电阻率法三维反演成像超前探测方法。首先，建立了直流电阻率法超前探测三维全空间立体观测方式，针对测线附近的旁侧干扰严重这一关键问题，提出了干扰识别与去除方法，实现了掌子面前方三维有效信息的测量。综合线性反演方法和非线性反演方法的优点，提出了改进遗传算法与最小二乘法相结合的混合反演成像方法，既摆脱了对初始模型的依赖，又保证了反演进化效率。然后，重点对断层、裂隙、溶洞等典型的含水构造进行了系统的反演数值试验，获得了典型含水构造的三维成像特征和相应的地质解释依据，为实现由观测数据到三维成像再到地质模型的映射奠定了基础。最后，将直流电阻率法超前探测三维反演成像方法应用到模型试验和实际工程中，实现了含水地质构造的较准确三维定位，证明该方法具有良好的推广应用价值。     

基于跨孔电阻率CT的地铁盾构区间孤石探测方法及物理模型试验研究

跨孔电阻率CT方法在地铁盾构区间孤石探测方面具有一定优势,但仍然存在孤石定位精度低、小尺寸孤石难以识别等工程实际难题。首先,提出了电阻率CT不等式约束反演成像方法和偏导数矩阵的并行解析快速求解方法,从施加先验信息约束和提高反演精度两个方面共同改善了电阻率CT反演的多解性与成像效果。在此基础上,通过大量常规观测模式的成像效果对比试验,提出了一种组合式观测模式,可以综合多种常规观测模式的探测优势并增加采集的数据量,从而提高对异常体的识别能力。针对影响探测效果的两个因素——孔距和电极间距进行了数值模拟试验研究,获得了在组合式观测模式下的有效孔距范围和合理的电极间距参数,并进一步检验了对小粒径孤石的识别效果。在此基础上,提出了地面物探普查与电阻率CT详查相结合的孤石探测方案。最后,开展了物理模型试验研究进行验证,探测结果与实际情况比较一致,具有较好的应用前景。     

超声波层析成像技术在混凝土构件中的应用研究

目前,混凝土构件超声测缺一般都采用超声波透过混凝土的信号来判别缺陷状况,该方法对缺陷的大小、性状等难以给出定量的结果,属于定性和半定量方法。在混凝土构件超声检测中引入层析成像技术,首先叙述层析成像的基本理论和算法,并在射线追踪过程中采用二阶段射线追踪方法,在反演过程中采用最小二乘法(LSQR)来保证计算的精度,通过工程实例可以说明采用超声波层析成像技术可提供整个构件测试断面上的完整信息,缺陷评估更直观、准确,信息量更丰富。     

两淮煤系地层主要岩石单轴受压条件下的导电特性试验研究

设计一种岩石受荷条件下的岩石电阻率试验装置。通过试验,发现一种取材方便、效果良好的电极耦合材料——过饱和黏土。试验研究两淮煤系地层主要岩石的导电性随电流、电压、应力的变化特性,并拟合出各岩样较高相关度的电阻率-应力(ρ-σ)回归方程,结果发现:(1)两淮煤田煤系地层岩石在弹性变形范围内,其导电性随着应力的增大而增强(即岩石的电阻率随着应力的增大而降低);(2)软弱砂质泥岩导电性受应力影响的程度大于坚硬的砂岩、闪长岩;(3)岩石电阻率与应力之间存在较好的相关性;(4)在应力一定的条件下,软弱砂质泥岩的导电性随着电压、电流的增强而增强(电阻率降低),坚硬砂岩、闪长岩的导电性基本不受电压、电流的影响。在两淮煤田深井巷道围岩松动圈的高密度电阻率法探测中,将测试得到的巷道围岩视电阻率断面图或电阻率反演断面图与岩石电阻率试验获得的ρ-σ回归方程相结合,分析巷道围岩松动圈的发育状况,取得较好的工程效果。     

弹性波层析成像及其在土木工程中的应用

对弹性波层析成像理论和算法进行系统研究。射线追踪是建立在几何光学近似的基础上,合理选择弹性波源使之在介质中有较大的波速梯度,则在土木工程中应用弹性波层析成像能够满足其理论前提;提出二阶段射线追踪的快速方法,第一阶段采用改进的扫描法初选射线路径,第二阶段对初选射线路径进行扰动分析确定最终射线路径;讨论离散反演问题解的性质,特别是对于混定问题采用奇异值分解理论可获得满意的解估计,在减小解方差的同时也降低解的分辨半;研制弹性波层析成像系统,数值仿真表明软件正确可靠,工程实例表明该技术在土木工程中有显著的推广应用价值。     

三维结构下全路径迭代射线追踪方法

基于Fermat原理对三维任意界面情况下的2点间射线追踪问题进行了研究。通过采用一阶Taylor不完全展开等办法,给出了三维情况下全路径迭代射线追踪算法的计算格式,并在几个三维介质模型上进行了射线追踪模拟计算。计算结果表明:它的计算速度相当快,且其计算精度可以根据需要达到任意要求,为三维结构下地震偏移和层析成像提供了一种可行的射线追踪方法。     

混凝土构件层析成像的试验研究

在阐述层析成像基本原理的基础上,制作了含已知缺陷的混凝土构件,对其开展层析成像的试验研究。提出了缺陷的定量识别算法,可以在概率统计的意义上识别出具有一定置信度的缺陷区域,与混凝土构件的实际情况吻合良好。试验成果验证了两阶段的射线追踪方法和基于广义逆的反演方法的正确性。在同等测试条件下,广义逆方法的反演效果比传统的SIRT方法好。室内试验为层析成像的应用效果评价提供了新的思路,对实际工程测试与安全性评估也有显著的指导意义。     

在龙门店银铅矿区利用ANSYS进行直流电法地形改正的研究

众所周知,在复杂地形条件下开展直流电法勘探,由于地形起伏的影响,电阻率往往不能反映出真实的地电结构,给后期的推断解释带来较大的困难,这一问题常常是物探工作者急需解决的课题之一。较详细地阐述了利用通用有限元分析软件ANSYS解决直流电法勘探中电阻率地形改正问题的方法和过程,介绍了用APDL语言编写电阻率地形改正命令流的步骤,讨论了网络划分密度的选择原则,以龙门店银铅矿区效果说明该方法的可行性和可靠性。     

基于地下水渗流中地电场响应的矿井 水害预警试验研究

 通过建立渗流–电测模型,在渗流过程中采用网络并行电法仪进行时空域地电场参数试验,首次取得渗流中地电场参数的空间瞬态响应。以电位、电流等时线和视电阻率等时面特征为依据,发现渗流过程中自然电场在时空域均表现为上升趋势,自然电位等时线的极值点指示渗流位置,并具有超前感应能力。激励一次场电压、电流可以精确确定渗流液面与渗流速度,适合于非均匀地质体渗流规律的研究。实时视电阻率图像具备跟踪识别渗流区域和相对水量变化的能力,随着视电阻率变低,地下水渗流趋向饱和。通过对五沟煤矿的实际地电场监测,提前2 d成功预报了1013工作面底板出水,巷道自然电位极值点指示出水位置,视电阻率等时面指示出水水源层位。采用井下地电场的空间同步监测技术,可用来进行煤层底板水害的实时监测研究,在矿井突水灾害防治中具有应用前景。     

生活垃圾渗滤液污染砂土电阻率法量化检测研究

为分析电阻率法对生活垃圾渗滤液污染区边界和污染程度量化检测能力,在室内模拟渗滤液渗漏污染过程,分别利用二维,三维电阻率映像法和电极探杆法对污染过程进行检测.检测结果显示,土层被渗滤液污染后,在二维和三维视电祖率剖面图中均表现为低阻异常区.异常区边界和污染区边界具有对应关系,并随渗滤扩散范围和污染程度变化而改变.电极探杆法测量电阻率值和污染土中的渗滤液含量具有对应关系,基于建立的Archie型公式可反算求取土体中污染物含量,计算相对误差低于10%.基于电测结果的渗滤液含量求取过程需开展渗滤液稀释过程的电阻率测试试验和不同含水饱和度土样电阻率测试试验以确定相关参数.     

Evaluation of Chemical Grouted Area by Resistivity Tomography Method

The resistivity tomography, the horizontal electrical profiling, and the elastic wave tomography methods were used for evaluating an improved area in gravelly soils by chemical grouting. The first and second methods are basically the same; however, the second method is much easier to perform. The availability of the second method is also investigated. The improved area was confirmed by excavation after grouting. The actual improved area was compared with the area estimated by using the above three methods. Among them, the resistivity tomography method could nearly estimate the grouted area in cooperation with the analytical method used by Komine et al. It was, however, difficult to evaluate the grouted area by either the horizontal electrical profiling nor the elastic wave tomography method in the present case.