基于跨孔电阻率层析成像的约束反演与四维监测反演方法及其工程应用

摘要

近年来电阻率勘探方法取得了重要进展，并成功应用于地下工程不良地质调查和灾害的探测与监测等多个领域。随着我国工程建设面临的地形、地质条件和监测环境愈加复杂，对电阻率勘探方法与技术的时空探测能力、成像解译精度等均提出了更高的要求。跨孔电阻率层析成像方法(跨孔ERT)与地表电阻率方法相比，在精细化探测方面更具优势，系统开展以跨孔ERT方法为核心的精细探测与四维监测反演研究具有重要的工程价值和理论意义。
　　针对跨孔ERT方法精细探测和动态监测成像的难题，本文采用理论分析、数值反演、模型试验与现场试验等方法，提出了距离加权约束反演成像方法、利用不完整边界先验信息的约束反演成像方法、四维监测反演成像方法，形成了跨孔ERT精细探测和四维监测数据采集、处理与解释的方法，相关研究成果在实际工程和模型试验中得到了较为成功的应用。
　　本文的主要研究工作及成果如下:
　　(1)跨孔ERT距离加权约束反演成像方法。针对跨孔ERT方法孔中电极附近成像效果差这一特殊问题，本文提出了“距离加权”约束反演的思路，定义了随着远离孔中电源点快速变化的距离加权函数，然后对多电源条件下的距离加权因子分布曲线特征及其对钻孔附近模型单元过高灵敏度的压制作用进行了研究和分析。数值反演试验结果表明，该方法可有效提高对钻孔附近异常体形态识别的精度和可靠性。
　　(2)利用不完整边界先验信息的跨孔ERT约束反演成像方法。在利用地质雷达方法获得异常体部分或不完整边界信息的基础上，本文定义了从已知的不完整边界辐射的“虚拟内部区域”，通过设置具有“相同光滑度”的外部约束、“各向异性光滑度”的边界约束和“渐变光滑度”的内部约束实现了形态约束的构建。数值反演试验结果表明，新的跨孔ERT约束反演方法对异常体边界的成像和识别更加准确，而且在“搜索”异常体其他边界方面也取得了良好的效果，有效地降低了反演的非唯一性。
　　(3)跨孔ERT四维监测反演成像方法。本文首先提出了一种新的监测数据提取和重组策略，优化了四维数据采集和反演过程;构造了数据加权矩阵，通过在四维反演方程中增大动态更新的数据集的数据权重，提高了对新获取数据集中包含的地下电阻率变化信息的响应;利用当前时刻数据集独立反演结果与历史四维反演结果的比值，预估模型电阻率变化区域，并据此动态修正时间光滑因子，构建四维反演方程中各模型之间的关联;在此基础上，开发了基于GPU并行算法的反演快速求解程序。数值反演试验结果表明，新的跨孔ERT四维反演方法对低阻体快速变化的定位和形态刻画更加准确。
　　(4)典型不良地质体的跨孔ERT探测监测模型试验及其成像特征研究。在上述理论研究的基础上，建立了孤石探测1∶1模型、小规模含水体探测的实验室模型以及水体扩散过程动态监测的四维模型，分别开展了跨孔ERT约束反演方法和四维反演方法的探测和监测模型试验研究，分析并总结了典型不良地质体的成像特征，为跨孔ERT探测和监测方法在实际工程中的应用奠定了试验基础。
　　在上述研究基础上，在吉林引松供水工程小河沿区段和广西岑溪大隧道分别开展了现场探测和监测试验，探测与监测结果与实际开挖揭露情况基本一致，从现场应用的角度验证了其有效性和可靠性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电阻率勘探方法的发展与钻孔精细化探测监测的新方向

1．2．2 跨孔ERT观测方式与反演理论的研究现状

1．2．3 跨孔ERT四维监测反演理论与方法的研究现状

1．3 目前研究存在的问题

1．4 主要研究内容、创新点和技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

1．4．3 创新点

第二章 、跨孔ERT约束反演成像理论与方法

2．1 跨孔ERT有限元建模与反演的基本理论

2．2 跨孔ERT距离加权约束反演成像方法

2．2．1 孔中点源条件下的距离加权函数表达式

2．2．2 携带距离加权约束的三维跨孔ERT反演方程

2．2．3 距离加权因子分布曲线特征

2．2．4 数值模拟算例

2．3 利用不完整边界先验信息的跨孔ERT约束反演方法

2．3．1 具有先验不完整边界信息的形态约束的构造

2．3．2 具有先验形态约束的跨孔ERT反演方程

2．3．3 数值模拟算例

2．4 本章小结

第三章 、跨孔ERT四维监测反演成像理论与方法

3．1 跨孔ERT四维反演成像方法

3．1．1 一种新的观测数据提取与重组策略

3．1．2 改进的跨孔ERT四维反演方程

3．1．3 预估模型电阻率变化区域

3．2 跨孔ERT四维反演数值模拟算例

3．2．1 不同数据加权系数的跨孔ERT四维反演数值算例

3．2．2 快速变化模型的跨孔ERT四维反演数值算例

3．2．3 渐变模型的跨孔ERT四维反演数值算例

3．3基于GPU并行的反演方程快速求解算法

3．4 本章小结

第四章 、跨孔ERT探测监测模型试验研究

4．1 孤石探测1：1模型试验

4．1．1 孤石探测试验的设计与模型建设

4．1．2 二维跨孔ERT孤石探测试验与结果解释

4．1．3 三维跨孔ERT孤石探测试验与结果解释

4．1．4 地质雷达与三维跨孔ERT方法的综合探测试验

4．2 含水体探测、监测模型试验

4．2．1 用于小规模含水体探测的实验室模型试验

4．2．2 用于水体扩散过程动态监测的跨孑LERT四维模型试验

4．3 本章小结

第五章 、工程应用

5．1 吉林引松供水工程小河沿区段岩溶地表综合探测

5．1．1 工程概况与地质分析

5．1．2 数据采集

5．1．3 数据反演与综合解释

5．1．4 实际开挖结果与探测结果对比

5．2 广西岑溪大隧道地下导水通道探测与地下水活动监测现场试验

5．2．1 工程概况与地质分析

5．2．2 数据采集

5．2．3 监测数据反演与解释

5．2．4 监测结果与隧洞内实际涌水量变化情况对比

5．3 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的科研成果、参与项目及所获奖励一