在隧道中探查掌子面前方含水层并估算其出水量的方法

摘要

本发明涉及一种在隧道中探查掌子面前方含水层并估算其出水量的方法，包括以下步骤：在隧道中给出不同大小的两个激发电流I

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道工程技术，尤其是一种在隧道中探查掌子面前方含水层并估算其出水量的方法。

背景技术

目前在隧道施工时探测掌子面前方含水层的方法中，电阻率法和瞬变电磁法是利用含水层与围岩体间常显低电阻的特点，探查低电阻层来反映含水层；探地雷达是利用含水层与周围岩体间相对高电导率和高介电常数的特点，通过雷达反射波的相位，幅度和频谱来反映含水层；激发极化法(包括时间域激发极化法和频率域激发极化法，如德国的Beam系统等)是利用水的激发极化效应，但它们不能区分是自由水还是束缚水，也不能估算含水层的水量。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种区分自由水和束缚水并能估算出水量的在隧道中探查掌子面前方含水层并估算其出水量的方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种在隧道中探查掌子面前方含水层并估算其出水量的方法，包括以下步骤：

A.在隧道中设置电极系，采用二极法测深装置系统，A、B为供电电极，其中A电极设于掌子面下方，在掌子面的下方或侧方设置不极化电极M，另一电极N用不极化电极放于1000-1500m的地下，MN＞10AM；在距M电极5m、10m、15m、...直到100m～150m，分别设置供电电极A₁、A₂、A₃...A_n，其中n为自然数，另一供电电极B放到1000m～1500m处，且AB＞10AM；

B.分别在A₁B、A₂B、A₃B...A_nB供电，电流强度均为I₁，分别测量MN的极化电位衰减曲线，得出半衰时S₁、S₂...S_n，其中，S_n为半衰时，n为自然数，再在供电电流为I₂时，分别极化电位，衰减曲线，得出半衰时S₁′、S₂′、...S_n′，其中，n为自然数；

C.求得ΔS₁＝S₁′-S₁、ΔS₂＝S₂′-S₂...ΔS_n＝S_n′-S_n；其中，ΔS_n为二次时差，n为自然数；

D.绘出AM-ΔS_n曲线，横坐标为AM，纵坐标为ΔSn，其中，n为自然数；

则ΔS_n≤0的段为无水或束缚水，极化率≥0，ΔS_n＞0的段为可流动的自由水段，ΔS＞0的段与X＝0坐标轴所围范围的面积与自由水出水量呈正相关。

本发明的机理如下：流动的地下水(自由水)可产生渗透电场，流动的自由水携带着一定的正电荷，使得沿水流方向产生电位差。在地下水流动的上游反映为负电位，下游为正电位；在漏入水的位置产生强的负电位，流出水的位置为强烈的正电位。在激发电场的作用下，自由移动的电荷可迁移较远的距离，激发电流大，迁移的距离远，在激发电流取消后，迁移远者恢复时间长，水量大者，迁移的电荷多，恢复时间长。因此采用分别供向大地两个大小不同的激发电流，则极化半衰时的差别既反映了自由水和束缚水的差别，也反映了自由水水量的多少。

本发明的方法如下：在隧道中给出不同大小的两个激发电流I_大和I_小，分别测取极化电位的半衰时S_大和S_小，计算出半衰时差值

ΔS＝S_大-S_小

采用四极化法(A、B供电，M、N测量)或三极法(B电极置于无穷远)或二极法(B电极和N电极置于无穷远)作电测深，得到电极距-ΔS曲线。

判断和解释：在电极距-ΔS曲线上，ΔS≤0，的层段，为非含水层(极化率＝0)或束缚水层(极化率＞0，粘土，含水的泥、砂、碎石土层)。ΔS＞0的层段为含自由水的层。

本发明的相关成果实验性应用于雅砻江二级电站4号引水隧洞的一处水量预报工作中，水量预报误差低于百分之十，解决了由于其他物探手段无法预测水量给工程造成的难题，为施工方案的制定和安全施工提供了可靠的保障。

附图说明

图1为在隧道中布置电极示意图；Z为隧道掌子面，A、B为供电电极，其中A电极设于掌子面下方，B放于无穷远，即AB＞10AM；M、N为测量电极，其M放于隧道底或边墙，N放于无穷远，即MN＞10AM；M₁、M₂…M_n为不同距离的供电电极，n为自然数；在AB线路中控制供电(激发)电流I的大小，在MN线路上测量断电后的极化电位差ΔV；

图2为ΔS(＝S_大-S_小)-AM曲线图，其中H所指为含水层，W为无水层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1、图2中，一种在隧道中探查掌子面前方含水层并估算其出水量的方法，包括以下步骤：

A.在隧道中设置电极系，采用二极法测深装置系统，A、B为供电电极，其中A电极设于掌子面下方，在掌子面的下方或侧方设置不极化电极M，另一电极N用不极化电极放于1000-1500m的地下，MN＞10AM；在距M电极5m、10m、15m、...直到100m～150m，分别设置供电电极A₁、A₂、A₃...A_n，其中n为自然数，另一供电电极B放到1000m～1500m处，且AB＞10AM，如图1所示；

B.分别在A₁B、A₂B、A₃B...A_nB供电，电流强度均为I₁，分别测量MN的极化电位衰减曲线，得出半衰时S₁、S₂...S_n，其中，S_n为半衰时，n为自然数，再在供电电流为I₂时，分别极化电位，衰减曲线，得出半衰时S₁′、S₂′、...S_n′，其中，n为自然数；

C.求得ΔS₁＝S₁′-S₁、ΔS₂＝S₂′-S₂...ΔS_n＝S_n′-S_n；其中，ΔS_n为二次时差，n为自然数；

D.绘出AM-ΔS_n曲线，横坐标为AM，纵坐标为ΔSn，其中，n为自然数；

则ΔS_n≤0的段为无水或束缚水，极化率≥0，ΔS_n＞0的段为可流动的自由水段，ΔS＞0的段与X＝0坐标轴所围范围的面积与自由水出水量呈正相关。

本发明的机理如下：流动的地下水(自由水)可产生渗透电场，流动的自由水携带着一定的正电荷，使得沿水流方向产生电位差。在地下水流动的上游反映为负电位，下游为正电位；在漏入水的位置产生强的负电位，流出水的位置为强烈的正电位。在激发电场的作用下，自由移动的电荷可迁移较远的距离，激发电流大，迁移的距离远，在激发电流取消后，迁移远者恢复时间长，水量大者，迁移的电荷多，恢复时间长。因此采用分别供向大地两个大小不同的激发电流，则极化半衰时的差别既反映了自由水和束缚水的差别，也反映了自由水水量的多少。

本发明还可以采用四极化法(A、B供电，M、N测量)或三极法(B电极置于无穷远)作电测深，得到电极距-ΔS曲线。过程和二极法(B电极和N电极置于无穷远)探测类似，在此不再赘述。