一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，通过物探手段确定不良地质体的大致范围，根据确定的所得不良地质体的大致范围，在区域边界打多个钻孔，钻孔内布置电极，开展全空间三维电阻率跨孔CT精细探测，识别和定位不良地质体；根据探测结果进行打灌浆孔，对不良地质体进行灌浆封堵；开展全空间四维电阻率跨孔CT方法对灌浆封堵的全过程进行监测，构造四维电阻率反演目标函数及反演方程；采用地震法和雷达法的结果作为先验信息，代入反演方程，反演迭代得到一组电阻率反演结果；根据成像结果，获得所监测区域动态变化的电导率图像，进而获得各个阶段浆脉的运移路径、沉积留核和封堵情况。

A real-time monitoring method for grouting of unfavorable geological bodies based on four-dimensional resistivity inversion

The invention discloses a real-time monitoring method for grouting of bad geological bodies based on four-dimensional resistivity inversion, determines the general range of bad geological bodies by means of geophysical prospecting, drills multiple boreholes at the regional boundary according to the general range of the obtained bad geological bodies, arranges electrodes in the boreholes, and develops a full-space three-dimensional resistivity span. Hole CT fine detection, identification and positioning of bad geological bodies; grouting holes according to the results of detection, grouting and sealing of bad geological bodies; full-space four-dimensional resistivity cross-hole CT method to monitor the whole process of grouting plugging, the construction of four-dimensional resistivity inversion target function and inversion equation; seismic method and radar; The results of the method are substituted as prior information into the inversion equation, and a set of inversion results are obtained by inversion iteration. According to the imaging results, the dynamic conductivity images of the monitored area are obtained, and then the migration path, sedimentary retention and plugging of the mud veins in each stage are obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法
本专利技术涉及一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法。
技术介绍
灌浆是场址深部岩溶、破碎带等不良地质加固处理的最主要手段，然而传统的灌浆技术无法对浆液运移过程和路径的做到透明化感知和可视化监测，导致灌浆施工作业主要依赖经验和少量传感器数据，存在很强的盲目性，无法实现灌浆的过程控制及其参数的精确优化，往往导致灌浆处置不到位、不彻底、不达标，埋下重大安全隐患。具体来说，灌浆处理过程实时监测面临以下两个难题：其一，由于监测区域的地质环境复杂，已知地质信息少，反演方程的病态程度高，极易出现假异常，对异常体的定位效果差。不良地质体的精细探测始终是个难题。其二，被监测过程是快速多变的，这对异常的快速响应和精准定位与成像提出了更高要求。现有的灌浆检测技术，如数字钻孔摄像、物探法等，均不能实时探明灌浆过程中浆脉的运移路径、沉积留核和封堵情况。若不能及时发现和处理灌浆封堵的漏洞，极易引发二次突水。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，本专利技术跨孔电阻率CT为监测手段、以灌浆浆液与不良地质(如岩溶溶质、破碎带等)之间显著的电阻率差异为物性基础，专利技术了一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，提出了一种用于不良地质体的三维空间定位和成像及其灌浆全过程跟踪监测评价的可行方案，进而保障工程的安全施工。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，包括以下步骤：通过物探手段确定不良地质体的大致范围，根据确定的所得不良地质体的大致范围，在区域边界打多个钻孔，钻孔内布置电极，开展全空间三维电阻率跨孔CT精细探测，识别和定位不良地质体；根据探测结果进行打灌浆孔，对不良地质体进行灌浆封堵；开展全空间四维电阻率跨孔CT方法对灌浆封堵的全过程进行监测，构造四维电阻率反演目标函数及反演方程；采用地震法和雷达法的结果作为先验信息，代入反演方程，反演迭代得到一组电阻率反演结果；根据成像结果，获得所监测区域动态变化的电导率图像，进而获得各个阶段浆脉的运移路径、沉积留核和封堵情况。进一步的，根据施工区域已有的工程地质和水文地质资料，推断不良地质体的大体范围，采用高密度电法、地质雷达或/和地震法，开展物探普查，初步确定不良地质体的空间位置、形态及其大致边界范围。进一步的，钻孔根据现场实际情况，选取合适地点，不需要严格的围成矩形，但尽量分布在不良地质的四周。开展全空间三维电阻率跨孔CT精细探测，利用不在同一直线上的三个或三个以上钻孔形成三维立体观测空间，在孔内布置测线，测线上均匀分布多个电极点，形成点源三维电场，对孔间地质结构进行多次覆盖采集和数据分析。所述四维电阻率反演目标函数为数据误差项、空间光滑约束项和时间光滑约束项之和。更进一步的，所述数据误差项与实际观测数据与理论观测数据的差值向量相关。更进一步的，所述空间光滑约束项与光滑约束矩阵以及模型参数在迭代中的模型参数增量向量的乘积相关。更进一步的，在时间约束项中引入梯度项使得模型网格电阻率在反演迭代过程中沿三个方向具有不同的时间演化梯度特性。进一步的，对模型进行独立的三维电阻率反演，由迭代一次后的结果，获得异常体的大致范围，对该范围以外的网格在三个方向上的梯度变化值都重设为0，令目标函数取极小，得到反演方程。进一步的，根据地质信息以及地震探测结果，初步预测目标体运移的大致走向，作为方向梯度矩阵的权重代入反演方程，求解反演方程得到模型参数修正量，通过迭代得到反演结果。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1.本专利技术提出了方向梯度矩阵的计算方法。通过反演迭代一次，确定浆液可能流向的空间区域；浆液的流动扩散往往遵循一定的规律，方向梯度约束作为先验信息，可以从一定程度上对动态流动的浆液进行表征，有利于更好的对流动的浆液成像；2.本专利技术提出了携带先验方向梯度约束的四维电阻率反演方程，在时间约束项中引入梯度项，使得模型网格电阻率在反演迭代过程中沿三个方向具有不同的时间演化梯度特性，加强了在浆液流动主要方向上的敏感性，减弱了反演方程严重病态程度，减少了反演结果的假异常；3.以地震法和雷达法确定不良地质的结构和界面，确定裂隙基本位置，构造合适的初始模型，预先判断浆液的基本走向，作为先验信息，代入携带先验方向梯度约束的四维电阻率反演方程；4.本专利技术提出了一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，利用物探普查确定监测区域，利用多种物探方法的结果作为先验信息代入四维电阻率反演方程得到的一系列电导率时间图像，由此推断灌浆过程中浆脉的运移路径、沉积留核和封堵情况，全过程跟踪评价灌浆效果，为动态控制灌浆过程，及时发现漏洞提供了有益的参考；5.本专利技术能降低反演方程的病态，减少反演结果中的假异常，更加准确的获得不良地质体和浆液的形态和定位，可以根据先验信息对监测过程在不同方向上取不同权重，更有针对性的捕获浆脉运移过程中的空间位置和形态，对加固效果做出科学评价，保障工程的安全施工。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆过程实时监测方法的流程图。图2是本专利技术进行数值模拟时使用的地电模型设计图。图3是本专利技术进行数值模拟得到的反演结果。其中1、模拟裂隙水的单元网格，2、模拟灌浆浆液的单元网格。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。在本专利技术中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本专利技术各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本专利技术中任一部件或元件，不能理解为对本专利技术的限制。本专利技术中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本专利技术中的具体含义，不能理解为对本专利技术的限制。如图1所示，一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，包括以下步骤：(1)根据施工区域已有的工程地质和水文地质资料，推断不良地质体的大体范围。采用高密度电法、地质雷达、地震法，开展物探普查，初步确定不良地质体的空间位置、形态及其大致边界范围。(2)根据步骤(1)所得不良地质体的大致范围，在区域边界打多个钻孔。钻孔内布置电极，开展全空间三维电阻率跨孔CT精细探测，进一步精确识别和定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，其特征是：包括以下步骤：通过物探手段确定不良地质体的大致范围，根据确定的所得不良地质体的大致范围，在区域边界打多个钻孔，钻孔内布置电极，开展全空间三维电阻率跨孔CT精细探测，识别和定位不良地质体；根据探测结果进行打灌浆孔，对不良地质体进行灌浆封堵；开展全空间四维电阻率跨孔CT方法对灌浆封堵的全过程进行监测，构造四维电阻率反演目标函数及反演方程；采用地震法和雷达法的结果作为先验信息，代入反演方程，反演迭代得到一组电阻率反演结果；根据成像结果，获得所监测区域动态变化的电导率图像，进而获得各个阶段浆脉的运移路径、沉积留核和封堵情况。

【技术特征摘要】
1.一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，其特征是：包括以下步骤：通过物探手段确定不良地质体的大致范围，根据确定的所得不良地质体的大致范围，在区域边界打多个钻孔，钻孔内布置电极，开展全空间三维电阻率跨孔CT精细探测，识别和定位不良地质体；根据探测结果进行打灌浆孔，对不良地质体进行灌浆封堵；开展全空间四维电阻率跨孔CT方法对灌浆封堵的全过程进行监测，构造四维电阻率反演目标函数及反演方程；采用地震法和雷达法的结果作为先验信息，代入反演方程，反演迭代得到一组电阻率反演结果；根据成像结果，获得所监测区域动态变化的电导率图像，进而获得各个阶段浆脉的运移路径、沉积留核和封堵情况。2.如权利要求1所述的一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，其特征是：根据施工区域已有的工程地质和水文地质资料，推断不良地质体的大体范围，采用高密度电法、地质雷达或/和地震法，开展物探普查，初步确定不良地质体的空间位置、形态及其大致边界范围。3.如权利要求1所述的一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，其特征是：钻孔根据现场实际情况，选取合适地点，不需要严格的围成矩形，但尽量分布在不良地质的四周。4.如权利要求1所述的一种基于四维电阻率反演的不良地质体灌浆实时监测方法，其特征是：开展全空间三维电阻率跨孔CT精细探测，利用不在同一直线上的三个或三个以上钻孔形成三维立体观测空间，在孔内布置测线，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，庞永昊，刘征宇，王宁，刘沈华，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37