梅芹芹,鄧　舒,張衛(wèi)強(qiáng),3,唐　鑫

(1.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210049;2.徐州市國(guó)土資源局土地儲(chǔ)備中心,江蘇 徐州 221006;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

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基于地電場(chǎng)響應(yīng)的地裂縫模擬試驗(yàn)①

梅芹芹1,鄧舒2,張衛(wèi)強(qiáng)1,3,唐鑫1

(1.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210049;2.徐州市國(guó)土資源局土地儲(chǔ)備中心,江蘇 徐州 221006;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)并行電法技術(shù)的基礎(chǔ)上,建立有基底潛山的物理模型,對(duì)注水條件下模型土體開(kāi)裂過(guò)程中的地電場(chǎng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明,土體中電位、電流和電阻率的變化與土體含水量密切相關(guān),隨著土體中含水量的改變,自然電位、一次場(chǎng)電位、激勵(lì)電流和視電阻率發(fā)生急劇變化;網(wǎng)絡(luò)分布式并行電法反演信息表明在視電阻率曲率值較大位置容易產(chǎn)生不均勻沉降和裂縫,不均勻沉降的程度越大,地裂縫的長(zhǎng)度、寬度、深度也越大。

地裂縫; 網(wǎng)絡(luò)并行電法; 地電場(chǎng)響應(yīng); 模擬試驗(yàn)

0　引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)多個(gè)地區(qū)地下水資源遭到過(guò)量開(kāi)采,導(dǎo)致嚴(yán)重的地面沉降,而不均勻沉降又誘發(fā)了大量地裂縫,造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和重大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失[1-7]。因此,深入研究三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的土體地裂縫的成災(zāi)機(jī)理和發(fā)育過(guò)程具有十分重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義。

許多學(xué)者對(duì)地下水滲流過(guò)程中地電場(chǎng)參數(shù)的變化進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)地電場(chǎng)特征對(duì)水的滲流有一定的指示作用[8-12]。當(dāng)向土體注水時(shí),土體的含水量發(fā)生變化,土體中的地裂縫形成了水流通道,水流沿地裂縫流動(dòng),使得電場(chǎng)中的陰陽(yáng)離子發(fā)生轉(zhuǎn)移,進(jìn)而引起土體電位和電流的變化。

本文在有基底潛山的地質(zhì)環(huán)境和不均勻沉降的基礎(chǔ)上建立小型物理模型進(jìn)行模擬研究,并應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分布并行電法技術(shù)[13-14],通過(guò)對(duì)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和處理來(lái)分析地裂縫發(fā)育演化的動(dòng)態(tài)分布特征。

1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。模型材料為有機(jī)玻璃,模型外觀為150 cm×100 cm×120 cm的長(zhǎng)方體。模型箱底部潛山拱頂在圖1中位置為距左邊70 cm,高80 cm處。不均勻土層結(jié)構(gòu)自下而上設(shè)計(jì)為:第一層為高40 cm的砂層;第二層左側(cè)采用40 cm的填土,右側(cè)下部采用相同的高6 cm的填土,上部采用34 cm高的黏土;最頂層采用高18 cm的填土與膨潤(rùn)土的混合土。

試驗(yàn)時(shí)采用AM野外數(shù)據(jù)采集方法,布置上下兩層電位變化監(jiān)測(cè)剖面,共使用32根測(cè)量電極和兩根無(wú)窮遠(yuǎn)電極。具體設(shè)計(jì)為:下層O′A′B′C′剖面在Z=80 cm的XOY平面沿對(duì)角線布置電極,同一對(duì)角線上兩相鄰電極間距20 cm,兩端電極距模型箱對(duì)角點(diǎn)距離約18 cm;上層OABC剖面在模型表面土層按對(duì)角線布置電極,布置要求與下層相同。上下兩層測(cè)量電極的位置位于同一垂線上,電極編號(hào)及位置如圖2所示,括號(hào)內(nèi)編號(hào)為下層剖面電極編號(hào)。并于模型表面土層中設(shè)置兩根公共電極。

圖1　YOZ平面剖面圖(單位:cm)Fig.1　Profile map of YOZ plane (Unit:cm)

圖2　XOY平面電極剖面圖(單位:cm)Fig.2　Electrode profile of XOY plane (Unit:cm)

2　注水過(guò)程中地電場(chǎng)響應(yīng)

2.1自然電位響應(yīng)規(guī)律

試驗(yàn)中注水3 min后開(kāi)始采集第一組試驗(yàn)數(shù)據(jù),并以該組數(shù)據(jù)采集的時(shí)間為起點(diǎn)(t=0 min)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,其中0～6 min、12～ 25 min時(shí)注水。

為研究注水時(shí)地裂縫發(fā)育過(guò)程中自然電位的響應(yīng)規(guī)律,從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取D1～D32號(hào)電極的自然電位數(shù)據(jù),以D1電極為參照電極,畫(huà)出D2～D32自然電位隨時(shí)間變化的曲線(圖3)。試驗(yàn)時(shí)D15、D16號(hào)電極數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯異常,下文分析中不予考慮。

圖3　自然電位隨時(shí)間的變化曲線Fig.3　The variation of sporctaneous potential with time

圖3顯示,自然電位響應(yīng)很好地反映了試驗(yàn)過(guò)程中注水-停水-注水-停水幾個(gè)階段。0～6 min第一次注水時(shí),隨著土樣含水量的增加自然電位呈迅速上升的趨勢(shì)并達(dá)到一個(gè)極大值點(diǎn);6 min時(shí)停止注水,自然電位迅速下降,實(shí)際注水時(shí)水流沿OA方向流動(dòng),隨后流向AB方向,停止注水后在Ⅱ區(qū)域還殘留有一些積水,導(dǎo)致D9、D27電極自然電位仍有持續(xù)上升趨勢(shì);12 min時(shí)再次注水,水量的增加使自然電位持續(xù)上升;注水后期(約20 min時(shí)),模型達(dá)到飽和狀態(tài),自然電位達(dá)到一個(gè)最高值并逐漸趨于穩(wěn)定,其中有部分電極泡水后測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,導(dǎo)致自然電位出現(xiàn)下降趨勢(shì),如D2、D5、D13、D14等;25 min時(shí)再次停止注水,隨著模型內(nèi)水的滲流,模型進(jìn)入非飽和狀態(tài),自然電位整體呈下降趨勢(shì),但黏土層中水排出緩慢,自然電位下降不太明顯,下降幅度也較小。

觀察圖3中曲線可知,自然電位與水流的擴(kuò)散具有明顯的關(guān)聯(lián)性。各測(cè)量電極自然電位變化曲線總體形態(tài)基本一致,注水時(shí)自然電位均出現(xiàn)極大值現(xiàn)象,主要是由于含水量的增加引起水壓的變化,進(jìn)而造成土體沉降和裂縫的發(fā)育,形成電性異常。

2.2一次場(chǎng)電位響應(yīng)規(guī)律

為研究注水時(shí)地裂縫發(fā)育過(guò)程中一次場(chǎng)電位的變化規(guī)律,從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取D1～D32號(hào)電極的一次場(chǎng)電位數(shù)據(jù),以D1電極為參照電極,畫(huà)出D2～D32一次場(chǎng)電位隨時(shí)間變化的曲線(圖4)。

由圖4可以看出,一次場(chǎng)電位響應(yīng)也較好地反映了試驗(yàn)過(guò)程中注水-停水-注水-停水幾個(gè)階段。t=0 min 時(shí)一次場(chǎng)電位已處于一個(gè)較高位置,說(shuō)明數(shù)據(jù)采集前受注水的影響,一次場(chǎng)電位已迅速上升至此位置,隨著水流變化,一次場(chǎng)電位保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài);6 min時(shí)停止注水,一次場(chǎng)電位明顯下降,達(dá)到最低值后趨于穩(wěn)定;12～25 min再次注水時(shí)一次場(chǎng)電位整體呈上升趨勢(shì),注水至模型飽和后達(dá)到極高值,其上升幅度與水流有較大關(guān)系,試驗(yàn)時(shí)模型右側(cè)水量比左側(cè)大,右側(cè)電極先于左側(cè)電極達(dá)到一次場(chǎng)電位最高值,模型飽和后水開(kāi)始向外滲流,一次場(chǎng)電位出現(xiàn)微小下降趨勢(shì);25 min時(shí)停止注水,模型從飽和向不飽和狀態(tài)演變,一次場(chǎng)電位呈下降趨勢(shì),下降幅度不明顯。

圖4　一次場(chǎng)電位隨時(shí)間的變化曲線Fig.4　The variation of primary field potential with time

觀察圖4中曲線可知,一次場(chǎng)電位大小與公共電極的位置有一定關(guān)系,從靠近公共電極的電極到遠(yuǎn)離公共電極的電極一次場(chǎng)電位值逐漸升高。同時(shí)一次場(chǎng)電位的變化受水流影響較大,水流變化時(shí),一次場(chǎng)電位會(huì)迅速達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值,并保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.3激勵(lì)電流響應(yīng)規(guī)律

激勵(lì)電流即一次場(chǎng)電流,從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取D1～D32號(hào)電極的激勵(lì)電流數(shù)據(jù),作出各電極激勵(lì)電流隨時(shí)間的變化,如圖5所示。

圖5　激勵(lì)電流隨時(shí)間的變化曲線Fig.5　The variation of excitation current with time

由圖5可以看出,激勵(lì)電流響應(yīng)也反映了試驗(yàn)過(guò)程中注水-停水-注水-停水幾個(gè)階段。t=0 min時(shí)激勵(lì)電流已處于一個(gè)相對(duì)較高的位置,說(shuō)明數(shù)據(jù)采集前受注水的影響激勵(lì)電流已迅速上升至這個(gè)較高的位置,此后隨著水流的變化,激勵(lì)電流基本保持穩(wěn)定;6 min后停止注水,激勵(lì)電流有明顯的下降趨勢(shì),下降至極低點(diǎn)后保持穩(wěn)定;12～25 min再次注水,激勵(lì)電流普遍有上升趨勢(shì),至模型飽和后達(dá)到極高點(diǎn),并保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。激勵(lì)電流對(duì)水流敏感程度較高,模型右側(cè)先注水區(qū)域的激勵(lì)電流比左側(cè)區(qū)域要先發(fā)生變化且先達(dá)到極高點(diǎn),模型左側(cè)因土體產(chǎn)生較大裂縫形成導(dǎo)水通道,導(dǎo)致滲流嚴(yán)重,使得左側(cè)部分電極的激勵(lì)電流出現(xiàn)電性異常,呈現(xiàn)穩(wěn)定甚至下降的趨勢(shì),如D8、D25、D32等;25 min再次停止注水時(shí),模型由飽和狀態(tài)向不飽和狀態(tài)演化,激勵(lì)電流開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

綜上可知,激勵(lì)電流的變化不受公共電極位置的影響,但對(duì)水流變化比較敏感,注水時(shí)激勵(lì)電流迅速上升至極大值點(diǎn),停止注水后激勵(lì)電流會(huì)有下降趨勢(shì)。

2.4視電阻率圖分析

試驗(yàn)中利用提取與解編后的視電阻率數(shù)據(jù),采用三級(jí)法計(jì)算視電阻率,得到不同監(jiān)測(cè)剖面在不同時(shí)刻的視電阻率變化等值線圖,選取部分典型圖件進(jìn)行分析(圖6、圖7)。圖中采用統(tǒng)一色標(biāo),下方區(qū)域?yàn)楦咦鑵^(qū),對(duì)應(yīng)基底起伏,上方區(qū)域?yàn)榈妥鑵^(qū),對(duì)應(yīng)水流區(qū)域。參數(shù)設(shè)置時(shí)橫坐標(biāo)以0.2、0.4、0.6、……、1.6標(biāo)記電極位置,各橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的電極號(hào)如圖6(a)和圖7(a)所示。

試驗(yàn)注水時(shí),水流最開(kāi)始流在Ⅰ區(qū),隨后經(jīng)Ⅱ區(qū)流向Ⅲ區(qū)。圖6(b)顯示OB剖面0 min時(shí)在土體深度20 cm處D24～D21號(hào)電極測(cè)得視電阻率低于70 Ω·m,而D20～D17號(hào)電極視電阻率低于90 Ω·m,說(shuō)明此位置水流影響還不明顯。6 min停止注水時(shí),水流繼續(xù)向土體滲透,視電阻率繼續(xù)下降,大部分視電阻率低于70 Ω·m。12 min再次注水后,視電阻率迅速下降至50 Ω·m以下。從16 min 的視電阻率圖可以看到在橫坐標(biāo)0.6位置附近等值線圖出現(xiàn)明顯的彎曲,大概位于模型的D22號(hào)電極處,正好與大裂縫F2位置基本一致。34 min時(shí)隨著水流的滲透,土體內(nèi)各個(gè)位置的視電阻率明顯低于注水前視電阻率,橫坐標(biāo)1右側(cè)位置處等值線的彎曲對(duì)應(yīng)了模型Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)交界處出現(xiàn)的小裂縫。

圖7(b)顯示CA剖面0 min時(shí)在土體深度20 cm處D32～D25號(hào)電極視電阻率變化比較均勻,都低于90 Ω·m。6 min停止注水時(shí),視電阻率下降比較緩慢。12 min再次注水后,Ⅰ區(qū)水量較大,沉降量較大,表現(xiàn)為視電阻率迅速降低至 50 Ω·m以下。20 min時(shí)隨著水流的滲透,模型Ⅱ區(qū)出現(xiàn)小裂縫,與圖中橫坐標(biāo)為1.2(D27左右)等值線彎曲的位置相對(duì)應(yīng)。試驗(yàn)后期,土體內(nèi)各個(gè)位置的視電阻率都明顯低于注水前視電阻率,可視范圍內(nèi)最低視電阻率低于30 Ω·m,最高不超過(guò)190 Ω·m。

圖6　OB剖面視電阻率圖Fig.6　The apparent resistivity map of OB profile

圖7　CA剖面視電阻率圖Fig.7　The apparent resistivity map of CA profile

3　結(jié)論

本試驗(yàn)利用小型模型模擬注水條件下不均勻沉降對(duì)地裂縫發(fā)育的影響,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分布并行電法勘探系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,得到以下結(jié)論:

(1)土體中電位、電流和電阻率的大小與土體含水量密切相關(guān),隨著土體中含水量的改變,土體的自然電位、一次場(chǎng)電位、激勵(lì)電流和視電阻率發(fā)生急劇變化。滲流過(guò)程中,視電阻率隨土體含水量的增大而減小,視電阻率變化較大區(qū)域,土體的變形量也較大。

(2)不均勻沉降導(dǎo)致土體中裂縫的產(chǎn)生,視電阻率變化等值線圖表明在曲線曲率值較大位置容易產(chǎn)生不均勻沉降和裂縫。

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Simulation Test of Ground Fissures Based on Geoelectric Field Response

MEI Qin-qin1,DENG Shu2,ZHANG Wei-qiang1,3,TANG Xin1

(1.Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster,Ministry of Land and Resources, Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing 210049,Jiangsu,China;2.Land Reserve Center,Xuzhou Bureau of Land and Resources,Xuzhou 221006,Jiangsu,China;3.School of Resources and Earth Science,China University of Mining and Technology,Xuzhou,221116,Jiangsu,China)

With development of the national economy,groundwater resources have been over-exploited in many areas of the country,which has led to serious problems in land settlement.Uneven settlement has induced many ground fissures,resulting in serious environmental problems and considerable economic loss.It is therefore extremely important to conduct studies on the three-dimensional geological structure of uneven settlement and ground fissures.In this paper,a network parallel electrical prospecting system is used with a physical model of a basement buried within a hill,to determine and measure the response of the geoelectric field during the process of soil cracking under the condition of water injection.Results show that changes in electric potential,current,and resistivity in the soil are closely related to water content,together with changes in the soil water content,electric potential,excitation potential,excitation current,and apparent resistivity change sharply.When water flows through the soil,the spontaneous potential,primary field potential,and exciting current rise quickly,but apparent resistivity sharply decreases.In addition,when apparent resistivity is large,soil deformation is also large,and there is danger of the development of ground fissures.Monitoring of electrical parameters can thus be used to warn of impending disasters.The inversion information obtained from the network parallel electrical prospecting system in this experiment shows that it is easy to induce uneven settlement and cracks at points of large curvature.The greater the degree of uneven settlement,the greater the length,width,and depth of the crack.The use of a network parallel electrical prospecting system for determining ground fissures is a novel idea that produces good results,and can be used as a reference in future research or to provide a new method and perspective for predicting geological disasters.

ground fissures; network parallel electrical method; response of geoelectric field; simulation test

2015-08-04

國(guó)土資源部行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“蘇南平原區(qū)地裂縫成因機(jī)制及預(yù)警研究”(201411096)之子課題;國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金

梅芹芹(1986-),女,碩士,工程師,主要從事巖土體變形機(jī)理和區(qū)域工程地質(zhì)方面的研究。E-mail:m19860618@126.com。

鄧舒(1989-),女,碩士,主要從事工程地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害方面的研究。E-mail:928015444@qq.com。

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10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0652