基于地电场响应的地裂缝模拟试验①

梅芹芹,邓　舒,张卫强,3,唐　鑫

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室 江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210049;2.徐州市国土资源局土地储备中心,江苏 徐州 221006;3.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116)



基于地电场响应的地裂缝模拟试验①

梅芹芹1,邓舒2,张卫强1,3,唐鑫1

(1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室 江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210049;2.徐州市国土资源局土地储备中心,江苏 徐州 221006;3.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116)

在应用网络并行电法技术的基础上,建立有基底潜山的物理模型,对注水条件下模型土体开裂过程中的地电场响应进行测量。试验结果表明,土体中电位、电流和电阻率的变化与土体含水量密切相关,随着土体中含水量的改变,自然电位、一次场电位、激励电流和视电阻率发生急剧变化;网络分布式并行电法反演信息表明在视电阻率曲率值较大位置容易产生不均匀沉降和裂缝,不均匀沉降的程度越大,地裂缝的长度、宽度、深度也越大。

地裂缝; 网络并行电法; 地电场响应; 模拟试验

0　引言

随着国民经济的快速发展,我国多个地区地下水资源遭到过量开采,导致严重的地面沉降,而不均匀沉降又诱发了大量地裂缝,造成了严重的环境问题和重大的经济财产损失[1-7]。因此,深入研究三维地质结构的土体地裂缝的成灾机理和发育过程具有十分重要的科学价值和实际意义。

许多学者对地下水渗流过程中地电场参数的变化进行了研究,发现地电场特征对水的渗流有一定的指示作用[8-12]。当向土体注水时,土体的含水量发生变化,土体中的地裂缝形成了水流通道,水流沿地裂缝流动,使得电场中的阴阳离子发生转移,进而引起土体电位和电流的变化。

本文在有基底潜山的地质环境和不均匀沉降的基础上建立小型物理模型进行模拟研究,并应用网络分布并行电法技术[13-14],通过对地电场数据的采集和处理来分析地裂缝发育演化的动态分布特征。

1　试验模型设计

设计试验模型如图1所示。模型材料为有机玻璃,模型外观为150 cm×100 cm×120 cm的长方体。模型箱底部潜山拱顶在图1中位置为距左边70 cm,高80 cm处。不均匀土层结构自下而上设计为:第一层为高40 cm的砂层;第二层左侧采用40 cm的填土,右侧下部采用相同的高6 cm的填土,上部采用34 cm高的黏土;最顶层采用高18 cm的填土与膨润土的混合土。

试验时采用AM野外数据采集方法,布置上下两层电位变化监测剖面,共使用32根测量电极和两根无穷远电极。具体设计为:下层O′A′B′C′剖面在Z=80 cm的XOY平面沿对角线布置电极,同一对角线上两相邻电极间距20 cm,两端电极距模型箱对角点距离约18 cm;上层OABC剖面在模型表面土层按对角线布置电极,布置要求与下层相同。上下两层测量电极的位置位于同一垂线上,电极编号及位置如图2所示,括号内编号为下层剖面电极编号。并于模型表面土层中设置两根公共电极。

图1　YOZ平面剖面图(单位:cm)Fig.1　Profile map of YOZ plane (Unit:cm)

图2　XOY平面电极剖面图(单位:cm)Fig.2　Electrode profile of XOY plane (Unit:cm)

2　注水过程中地电场响应

2.1自然电位响应规律

试验中注水3 min后开始采集第一组试验数据,并以该组数据采集的时间为起点(t=0 min)进行数据处理,其中0～6 min、12～ 25 min时注水。

为研究注水时地裂缝发育过程中自然电位的响应规律,从试验数据中提取D1～D32号电极的自然电位数据,以D1电极为参照电极,画出D2～D32自然电位随时间变化的曲线(图3)。试验时D15、D16号电极数据出现明显异常,下文分析中不予考虑。

图3　自然电位随时间的变化曲线Fig.3　The variation of sporctaneous potential with time

图3显示,自然电位响应很好地反映了试验过程中注水-停水-注水-停水几个阶段。0～6 min第一次注水时,随着土样含水量的增加自然电位呈迅速上升的趋势并达到一个极大值点;6 min时停止注水,自然电位迅速下降,实际注水时水流沿OA方向流动,随后流向AB方向,停止注水后在Ⅱ区域还残留有一些积水,导致D9、D27电极自然电位仍有持续上升趋势;12 min时再次注水,水量的增加使自然电位持续上升;注水后期(约20 min时),模型达到饱和状态,自然电位达到一个最高值并逐渐趋于稳定,其中有部分电极泡水后测量数据出现异常,导致自然电位出现下降趋势,如D2、D5、D13、D14等;25 min时再次停止注水,随着模型内水的渗流,模型进入非饱和状态,自然电位整体呈下降趋势,但黏土层中水排出缓慢,自然电位下降不太明显,下降幅度也较小。

观察图3中曲线可知,自然电位与水流的扩散具有明显的关联性。各测量电极自然电位变化曲线总体形态基本一致,注水时自然电位均出现极大值现象,主要是由于含水量的增加引起水压的变化,进而造成土体沉降和裂缝的发育,形成电性异常。

2.2一次场电位响应规律

为研究注水时地裂缝发育过程中一次场电位的变化规律,从试验数据中提取D1～D32号电极的一次场电位数据,以D1电极为参照电极,画出D2～D32一次场电位随时间变化的曲线(图4)。

由图4可以看出,一次场电位响应也较好地反映了试验过程中注水-停水-注水-停水几个阶段。t=0 min 时一次场电位已处于一个较高位置,说明数据采集前受注水的影响,一次场电位已迅速上升至此位置,随着水流变化,一次场电位保持相对稳定状态;6 min时停止注水,一次场电位明显下降,达到最低值后趋于稳定;12～25 min再次注水时一次场电位整体呈上升趋势,注水至模型饱和后达到极高值,其上升幅度与水流有较大关系,试验时模型右侧水量比左侧大,右侧电极先于左侧电极达到一次场电位最高值,模型饱和后水开始向外渗流,一次场电位出现微小下降趋势;25 min时停止注水,模型从饱和向不饱和状态演变,一次场电位呈下降趋势,下降幅度不明显。

图4　一次场电位随时间的变化曲线Fig.4　The variation of primary field potential with time

观察图4中曲线可知,一次场电位大小与公共电极的位置有一定关系,从靠近公共电极的电极到远离公共电极的电极一次场电位值逐渐升高。同时一次场电位的变化受水流影响较大,水流变化时,一次场电位会迅速达到一个稳定值,并保持相对稳定的状态。

2.3激励电流响应规律

激励电流即一次场电流,从试验数据中提取D1～D32号电极的激励电流数据,作出各电极激励电流随时间的变化,如图5所示。

图5　激励电流随时间的变化曲线Fig.5　The variation of excitation current with time

由图5可以看出,激励电流响应也反映了试验过程中注水-停水-注水-停水几个阶段。t=0 min时激励电流已处于一个相对较高的位置,说明数据采集前受注水的影响激励电流已迅速上升至这个较高的位置,此后随着水流的变化,激励电流基本保持稳定;6 min后停止注水,激励电流有明显的下降趋势,下降至极低点后保持稳定;12～25 min再次注水,激励电流普遍有上升趋势,至模型饱和后达到极高点,并保持相对稳定的状态。激励电流对水流敏感程度较高,模型右侧先注水区域的激励电流比左侧区域要先发生变化且先达到极高点,模型左侧因土体产生较大裂缝形成导水通道,导致渗流严重,使得左侧部分电极的激励电流出现电性异常,呈现稳定甚至下降的趋势,如D8、D25、D32等;25 min再次停止注水时,模型由饱和状态向不饱和状态演化,激励电流开始出现下降趋势。

综上可知,激励电流的变化不受公共电极位置的影响,但对水流变化比较敏感,注水时激励电流迅速上升至极大值点,停止注水后激励电流会有下降趋势。

2.4视电阻率图分析

试验中利用提取与解编后的视电阻率数据,采用三级法计算视电阻率,得到不同监测剖面在不同时刻的视电阻率变化等值线图,选取部分典型图件进行分析(图6、图7)。图中采用统一色标,下方区域为高阻区,对应基底起伏,上方区域为低阻区,对应水流区域。参数设置时横坐标以0.2、0.4、0.6、……、1.6标记电极位置,各横坐标对应的电极号如图6(a)和图7(a)所示。

试验注水时,水流最开始流在Ⅰ区,随后经Ⅱ区流向Ⅲ区。图6(b)显示OB剖面0 min时在土体深度20 cm处D24～D21号电极测得视电阻率低于70 Ω·m,而D20～D17号电极视电阻率低于90 Ω·m,说明此位置水流影响还不明显。6 min停止注水时,水流继续向土体渗透,视电阻率继续下降,大部分视电阻率低于70 Ω·m。12 min再次注水后,视电阻率迅速下降至50 Ω·m以下。从16 min 的视电阻率图可以看到在横坐标0.6位置附近等值线图出现明显的弯曲,大概位于模型的D22号电极处,正好与大裂缝F2位置基本一致。34 min时随着水流的渗透,土体内各个位置的视电阻率明显低于注水前视电阻率,横坐标1右侧位置处等值线的弯曲对应了模型Ⅱ区、Ⅲ区交界处出现的小裂缝。

图7(b)显示CA剖面0 min时在土体深度20 cm处D32～D25号电极视电阻率变化比较均匀,都低于90 Ω·m。6 min停止注水时,视电阻率下降比较缓慢。12 min再次注水后,Ⅰ区水量较大,沉降量较大,表现为视电阻率迅速降低至 50 Ω·m以下。20 min时随着水流的渗透,模型Ⅱ区出现小裂缝,与图中横坐标为1.2(D27左右)等值线弯曲的位置相对应。试验后期,土体内各个位置的视电阻率都明显低于注水前视电阻率,可视范围内最低视电阻率低于30 Ω·m,最高不超过190 Ω·m。

图6　OB剖面视电阻率图Fig.6　The apparent resistivity map of OB profile

图7　CA剖面视电阻率图Fig.7　The apparent resistivity map of CA profile

3　结论

本试验利用小型模型模拟注水条件下不均匀沉降对地裂缝发育的影响,应用网络分布并行电法勘探系统对试验数据进行分析,结合试验现象对试验结果进行比较,得到以下结论:

(1)土体中电位、电流和电阻率的大小与土体含水量密切相关,随着土体中含水量的改变,土体的自然电位、一次场电位、激励电流和视电阻率发生急剧变化。渗流过程中,视电阻率随土体含水量的增大而减小,视电阻率变化较大区域,土体的变形量也较大。

(2)不均匀沉降导致土体中裂缝的产生,视电阻率变化等值线图表明在曲线曲率值较大位置容易产生不均匀沉降和裂缝。

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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

国土资源部行业科研专项“苏南平原区地裂缝成因机制及预警研究”(201411096)之子课题;国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室开放基金

梅芹芹(1986-),女,硕士,工程师,主要从事岩土体变形机理和区域工程地质方面的研究。E-mail:m19860618@126.com。

邓舒(1989-),女,硕士,主要从事工程地质和地质灾害方面的研究。E-mail:928015444@qq.com。

P631.3

A

1000-0844(2016)04-0652-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0652