基于参考模型的三维电阻率约束反演方法研究

三维电阻率探测存在反演多解性问题,易造成地质解译困难甚至判断错误。针对该问题,提出将多种地球物理探测手段获得的已知信息构建为参考模型约束施加到电阻率反演方程中的解决思路。以地质钻探获得介质电阻率信息,以地质雷达法获得异常体界面信息,将得到的已知信息映射到三维电阻率反演得到参考模型,在电阻率反演中施加参考模型约束,形成了基于参考模型的三维电阻率约束反演方法,其中携带有已知先验信息的参考模型约束,具有定向引导电阻率反演方向的作用,理论上有助于压制反演多解性。开展相应的数值试验和工程应用,结果表明上述电阻率反演方法实现了对异常体形态、规模、电阻率值等的较好反映,是实现多元地球物理探测信息融合、压制多解性的一条可行途径。     

三维电阻率空间结构约束反演成像方法

 反演的多解性是三维电阻率探测的固有问题,极易造成地质解释的误差甚至错误。针对该问题,提出利用其他勘探地球物理方法(如地震反射方法、地质雷达方法等)获得的异常体的空间结构和形态信息作为电阻率反演先验约束的学术思路。首先,提出空间结构约束这一新约束的构制方法,将已知异常区域(由其他勘探地球物理方法得到)映射到三维反演模型中,使得对应区域的各网格之间的电阻率差异极小,建立一种表达简单、易于实现的空间结构约束矩阵,可表征常见典型构造,特别是形态或结构较复杂的地质构造。在此基础上,构造携带空间结构约束的三维电阻率探测反演目标函数及其反演成像方程,形成三维电阻率探测空间约束反演成像方法。然后,基于上述反演方法,开展数值试验和工程应用,将地质雷达和地质分析获得的空间结构约束施加到三维电阻率反演中,发现利用三维电阻率空间结构约束反演方法大大增加了异常区域的先验信息,可有效去除反演成像中的假异常和多余构造,对异常体的定位精度和界面分辨效果较传统的电阻率反演方法有了很大的提高,使得反演结果与地质原型较为一致,显著压制了电阻率探测反演的多解性问题,证明三维电阻率探测空间结构约束反演成像方法是抑制多解性、改善定位精度和界面分辨效果的可行途径。     

基于并行改进遗传算法的三维电阻率反演方法

计算效率极低是阻碍遗传算法用于三维电阻率反演的瓶颈,使得很多对改善反演效果和搜索质量有利但又很耗时的改进方法无法应用到遗传算法中。针对上述问题,基于遗传算法天然的并行计算特性,提出了新的多重主从并行计算策略及其算法。提出了初始群体的严格均布产生方法,以提高初始群体接近最优解的概率;提出了基于交叉个体适应度差异的比例随机算术交叉算法,以保证优良个体的遗传竞争优势;建立了混合变异算法,将传统的随机变异算法与线性反演中确定性搜索优化算法相结合,即保持了变异的随机性又控制了优化方向。最后将并行改进遗传算法用于合成算例和实际应用案例中,发现并行改进遗传算法的计算效率显著提高,且在寻找最优解、压制假异常、提高反演效果方面具有明显优势,为实际工程中电阻率探测的三维成像提供了有效途径。     

基于距离加权约束算法的围岩三维电阻率CT反演成像研究

孔中电极附近成像效果差的问题是一直以来困扰三维电阻率CT精细探测的难题,针对该问题,提出了"距离加权"约束反演的思路,通过构建"指数型"衰减的距离加权因子分布模型,对距孔中电源点不同远近的剖分单元赋予差异权重,重点改善了孔中电源点附近区域反演敏感度较高而造成的成像形态畸变问题,提高了三维电阻率CT反演成像方法对异常体三维定位和识别的精度及可靠性。通过数值反演试验和物理模型试验研究,进一步检验了距离加权约束反演方法在改善孔中电极附近异常体成像形态方面的有益效果,试验结果均比较准确地反映了异常体的空间位置、规模和形态。     

三维电阻率方法对含水溶洞的反演模拟研究

采用基于阻尼最小二乘法的三维电阻率反演成像方法,以含水溶洞探测模拟为例对其反演成像效果和分辨率进行了分析,结果表明该方法能够较好地实现一定埋深范围内地下低阻异常的三维空间定位和形态识别,为地质解译提供可靠的依据。     

隧道三维电阻率E-SCAN超前探测反演与优化方法研究

超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节,将地面三维电阻率E-SCAN观测模式引入到隧道超前预报中,其中供电与采集电极都布置在隧道掌子面,可有效降低旁侧干扰因素的影响,提出了基于三维电阻率E-SCAN的隧道超前探测新型观测模式。建立了隧道三维电阻率E-SCAN超前探测地电模型,获得了敏感度矩阵分布特征:矩阵元素数值较小且相差悬殊;元素绝对值随深度衰减迅速;靠近供电与采集电极位置元素绝对值较高。为改善反演的深度定位问题,对敏感度矩阵中元素施加不同大小的增益因子,对原有敏感度矩阵中高值元素进行抑制,对低值元素进行增益,形成了基于敏感度增益因子的隧道三维电阻率E-SCAN超前探测反演优化方法,在理论上可以提高异常体的深度定位精度。开展数值算例与物理模型试验研究,结果表明在隧道三维电阻率E-SCAN超前探测中,相较于常规光滑约束反演,反演优化方法在异常体的深度定位精度方面具有明显优势。     

基于自适应加权光滑约束与PCG算法的三维电阻率探测反演成像

三维电阻率探测在实际工程中日益受到重视，但存在着深部分辨率低、反演效率低等关键问题，严重制约了三维电阻率探测技术的应用和推广。针对深部分辨率低的问题，提出了一种随三维模型网格尺寸自适应调整的加权光滑约束，改善了深部网格的电阻率差异容许程度，实现了对不同深度网格约束的差异化加权处理，有效的提高了深部反演的分辨率和成像效果。针对反演计算耗时长、效率低的问题，基于预条件共轭梯度法求解快速稳定的优势，提出了三维电阻率快速稳定反演成像算法。在该算法中，将雅可比迭代中的对角阵作为预条件矩阵，其具有求逆方便、无需内存空间的特点，显著加快了收敛速度。最后，利用合成算例和隧道导水裂隙探测的工程实例验证了上述反演方法的可行性与有效性，表明借助于自适应调整加权光滑约束和预条件共轭梯度算法，有效的提高了深部分辨率和计算效率，显著改善了反演效果。     

高密度电阻率法多剖面二维勘探数据的三维反演及应用

目前高密度电阻率法所采用的数据资料处理方法主要是把地质结构体视为二度体进行二维处理,而实际的地质结构体大都为三度体或似二度体,从而二维数据资料处理结果只是一种近似解释,其计算精度与反演效果都不佳,对测区多条断面进行综合解释的难度大。然而在实际勘探工作中,受自然条件和工作成本的影响,三维勘探原始数据的获得一般较少,数据勘探仍以二维为主,这样利用二维勘探数据进行三维反演显得尤为重要。本文结合了广东某地高密度电阻率法对岩层划分的工程勘察实例,利用二维勘探的数据进行三维反演,并对二、三维反演结果进行对比,结果表明三维反演在岩层划分中更能凸显岩层分界面区域及岩层的空间分布,而岩层与覆盖层的整体连续性也得以更真实的体现,与钻探结果吻合更好。     

基于内变量热力学的岩石蠕变与应力松弛研究

 蠕变变形和应力松弛是岩石材料固有的时效特性,与岩石工程的长期稳定性密切相关。基于Rice不可逆内变量热力学理论对岩石蠕变和松弛本质上的一致性问题进行了研究。给定余能密度函数和内变量演化方程建立基本热力学方程,通过不同约束条件构建黏弹–黏塑性蠕变和应力松弛本构方程。黏弹性本构方程具有普遍性,能包含经典元件组合模型的黏弹性本构方程;黏塑性本构方程考虑材料变形过程中的硬化效应,更加符合实际情况。蠕变和松弛是岩石材料在不同约束下的外在表现,但两者具有相同的非平衡演化规律,本质上具有一致性。蠕变与应力松弛本构方程基于相同的基本热力学方程,可以相互转化,且方程参数相同,因此可以通过蠕变方程和蠕变试验结果对材料的松弛特性进行分析。最后通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验和应力松弛试验对这一思想进行了验证。     

基于视电阻率反演模型的HDPE膜渗漏定位方法研究

针对填埋场运营中防渗层渗漏定位问题,提出基于视电阻率反演模型的渗漏定位方法。在填埋场场外边坡HDPE膜下对称布设电极,控制一侧电极为激励,采用轮流供电模式,对侧电极同时接收激励信号,待两侧电极全部供电完成后,通过层析成像天然基础层识别低阻异常区,定位HDPE膜渗漏位置。试验结果表明：渗漏点定位中实际渗漏位置和反演推测位置的距离最大偏差为7.1cm,满足误差要求。     

隧道含水构造直流电阻率法超前探测三维反演成像

突涌水地质灾害是隧道修建面临的主要威胁,隧道掌子面前方赋存的突水灾害源——含水构造的三维定位已经成为亟待解决的关键难题。针对上述难题,提出了直流电阻率法三维反演成像超前探测方法。首先,建立了直流电阻率法超前探测三维全空间立体观测方式,针对测线附近的旁侧干扰严重这一关键问题,提出了干扰识别与去除方法,实现了掌子面前方三维有效信息的测量。综合线性反演方法和非线性反演方法的优点,提出了改进遗传算法与最小二乘法相结合的混合反演成像方法,既摆脱了对初始模型的依赖,又保证了反演进化效率。然后,重点对断层、裂隙、溶洞等典型的含水构造进行了系统的反演数值试验,获得了典型含水构造的三维成像特征和相应的地质解释依据,为实现由观测数据到三维成像再到地质模型的映射奠定了基础。最后,将直流电阻率法超前探测三维反演成像方法应用到模型试验和实际工程中,实现了含水地质构造的较准确三维定位,证明该方法具有良好的推广应用价值。     

基于MATLAB的直流电测深最优化反演法

在水平或近水平层状地层条件下,直流电测深的视电阻率可以近似表述为离散形式。为了便于电测深的解释工作,本文采用最优化反演法。根据实测数据,给出初始模型参数即层数、各层电阻率和厚度,推导出电阻率转换函数,计算理论视电阻率值,直接拟合实测视电阻率,计算拟合程度。在MATLAB开发环境下设计了可视化程序,操作简便,人机交互良好,可以很好地实现正演理论模拟,同时可以实现反演过程,拟合曲线效果可以实时显示。应用表明,该反演程序可以得到良好的结果,拟合精度达到要求。     

基于预条件共轭梯度法的直流电阻率三维有限元正演研究

对直流电阻率法勘探而言,对其反演结果的精度和速度的要求越来越高,这就需要提出一套优化有限元数值正演速度和精度的计算方案。设计了系数矩阵的一维非零元素压缩存储模式,设置了索引数组以便按照行号和列号对元素进行索引,与变带宽存储模式相比,其内存占用量明显减小。为提高正演计算速度,利用预条件共轭梯度法（PCG）求解有限元中的大型稀疏线性方程组。在PCG法中,将雅可比迭代中的对角阵作为预处理矩阵,与其它预处理矩阵相比,其具有求逆方便、无需存储空间的特点,使得大型线性方程组的求解速度大大提高。另外,在直流电阻率三维正演中,采用了异常电位法,提高了电源点附近的解的精度。以二层地层的电阻率勘探为例,初步验证了计算方案的实用性。利用上述方案,重点对隧道含水断层的电阻率法超前探测进行了有限元数值正演,并进行了相应的物理模型试验。对比显示,数值正演结果与试验数据基本一致,且数值正演的速度和精度均显著提高。     

隧道突水灾害电阻率层析成像法实时监测数值模拟与试验研究

突水灾害已成为危及隧道安全施工的重大问题,为了实现隧道突水灾变演化过程的监测和灾害预警,将电阻率层析成像法尝试引入到隧道突水的监测工作中,提出了一种基于图像灰度相关性理论的电阻率层析成像监测信息定量评价方法.首先,针对非地质缺陷类和地质缺陷类这两种典型的突水类型进行概化,得到了突水灾变演化过程不同阶段的地电模型,为隧道突水实时监测数值模拟奠定了基础.其次,采用有限单元法进行电阻率层析成像法突水实时监测数值模拟,揭示了电阻率图像对突水灾变演化过程的响应特征,通过对突水灾变演化过程电阻率图像灰度相关性的定量分析,发现相关性系数小于0.5(或0.3)的样本点数目大幅增多,且相关性分布和正演图像标准差急剧增大,是突水发生的重要前兆特征.最后,进行了隧道突水电阻率层析成像法实时监测模型试验,较准确地捕捉到了突水前兆信息,实现了突水灾害预警,表明电阻率层析成像法用于突水实时监测是可行的.