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高密度电法在大型设施地基基础勘探中的应用
　　高密度电法方法技术成熟、数据采集自动化，数据处理软件完善，已在重大场地工程地质勘查中得到广泛应用。本文从鲁南风电场工程地质条件和地球物理特征出发，分析了采用高密度电法的必要性和可行性；然后介绍高密度电法的工作方法和数据处理步骤，最后通过高密度电法二维反演结果进行解译，划分了风机基础的覆盖层厚度和溶蚀区的位置，为风机选址和建设提供参考。 中国论文网 /8/view-4355420.htm　　风能作一种清洁能源，近十几年在国内得到快速发展，“十二五”区间在国内将建成多座大型风电场。其中鲁南风电场位于会东县鲁南乡、堵格乡、岔河乡境内，场址位于川西高原与云贵高原结合地带，区域呈现“构造地貌”，山脊呈东北一西南走向，海拔高度2800米-3050米。根据《风电场场址工程地质勘察技术规定》需要查明该区风机位置覆盖层厚度和对风电场场地内有白云岩等可溶性岩局部地段查明岩溶发育特征。高密度电法由于方法技术成熟、数据采集系统自动化、资料处理软件也较完善，已在重大场地的工程地质调查、坝基及桥墩选址、采空区及地裂缝探测等众多工程勘察领域取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益。但在风电场场地勘探中仍不多见，为此本文呈现高密度电法在鲁南风电场风机基础勘探中的应用情况和效果，为今后风电场风机的选址工作开展提供参考。 　　工程地质条件及地球物理特征 　　1　工程地质条件 　　(1)地形地貌 　　鲁南风电场位于会东县鲁南乡、堵格乡以及岔河乡范围内，1#号机位于鲁南乡政府后山坡顶，风机沿山脊走向北东向展布，最后至岔河乡龙头村钱家老包结束，沿线长约10km，风机均布置于山脊坡顶附近，部分沿山脊坡顶连续分布，部分风机布置于孤立的山丘坡顶，坡顶分布高程mm，地形坡度15～20°，地形略有起伏，部分风机位置由于坡顶面积较小，需进行场地平整。由于风机多布置于坡顶。 　　(2)地层岩性 　　场地覆盖层主要分布于坡顶及坡脚一带，场地覆盖层类型与其原岩成分密切相关，坑探表明，可将场地覆盖层分为含砾粉质粘土及碎石土两种类型，简述如下所示。 　　①粉质粘土：黄褐色～棕红色，厚度0～3m，浅表0.5m深度内植物根系较为发育，该层主要分布于白云岩分布区域，在边坡坡脚以及溶蚀洼地分布较多，多覆盖于白云岩之上，为白云岩被溶蚀后残留的物质风化后形成，天然状态下呈可塑状态，光滑，遇水后强度快速降低，局部含有少量砾石，砾石粒径0.5～2cm，含量约5～10％，砾石成分以白云岩颗粒为主。 　　②碎石土：黄褐色，厚度0.5～3.5m，浅表0.5～1.0m深度内植物根系较为发育，主要分布于变质石英砂岩、砂页岩边坡的坡脚及坡顶一带，结构松散～稍密，块石粒径20cm左右，成分多为变质砂岩，含量5％左右，碎石粒径2～4cm，为棱角～次棱角状，成分为砂岩，局部可见页岩等，含量约30～40％，块碎石之间多被黄褐色粉土充填。总的来看，该层主要是原岩在长期的物理地质作用下崩坡积或残积形成。 　　③场地岩溶发育特征 　　鲁南场地分布有震旦系灯影组白云岩为可溶性岩，在与水的作用下局部地段可能产生溶蚀，多沿层面、平行不整合接触界面、裂隙或断层带溶蚀而发育溶洞、溶隙、溶沟、溶槽等岩溶地质现象，对风机基础有一定影响，建议进行必要的地基处理或风机布置避让岩溶发育区。 　　2　地球物理特征 　　根据现场实测物探资料可知，鲁南风电场地表覆盖层主要为崩坡积的粉质粘土组成，其电阻率范围为100～800Ω?m；基岩为白云岩或砂岩，白云岩电阻率范围为Ω?m，砂岩电阻率范围为50～1000Ω?m。由此可见，不同部位的地层电阻率差异明显，具备采用电法测试的物性前提。 　　高密度电法工作方法及数据处理 　　1　工作方法 　　风电场场地均处于鲁南山系坡顶一带，长约10km，风机位置高度在m，拟建33台风电机组。根据地质要求在4、10、11、22、24、25、26、28、31、32#共10台风电机组基础地质进行勘探，其中甜机组基础岩体为砂岩，其余机组基础岩体为白云岩。根据该区的地球物理特征选择高密度电法对以上的10台机组基础部位进行勘探。本文以4#号和10#机组为例，其测线布置和地形如图2所示，在风机组中部个布置一条长120米测线，点距为2米。 　　本次工作野外数据采集使用仪器为DUK-2高密度电法仪。根据多组现场实验，在本次工作中，采用温纳AMNB装置和偶极装置。根据地形、地质条件和目标层埋深采用2m电极距，每个排列布置电极60根。测量时对同装置采用0.5s供电时间进行测量，并采用不同装置检验测量数据的一致性和稳定性。 　　2　数据处理 　　高密度电法数据处理采用RES2DINV高密度电阻率数据二维反演软件反演数据和surfer软件成图。具体过程为将所测得的视电阻率，经数据格式转换、数据预处理、地形校正、正演和反演计算，最后得到视电阻成像色谱图并对其进行解释。 　　反演结果及地质解译 　　4号机基础位于一三角形山顶，在山顶沿两边布置了一条(LN4)高密度电法剖面，LN4剖面地面高程在m之间，测试长度为120m，剖面桩号LN4-0～120m。图3为高密度二维反演结果和地质解释图，由图可见4号机地层分三层结构，第一层为粉质粘土，其电阻率为Ω?m；第二层为强风化岩体，其电阻率为Ω?m；下伏基岩为砂岩，其电阻率为50～1000Ω?m。 　　该剖面覆盖层厚度变化较小，其厚度在2～5m之间，平均厚度为4m左右。在桩号LN4-20覆盖层最厚为5m，LN4-110处覆盖层厚为2m；第二层为强风化岩体，其厚度在3～10m之间，平均厚度为7m左右，在LN4-45处最厚为10m，在LN4-8处厚度为3m左右；基岩顶板与地表形态基本一致，其高程在m之间，基岩埋深在2～5m之间。 　　结论与建议 　　本文通过高密度电法勘探对鲁南风电场风机基础进行勘探，查明了覆盖层粉质粘土的厚度，溶蚀区的位置和分布，为风机的选址和建设提供参考。得出以下两点结论。 　　1　高密度电法查明风电场风机基础中溶蚀区的位置和覆盖层厚度，具有成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力高的特点。 　　2　高密度电法数据解释应该以根据研究区的地质资料和地球物理特征为基础，来判别异常体的形态和位置，不能盲目划分。 　　(作者单位：1.四川中水成勘院工程勘察有限责任公司；2.江西地矿局物化探大队；3.江西省核工业地质局二六一大队)
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高密度电法反演软件Res2dinv使用说明
阻尼系数：在本选项中，可以设置阻尼系数的初始值以及最小阻尼系数。如果资料噪音很大，宜选择相对大一些的阻尼系数（如0.3）。如果资料噪音很小，宜选择较小的阻尼系数（如0.1）。反演子程序将在每一次迭代之后逐渐减小阻尼系数。必须设置最小阻尼系数以稳定反演过程，最小阻尼系数通常设置为初始阻尼系数的1/15。
阻尼深度系数：因为电阻率法的分辨率随着深度增加而呈指数下降，为了稳定反演过程，在最小二乘法反演中使用的阻尼系数通常随层增加，一般每层的增加系数为1.2。如果模型底层的电阻率出现不自然的振荡，改用较大的系数值可以抑制振荡。
优化阻尼系数：如果选择本选项，程序将试图找出最小二乘法方程中的最佳阻尼系数，借助于优化阻尼系数，能明显减少程序收敛所需要的迭代次数，但是每一次迭代所需的时间将要增加。对于中小型数据，本选项将使反演所需的总体时间明显减少。由于每次迭代都需要求解最小二乘方程，对于超过1000个数据的大型数据，尤其但数据资料噪音很大时，每次迭代所需要的时间明显增加。实际上，对于大多数据资料，优化阻尼系数并不能带来很明显的结果改善。
模型电阻率上下限：在某些情况下需要控制模型电阻率值的上下限以避免它的值过大或过小。 垂向/水平滤波比：本菜单项可以选择垂向平滑滤波(fz)与水平平滑滤波(fx)的阻尼系数比。默认二者的阻尼系数相等，但是，如果拟断面图上的异常沿垂向延长，可以选取较高的垂向/水平平滑滤波比值（如2.0），以迫使程序反演出的模型沿垂向拉长；反之，对于水平反向延伸的异常，宜取较小值（如0.5）。
钻孔子块附加阻尼：在某些情况下，临近钻孔的模型子块会出现很剧烈的电阻率变化。对这些子块使用较大的阻尼系数可以降低它们的变化量。
单位电极距的节点数：可以选择相邻电极之间的网格为2或4个节点，该网格由正演程序所使用。每个电极有4个节点时，计算出的视电阻率值将要精确得多（特别是电阻率差异很大时），但是，所需的计算时间也相应增多。当数据涉及到的电极数大于90时，程序默认使用2节点选项。
使用有限元法：程序允许使用有限差分或有限元法计算模型的视电阻率值。如果资料不包含地形，程序默认使用有限差分法，它速度较快，如果资料包含地形，默认使用有限元法。
精细网格：本选项允许在有限差分或有限元法中使用较细的网格（垂向）划分。这两种方法在细网格划分下计算出的视电阻率值精确度更高。但是对计算机硬件要求也随之增高。在介质电阻率差异大于20:1时，使用细网格能得到较好的效果，在低阻层位于高阻层之下时，本选项特别适用。
线性搜索：反演程序借助了解阻尼约束最小二乘法方程来修改模型参数，通常，参数修改矢量d将减小模型的均方误差。在均方误差增加的情况下，面临三种选择，一种是使用四次插值执行线性搜索去寻找改变模型块电阻率的最佳步长以降低均方误差，但是可能会被陷在局部极小值中，另一种是不理会这次误差增大，而寄希望于下一次迭代会产生较小的均方误差。这可能会跳过局部极小，但是也可能会导致误差的进一步增大；第三中选择是在每一次迭代执行线性搜索。这通常会得到最佳步长，但是在每一次迭代中需要至少进行一次提前计算。如果能减少用于使均方误差降低到可接受水平所需的迭代次数，在某些情况下，这些额外的提前计算是值得的。本设置仅仅从第三次迭***始起作用，这是由于头两次迭代的均方误差变化一般较大，程序试图寻找最佳步长以进一步降低均方误差时，总是执行线性搜索。
线性搜索误差：线性搜索法通常能估算出下次迭代后视电阻率均方误差的变化量，如果这个变化量太小，则计算模型参数变化矢量最佳步长的线性搜索就不值得再进行下去，通常该值为0.1～1.0%。
收敛极限：设置两次迭代均方误差相对变化率的最低限，默认为5%。当两次迭代的均方误差变化小于收敛极限时，便可以认为迭代已经收敛。程序使用均方误差的相对变化而不是绝对均方误差值来适应具有不同噪音水平的资料。
均方误差收敛极限：当RMS误差百分比值低于该值时，反演即会停止，常取2～5。
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