專利名稱：在隧道中探查掌子面前方含水層并估算其出水量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧道工程技術(shù)，尤其是一種在隧道中探查掌子面前方含水層并估算其出 水量的方法。
背景技術(shù)：
目前在隧道施工時(shí)探測(cè)掌子面前方含水層的方法中，電阻率法和瞬變電磁法是利用含水 層與圍巖體間常顯低電阻的特點(diǎn)，探査低電阻層來反映含水層；探地雷達(dá)是利用含水層與周 圍巖體間相對(duì)高電導(dǎo)率和高介電常數(shù)的特點(diǎn)，通過雷達(dá)反射波的相位，幅度和頻譜來反映含 水層；激發(fā)極化法(包括時(shí)間域激發(fā)極化法和頻率域激發(fā)極化法，如德國的Beam系統(tǒng)等) 是利用水的激發(fā)極化效應(yīng)，但它們不能區(qū)分是自由水還是束縛水，也不能估算含水層的水量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種區(qū)分自由水和束縛水并能估算出 水量的在隧道中探查掌子面前方含水層并估算其出水量的方法。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種在隧道中探査掌子面前方含水層并估算其出水量的方法，包括以下步驟
A. 在隧道中設(shè)置電極系，采用二極法測(cè)深裝置系統(tǒng)，A、 B為供電電極，其中A電極設(shè) 于掌子面下方，在掌子面的下方或側(cè)方設(shè)置不極化電極M，另一電極N用不極化電極放于 1000-1500m的地下，MN>10AM;在距M電極5m、 10m、 15m、...直到100m 150m，分別 設(shè)置供電電極A!、 A2、 A3...An,其中n為自然數(shù)，另一供電電極B放到1000m 1500m處， 且AB〉10AM;
B. 分別在A,B、 A2B、 A3B.,.AnB供電，電流強(qiáng)度均為I,，分別測(cè)量畫的極化電位衰減 曲線，得出半衰時(shí)S,、 S2...Sn，其中，Sn為半衰時(shí)，n為自然數(shù)，再在供電電流為l2時(shí)，分 別極化電位，衰減曲線，得出半衰時(shí)S,'、 S2'、 ...Sn'，其中，n為自然數(shù)；
C. 求得AS產(chǎn)Sr-S!、 AS2= S2'-S2...ASn= Sn'-Sn;其中，ASn為二次時(shí)差，n為自然數(shù);'
D. 繪出AM—ASn曲線，橫坐標(biāo)為AM,縱坐標(biāo)為ASn，其中，n為自然數(shù)；
則AS^O的段為無水或束縛水，極化率》0， ASnX)的段為可流動(dòng)的自由水段，ASX)的 段與X=0坐標(biāo)軸所圍范圍的面積與自由水出水量呈正相關(guān)。
本發(fā)明的機(jī)理如下流動(dòng)的地下水(自由水)可產(chǎn)生滲透電場(chǎng)，流動(dòng)的自由水?dāng)y帶著一
定的正電荷，使得沿水流方向產(chǎn)生電位差。在地下水流動(dòng)的上游反映為負(fù)電位，下游為正電 位；在漏入水的位置產(chǎn)生強(qiáng)的負(fù)電位，流出水的位置為強(qiáng)烈的正電位。在激發(fā)電場(chǎng)的作用下，自由移動(dòng)的電荷可遷移較遠(yuǎn)的距離，激發(fā)電流大，遷移的距離遠(yuǎn)，在激發(fā)電流取消后，遷移 遠(yuǎn)者恢復(fù)時(shí)間長，水量大者，遷移的電荷多，恢復(fù)時(shí)間長。因此采用分別供向大地兩個(gè)大小 不同的激發(fā)電流，則極化半衰時(shí)的差別既反映了自由水和束縛水的差別，也反映了自由水水 量的多少。
本發(fā)明的方法如下在隧道中給出不同大小的兩個(gè)激發(fā)電流I *和I ,j、，分別測(cè)取極化電 位的半衰時(shí)S^和S,j、，計(jì)算出半衰時(shí)差值
△s=s大一s小
采用四極化法(A、 B供電，M、 N測(cè)量)或三極法(B電極置于無窮遠(yuǎn))或二極法(B 電極和N電極置于無窮遠(yuǎn))作電測(cè)深，得到電極距-AS曲線。
判斷和解釋在電極距-AS曲線上，ASS0,的層段，為非含水層(極化率-0)或束縛水層 (極化率>0，粘土，含水的泥、砂、碎石土層)。ASX)的層段為含自由水的層。
本發(fā)明的相關(guān)成果實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用于雅礱江二級(jí)電站4號(hào)引水隧洞的一處水量預(yù)報(bào)工作中， 水量預(yù)報(bào)誤差低于百分之十，解決了由于其他物探手段無法預(yù)測(cè)水量給工程造成的難題，為 施工方案的制定和安全施工提供了可靠的保障。


圖1為在隧道中布置電極示意圖；Z為隧道掌子面，A、 B為供電電極，其中A電極設(shè) 于掌子面下方，B放于無窮遠(yuǎn)，即AB〉10AM; M、 N為測(cè)量電極，其M放于隧道底或邊
墻，N放于無窮遠(yuǎn)，即MN〉10AM; M,、 M2…Mn為不同距離的供電電極，n為自然數(shù)；在
AB線路中控制供電(激發(fā))電流/的大小，在MN線路上測(cè)量斷電后的極化電位差ZiF ;
圖2為AS (=S*-S+) —AM曲線圖，其中H所指為含水層，W為無水層。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1、圖2中， 一種在隧道中探査掌子面前方含水層并估算其出水量的方法，包括以下 步驟
A. 在隧道中設(shè)置電極系，采用二極法測(cè)深裝置系統(tǒng)，A、 B為供電電極，其中A電極設(shè) 于掌子面下方，在掌子面的下方或側(cè)方設(shè)置不極化電極M，另一電極N用不極化電極放于 1000-1500m的地下，MN>10AM;在距M電極5m、 10m、 15m、...直到100m 150m，分別 設(shè)置供電電極A卜A2、 A3...An，其中n為自然數(shù)，另一供電電極B放到1000m 1500m處， 且AB〉10AM，如圖1所示；
B. 分別在A!B、 A2B、 A3B…AnB供電，電流強(qiáng)度均為I!，分別測(cè)量MN的極化電位衰減 曲線，得出半衰時(shí)S!、 S2...Sn，其中，Sn為半衰時(shí)，n為自然數(shù)，再在供電電流為12時(shí)，別極化電位，衰減曲線，得出半衰時(shí)sr、 S2'、 ...Sn'，其中，n為自然數(shù)；
C. 求得AS產(chǎn)S,'-S,、 ASfS2'-S2…AS^Sn'-Sn;其中，ASn為二次時(shí)差，n為自然數(shù);
D. 繪出AM—ASn曲線，橫坐標(biāo)為AM,縱坐標(biāo)為ASn，其中，n為自然數(shù)；
則AS^0的段為無水或束縛水，極化率》0, ASn>0的段為可流動(dòng)的自由水段，厶SX)的 段與x=0坐標(biāo)軸所圍范圍的面積與自由水出水量呈正相關(guān)。
本發(fā)明的機(jī)理如下流動(dòng)的地下水(自由水)可產(chǎn)生滲透電場(chǎng)，流動(dòng)的自由水?dāng)y帶著一 定的正電荷，使得沿水流方向產(chǎn)生電位差。在地下水流動(dòng)的上游反映為負(fù)電位，下游為正電 位；在漏入水的位置產(chǎn)生強(qiáng)的負(fù)電位，流出水的位置為強(qiáng)烈的正電位。在激發(fā)電場(chǎng)的作用下, 自由移動(dòng)的電荷可遷移較遠(yuǎn)的距離，激發(fā)電流大，遷移的距離遠(yuǎn)，在激發(fā)電流取消后，遷移 遠(yuǎn)者恢復(fù)時(shí)間長，水量大者，遷移的電荷多，恢復(fù)時(shí)間長。因此采用分別供向大地兩個(gè)大小 不同的激發(fā)電流，則極化半衰時(shí)的差別既反映了自由水和束縛水的差別，也反映了自由水水 量的多少。
本發(fā)明還可以采用四極化法(A、 B供電，M、 N測(cè)量)或三極法(B電極置于無窮遠(yuǎn)) 作電測(cè)深，得到電極距-AS曲線。過程和二極法(B電極和N電極置于無窮遠(yuǎn))探測(cè)類似， 在此不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種在隧道中探查掌子面前方含水層并估算其出水量的方法，其特征在于，包括以下步驟A.在隧道中設(shè)置電極系，A、B為供電電極，其中A電極設(shè)于掌子面下方，在掌子面的下方或側(cè)方設(shè)置不極化電極M，另一電極N用不極化電極放于1000-1500m的地下，MN＞10AM；在距M電極5m、10m、15m、...直到100m～150m，分別設(shè)置供電電極A1、A2、A3...An，其中n為自然數(shù)，另一供電電極B放到1000m～1500m處，且AB＞10AM；B.分別在A1B、A2B、A3B...AnB供電，電流強(qiáng)度均為I1，分別測(cè)量MN的極化電位衰減曲線，得出半衰時(shí)S1、S2...Sn，其中，S是半衰時(shí)，n為自然數(shù)，再在供電電流為I2時(shí)，分別極化電位，衰減曲線，得出極化率和半衰時(shí)S1′、S2′、...Sn′，其中，n為自然數(shù)；C.求得ΔS1＝S1′-S1、ΔS2＝S2′-S2...ΔSn＝Sn′-Sn；其中，ΔS為二次時(shí)差，n為自然數(shù)；D.繪出AM-ΔSn曲線，橫坐標(biāo)為AM，縱坐標(biāo)為ΔSn，其中，n為自然數(shù)；則ΔSn≤0的段為無水或束縛水，極化率≥0，ΔSn＞0的段為可流動(dòng)的自由水段，ΔS＞0的段與X＝0坐標(biāo)軸所圍范圍的面積與自由水出水量呈正相關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在隧道中探查掌子面前方含水層并估算其出水量的方法，包括以下步驟在隧道中給出不同大小的兩個(gè)激發(fā)電流I_大和I_小，分別測(cè)取極化電位的半衰時(shí)S_大和S_小，計(jì)算出半衰時(shí)差值ΔS＝S_大-S_小采用四極化法(A、B供電，M、N測(cè)量)或三極法(B電極置于無窮遠(yuǎn))或二極法(B電極和N電極置于無窮遠(yuǎn))作電測(cè)深，得到電極距-ΔS曲線。判斷和解釋在電極距-ΔS曲線上，ΔS≤0，的層段，為非含水層(極化率＝0)或束縛水層(極化率＞0，粘土，含水的泥、砂、碎石土層)。ΔS＞0的層段為含自由水的層。
文檔編號(hào)G01V3/02GK101672929SQ20091001839
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者斌 劉, 李術(shù)才, 李樹忱, 聶利超, 鐘世航 申請(qǐng)人:山東大學(xué)