瞬變電磁法在堤壩滲漏隱患探測(cè)中的應(yīng)用

孫忠，冀振亞，王德榮，胡博，劉學(xué)城，周榮海

(1.長(zhǎng)春國(guó)地探測(cè)儀器工程技術(shù)股份有限公司，長(zhǎng)春 130000；2.水利部長(zhǎng)春機(jī)械研究所，長(zhǎng)春 130012)

0 引言

時(shí)間域電磁法(TEM)也稱(chēng)為瞬變電磁法，是近年來(lái)發(fā)展較快的一種探測(cè)方法。瞬變電磁法具有組合方式多樣、異常響應(yīng)強(qiáng)、分辨率高、工作效率高、對(duì)探測(cè)區(qū)域沒(méi)有損害等諸多優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)的一些單位將瞬變電磁法應(yīng)用于堤壩上進(jìn)行滲漏隱患探測(cè)[1]，均取得了良好的效果；還有單位對(duì)瞬變電磁法應(yīng)用于堤壩探測(cè)中存在的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了探索[2]，說(shuō)明瞬變電磁法是解決堤壩滲漏探測(cè)問(wèn)題的行之有效的方法之一。作者在前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用國(guó)家地球物理探測(cè)儀器工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的MiniTEM-II型淺層瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)對(duì)吉林省長(zhǎng)春市凈月潭水庫(kù)大壩、新立城水庫(kù)大壩和石頭口門(mén)水庫(kù)大壩進(jìn)行了勘探實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與現(xiàn)有地質(zhì)資料比對(duì)，驗(yàn)證了瞬變電磁法在滲漏隱患探測(cè)中具有良好的應(yīng)用效果。

1 方法原理與儀器系統(tǒng)

瞬變電磁法是利用不同接地回線(xiàn)或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，在一次電磁場(chǎng)發(fā)射間歇，用線(xiàn)圈或接地電極接收由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次場(chǎng)，通過(guò)觀(guān)測(cè)二次場(chǎng)空間和時(shí)間的分布規(guī)律，解決有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的時(shí)間域電磁法。本次探測(cè)采用磁源做為激勵(lì)場(chǎng)源，通過(guò)分離回線(xiàn)，中心回線(xiàn)和重疊回線(xiàn)三種回線(xiàn)方式的比較[3]，確認(rèn)采用中心回線(xiàn)裝置。該回線(xiàn)裝置的特點(diǎn)是與目標(biāo)耦合緊密、異常幅度大、橫向分辨率高，在良導(dǎo)體分布較多區(qū)域比重疊回線(xiàn)裝置具有更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)。

瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)主要包括3部分：①發(fā)射系統(tǒng)：包括發(fā)電裝置、發(fā)射機(jī)、一定長(zhǎng)度的發(fā)射線(xiàn)圈，發(fā)射線(xiàn)圈通常為正方形；發(fā)射機(jī)由12 V的電瓶供電，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電流供給發(fā)射線(xiàn)圈，從而在地下建立起一次場(chǎng)。②接收系統(tǒng)：由數(shù)據(jù)采集裝置和感應(yīng)線(xiàn)圈組成，主機(jī)的功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣和存儲(chǔ)，線(xiàn)圈采用面積11.8 m2的圓形多匝線(xiàn)圈；在本次勘探實(shí)驗(yàn)中，選用的儀器是國(guó)家地球物理探測(cè)儀器工程技術(shù)研究中心生產(chǎn)的MiniTEM-II型淺層瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)，該儀器性能穩(wěn)定、接收發(fā)射裝置精巧、施工方便快捷、探測(cè)盲區(qū)小，用于接受垂直感應(yīng)磁場(chǎng)。③同步系統(tǒng)：用于發(fā)射系統(tǒng)與接受系統(tǒng)之間的同步，接收機(jī)通過(guò)同步系統(tǒng)控制發(fā)射系統(tǒng)供電和斷電的時(shí)間，保證信號(hào)的采樣是在斷電后一定時(shí)間延遲時(shí)刻開(kāi)始，本次通過(guò)GPS天線(xiàn)進(jìn)行同步。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 凈月潭水庫(kù)堤壩的數(shù)據(jù)采集

本次探測(cè)工作的工區(qū)位于長(zhǎng)春市凈月開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)的凈月潭水庫(kù)，目的是通過(guò)物探手段了解水庫(kù)堤壩內(nèi)部是否存在滲漏隱患及其位置。凈月潭工區(qū)地貌以丘陵為主，庫(kù)區(qū)周?chē)匦纹鸱^大，最大高差50 m 左右，壩體結(jié)構(gòu)為均質(zhì)土壩，符合均勻?qū)訝罱橘|(zhì)的假設(shè)。地勢(shì)開(kāi)闊，通視狀況良好，地下、地表情況較為復(fù)雜，行走車(chē)輛等干擾源也同時(shí)分布在測(cè)區(qū)周?chē)?，不利于地球物理探測(cè)的展開(kāi)，對(duì)實(shí)際測(cè)量的結(jié)果會(huì)造成一定影響。

基于上述因素，本工程為冬季施工，便于盡量減少外界因素對(duì)數(shù)據(jù)采集的干擾。鑒于測(cè)區(qū)環(huán)境復(fù)雜，為在復(fù)雜的情況下得到可信的結(jié)果，本測(cè)區(qū)采取了淺層瞬變電磁方法的測(cè)量，在現(xiàn)有條件下得出可信物探結(jié)論，為甲方今后的管理提供參考依據(jù)。根據(jù)此次地質(zhì)任務(wù)的需求，在堤壩頂部布置了兩條平行測(cè)線(xiàn)，長(zhǎng)度均為200 m，兩條線(xiàn)高差為40 m，分別位于堤壩頂部和堤壩背水面中部頂部，如圖1所示。

圖1 測(cè)線(xiàn)布置圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工和地質(zhì)情況，使用參數(shù)如下：①瞬變電磁發(fā)射機(jī)工作電壓12 V；②發(fā)射線(xiàn)圈邊長(zhǎng)10 m；③發(fā)射電流為中頻躍階電流(15 A，25 Hz)；④中心線(xiàn)圈接收方式，線(xiàn)圈有效面積11.8 m2；⑤接收疊加次數(shù)為1024次；⑥點(diǎn)距20 m，線(xiàn)距10 m。

為了獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，針對(duì)此次施工制定了如下要求：①施工人員嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范；②接收機(jī)進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，保證采集到的數(shù)據(jù)誤差在要求范圍內(nèi)；③施工人員每一次測(cè)量前應(yīng)檢查接收和發(fā)射線(xiàn)圈的擺放和位置，合格后方可進(jìn)行觀(guān)測(cè)；④關(guān)注數(shù)據(jù)采集過(guò)程，接收或發(fā)射端出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)應(yīng)及時(shí)檢查，解決問(wèn)題并重新測(cè)量；⑤各個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)與參數(shù)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，采集完成及時(shí)保存；⑥采集完成后查看數(shù)據(jù)質(zhì)量，不符合要求要重新采集，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

物探資料的反演與解釋就是根據(jù)實(shí)際物探工作所取得的相關(guān)數(shù)據(jù)，形成地下巖體的數(shù)據(jù)模型，然后通過(guò)數(shù)學(xué)手段，將數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為地質(zhì)模型，進(jìn)而推測(cè)出地層構(gòu)造的發(fā)育情況，并對(duì)相關(guān)地質(zhì)任務(wù)做出最終研判。數(shù)據(jù)反演基于納比吉安的煙圈理論計(jì)算的視電阻率和視深度，理論計(jì)算得到的反演結(jié)果能夠有效地顯示數(shù)據(jù)設(shè)定的地電模型的大致形態(tài)，而且計(jì)算簡(jiǎn)單、快速。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反演結(jié)果，基于煙圈理論的數(shù)據(jù)反演可以快速地了解探測(cè)區(qū)域的地電結(jié)構(gòu)，并有助于提高實(shí)際反演解釋工作的準(zhǔn)確性[4]。最后用相關(guān)成圖軟件，繪制視電阻率斷面圖。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)一維反演得到兩條視電阻率斷面圖，如圖2和圖3所示。橫坐標(biāo)代表測(cè)點(diǎn)位置，共200 m，縱坐標(biāo)代表視深度。

圖2 水壩頂部(測(cè)線(xiàn)1)斷面圖

圖3 水壩中部(測(cè)線(xiàn)2)斷面圖

通過(guò)對(duì)斷面圖、現(xiàn)場(chǎng)情況以及地質(zhì)資料的分析，得到的結(jié)論是兩條測(cè)線(xiàn)所反應(yīng)出的壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電阻率未見(jiàn)異常，在勘測(cè)范圍內(nèi)壩體內(nèi)部無(wú)異常低阻帶，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，壩體內(nèi)部無(wú)滲漏。為了對(duì)勘探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，與水庫(kù)管理方進(jìn)行了資料互通，證實(shí)該壩體無(wú)滲漏，與反演結(jié)果吻合。

2.2 石頭口門(mén)水庫(kù)堤壩探測(cè)

長(zhǎng)春市石頭口門(mén)水庫(kù)地處飲馬河中游，位于長(zhǎng)春市東約30 km，水庫(kù)以防洪除澇、供水灌溉為主，始建于1958年6月，1965年10月項(xiàng)目竣工?？値?kù)容12.64億立方米，日供水量占長(zhǎng)春市日供水量的70%。該水庫(kù)控制流域面積約4944 km2，為低山丘陵臺(tái)地[5]，壩體結(jié)構(gòu)為均質(zhì)土壩。

根據(jù)地質(zhì)任務(wù)，在壩體背水面及堤壩頂部布設(shè)2條測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)編號(hào)分別為SX1和SX2。SX1線(xiàn)處于背水面斜坡上，采用邊長(zhǎng)為10 m的矩形線(xiàn)圈，沿傾斜面布置；SX2線(xiàn)由于受堤壩頂部寬度限制，在保證探測(cè)深度和信號(hào)強(qiáng)度的前提下，采用邊長(zhǎng)為5 m的矩形發(fā)射線(xiàn)圈。測(cè)線(xiàn)位置如圖4所示。

圖4 石頭口門(mén)水庫(kù)測(cè)線(xiàn)位置圖

為了減小地形影響和各類(lèi)干擾，提高信噪比，在技術(shù)上采用多次疊加技術(shù)，增大發(fā)射電流，提高信噪比；同時(shí)，精確計(jì)算線(xiàn)框面積，保證參數(shù)準(zhǔn)確。本次采用的參數(shù)如下：① 瞬變電磁發(fā)射機(jī)工作電壓12 V；②發(fā)射電流為中頻躍階電流(11 A，12.5 Hz)；③中心線(xiàn)圈接收方式，線(xiàn)圈有效面積11.8 m2；④接收疊加次數(shù)為512次。

施工按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范執(zhí)行，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，與凈月潭水庫(kù)技術(shù)要求一致。數(shù)據(jù)反演基于納比吉安的煙圈理論計(jì)算的視電阻率和視深度，確保反演結(jié)果具有很高的準(zhǔn)確性。圖5和圖6為SX1、SX2視電阻率斷面圖，橫坐標(biāo)代表測(cè)點(diǎn)位置，縱坐標(biāo)代表視深度。其中SX1線(xiàn)東起130 m處存在一處高阻異常，視深度為20～27 m處；SX2線(xiàn)東起110 m處存在異常，視深度7～12 m處，兩線(xiàn)互相印證后，異常位置對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確。該測(cè)線(xiàn)整體電阻率分布表現(xiàn)為表層相對(duì)高阻，底層相對(duì)低阻，整體分層清晰明顯，表明壩體及其底部地層結(jié)構(gòu)完整。通過(guò)和現(xiàn)有地質(zhì)資料進(jìn)行對(duì)比，考慮高阻異常為不規(guī)則石塊可能性較大。

為了對(duì)物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，選定SX2線(xiàn)22測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，結(jié)果在其下發(fā)現(xiàn)石塊，位置處于距壩頂12 m處。

圖5 SX1線(xiàn)視電阻率斷面圖

圖6 SX2線(xiàn)視電阻率斷面圖

2.3 新立城水庫(kù)堤壩探測(cè)

長(zhǎng)春市新立城水庫(kù)位于長(zhǎng)春市東南方向16 km處，是伊通河流域最大的水利樞紐工程，位于流域中上游。水庫(kù)總庫(kù)容5.92億立方米 (加固后庫(kù)容)，控制流域面積8255 km2，工程是以城市供水為主，并兼?zhèn)浞篮?、灌溉、漁業(yè)和旅游等功能。水庫(kù)由土壩、溢洪道和輸水洞等建筑物組成。2007年大壩安全鑒定后建議進(jìn)行除險(xiǎn)加固，經(jīng)加固后壩基滲水問(wèn)題已經(jīng)得到解決[6]。壩體結(jié)構(gòu)為亞黏土均質(zhì)壩，壩頂高程為224 m，壩長(zhǎng)2680 m，頂寬8 m，最大壩高18.15 m。

通過(guò)對(duì)大壩的充分了解和以往資料的收集整理，對(duì)比高密度電法、探地雷達(dá)等其他探測(cè)手段，確定此次滲漏隱患探測(cè)采用瞬變電磁法的中心回線(xiàn)布置方式，其優(yōu)點(diǎn)是布置方式靈活，對(duì)路面無(wú)損傷，并且能夠快速、有效、準(zhǔn)確地得到探測(cè)結(jié)果，對(duì)大壩的管理和問(wèn)題治理起到幫助。根據(jù)地質(zhì)任務(wù)，測(cè)線(xiàn)布置在壩頂。由于壩頂鋪設(shè)了瀝青道路，早晚來(lái)往車(chē)輛密集，所以選擇上午10點(diǎn)至下午4點(diǎn)進(jìn)行勘探工作。在數(shù)據(jù)正式采集前，對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試調(diào)整，確保合理的參數(shù)設(shè)定；在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，距發(fā)射線(xiàn)圈兩旁20 m處設(shè)立禁止通行標(biāo)志，保證采集過(guò)程中受到的干擾最??；實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)，出現(xiàn)問(wèn)題重新采集，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量；施工嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，本次勘探最佳參數(shù)如下：①瞬變電磁發(fā)射機(jī)工作電壓12 V；②發(fā)射電流為中頻躍階電流(12 A，12.5 Hz)；③中心線(xiàn)圈接收方式，線(xiàn)圈有效面積11.8 m2；④接收疊加次數(shù)為512次；⑤采用10 m邊長(zhǎng)的矩形線(xiàn)圈。

數(shù)據(jù)反演基于納比吉安的煙圈理論計(jì)算的視電阻率和視深度，可以快速、準(zhǔn)確地得到壩體的地下電性結(jié)構(gòu)。由于是分段測(cè)量，現(xiàn)選取其中有異常顯示的測(cè)線(xiàn)視電阻率斷面圖，如圖7所示。橫坐標(biāo)代表測(cè)點(diǎn)位置，縱坐標(biāo)代表視深度。

圖7 大壩某段測(cè)線(xiàn)視電阻率斷面圖

圖中紅色圈出的位置有明顯的高阻異常，其位置位于測(cè)線(xiàn)上170 m處，距壩頂15 m左右，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和地質(zhì)資料的比對(duì)，確定其為水位觀(guān)測(cè)孔。其他測(cè)區(qū)壩體電性結(jié)構(gòu)均勻，無(wú)明顯滲漏隱患存在。

3 結(jié)語(yǔ)

瞬變電磁法經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，儀器精度不斷提高，資料處理技術(shù)快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍正逐步擴(kuò)大。本研究使用性能穩(wěn)定、精度高的新型淺層瞬變電磁設(shè)備，在多個(gè)水庫(kù)堤壩上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。為了取得良好的效果，實(shí)驗(yàn)從方案設(shè)計(jì)、儀器參數(shù)選擇、施工過(guò)程、數(shù)據(jù)處理與解釋、地質(zhì)資料的驗(yàn)證等方面均有嚴(yán)格的要求，使每個(gè)環(huán)節(jié)都準(zhǔn)確合理。結(jié)果表明，采用淺層瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)中心回線(xiàn)裝置進(jìn)行探測(cè)可以查明堤壩滲漏隱患，其應(yīng)用前景十分廣闊。當(dāng)然，由于物探結(jié)果存在多解性，可以采用綜合物理探測(cè)，聯(lián)合多種物探方法互相驗(yàn)證，對(duì)勘探工區(qū)情況進(jìn)行充分了解，并借鑒專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和意見(jiàn)，以提高解釋結(jié)果的準(zhǔn)確度。

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