基于拖曳式瞬變電磁法的渠堤工程快速檢測技術(shù)研究

郭士明，謝向文，廖 先

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003； 2.重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院，重慶 400030）

1 引 言

渠堤工程（南水北調(diào)中線、堤防工程等）的內(nèi)部隱患主要包括洞穴、裂縫、滲漏等，為了了解隱患分布情況，一般采用人工巡檢、地質(zhì)鉆探或者地球物理方法進行探測。 人工巡檢往往只能發(fā)現(xiàn)渠道表觀缺陷，巡查線路長、效率低，地質(zhì)鉆探具有局部性和破壞力且不滿足快捷、精細(xì)的要求，地球物理方法因高效、無損的特點而被廣泛應(yīng)用。 黃河水利委員會基于國家“八五”重點科技攻關(guān)課題，全面開展了堤防隱患探測技術(shù)研究［1］。 1998 年特大洪水過后，國家防總和水利部在湖南益陽組織了大規(guī)模的堤防隱患探測儀器測評，對比各種儀器方法發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用良好的方法有高密度電法、瞬變電磁法、瞬態(tài)面波法和地質(zhì)雷達(dá)法［2］。 隨著時代的發(fā)展，這些傳統(tǒng)方法的探測效率已經(jīng)無法滿足大規(guī)模建成運行渠堤工程的檢測需求，解決該問題有兩個途徑：一是將探測技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)相融合，形成地球物理監(jiān)測體系，實時動態(tài)完成探測任務(wù)；二是采用拖曳式探測儀器系統(tǒng)，大幅提高探測效率。

針對渠堤工程快速檢測及搶險需求，郭玉松等［3-4］針對探測技術(shù)只能在問題出現(xiàn)后進一步確定隱患部位及通道，而不能提前預(yù)報險情出現(xiàn)的時間、地點及可能出現(xiàn)的概率，提出了從隱患探測到監(jiān)測的研究思路。 劉潤澤等［5］對監(jiān)測方案及技術(shù)進行了探討，引入動態(tài)監(jiān)測的理念。 李文忠等［6］探討了時移高密度電阻率法的有效性、可行性，但只是簡單應(yīng)用2 次探測資料進行對比，其使用的儀器設(shè)備并不具備數(shù)據(jù)4G傳輸、遠(yuǎn)程控制、云平臺實時處理預(yù)警等功能。 地球物理監(jiān)測系統(tǒng)真正投入應(yīng)用還需要開展大量的研究工作。

從快速檢測、隱患普查的角度講，拖曳式探測儀器具有良好的應(yīng)用前景，其中拖曳式探地雷達(dá)主要解決城市道路及渠堤淺部裂縫、脫空問題［7-8］，配合多天線的多點同步聯(lián)合掃描和測量，有效探測深度可以達(dá)到5 m、寬度達(dá)3.75 m。 拖曳式面波可以用于軟弱層隱患探測，其采用陸地式可拖曳電纜，節(jié)省了大量時間［9-10］。 拖曳式瞬變電磁法針對3 ～30 m 范圍內(nèi)的滲漏問題是最為理想的普查手段，但關(guān)于其淺部盲區(qū)和信號質(zhì)量問題，目前研究及應(yīng)用存在空白區(qū)。 為了全面、快速檢測渠堤工程內(nèi)部隱患分布情況，宜采用拖曳式瞬變電磁法及探地雷達(dá)法進行隱患普查，圈定存在問題的渠堤段，在詳查階段采用三維高密度電法及連續(xù)源面波等方法，結(jié)合普查資料，形成綜合檢測技術(shù)方案，從而完成地下三維空間隱患形態(tài)及展布探測。

瞬變電磁法是一種時間域電磁感應(yīng)類探測方法，其工作原理是介質(zhì)在一次電流脈沖激發(fā)下產(chǎn)生渦流場，在脈沖的間隔時間利用不接地回線等方式接收二次感應(yīng)磁場，二次磁場隨時間的衰減規(guī)律與地下良導(dǎo)體的導(dǎo)電性、規(guī)模、埋深及發(fā)射電流的形態(tài)和頻率相關(guān)［11-13］。 鑒于其對低阻導(dǎo)體反應(yīng)的靈敏性，在地下水資源、金屬礦探測及工程滲漏檢測等方面應(yīng)用廣泛［14-16］。

拖曳式瞬變電磁法是根據(jù)航空瞬變電磁法的研究思路發(fā)展起來的一種陸地快速探測方法［17-18］，是瞬變電磁法的一種全新應(yīng)用。 它與傳統(tǒng)瞬變電磁法最大的區(qū)別在于數(shù)據(jù)的快速采集。 工程領(lǐng)域典型淺部勘探設(shè)備包括美國nanoTEM、加拿大PROTEM 系列，由于瞬變電磁法測量的是二次感應(yīng)場，需要對一次場進行關(guān)斷，因此其設(shè)備采用小電流（1～5 A）減小關(guān)斷時間，從而減少淺部探測盲區(qū)；為了滿足探測需要往往采用小回線（正方形邊長5 ～20 m），同時為了增強信號的幅值，會采用多匝線圈來增大磁矩，但互感問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差，需要進行多次疊加，單點采樣時間超過30 s，在后期還需要校正處理。 基于上述問題，傳統(tǒng)瞬變電磁設(shè)備難以滿足拖曳式采樣的需求。 丹麥奧胡斯大學(xué)水文地球物理研究中心研發(fā)了一套適用于淺部工程勘探的拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)（見圖1），其核心在于超高發(fā)射頻率及快速關(guān)斷液冷系統(tǒng)，并采用低頻及高頻兩套發(fā)射線圈進行數(shù)據(jù)采集，保證深部多次疊加，而淺部數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。 但該系統(tǒng)并不是最理想的裝置選擇：①其通過數(shù)十倍于傳統(tǒng)儀器的發(fā)射頻率實現(xiàn)拖曳模式，減少數(shù)據(jù)疊加需要的時間，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量沒有根本性提高；②高頻和低頻數(shù)據(jù)需要進行融合，在該過程中數(shù)據(jù)存在誤差。 基于上述研究現(xiàn)狀，筆者研制了YREC-P10 高精度拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)。

圖1 奧胡斯拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)工作示意

2 YREC-P10 高精度拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

YREC-P10 高精度拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)由發(fā)射采集主機、工控機、21 V 鋰電池、可拖曳發(fā)射接收一體化線圈、發(fā)射接收一體化電纜線、RTK 高精度差分定位系統(tǒng)組成。 系統(tǒng)通過工控機采集軟件設(shè)置采集參數(shù)，通過USB3.0 對主機進行控制及數(shù)據(jù)傳輸，通過藍(lán)牙連接工控機傳輸GPS 信息，最終在拖曳過程中數(shù)據(jù)被實時處理，并動態(tài)顯示電阻率—深度剖面，系統(tǒng)示意見圖2。

圖2 YREC-P10 高精度拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)示意

2.2 參數(shù)選擇

為了確保原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時實現(xiàn)拖曳式數(shù)據(jù)采集，對瞬變電磁系統(tǒng)的參數(shù)需求進行了分析。 該系統(tǒng)的主要任務(wù)是3 ～30 m 范圍內(nèi)的隱患快速探測，考慮到探測效率，需要拖曳速度為5 ～10 km／h。 為了實現(xiàn)該目標(biāo)，采用與奧胡斯拖曵式瞬變電磁系統(tǒng)不同的設(shè)計理念，具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 YREC-P10 拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2.3 高速關(guān)斷及跨環(huán)削耦技術(shù)

傳統(tǒng)瞬變電磁法為了提高信號信噪比，往往需要多次疊加來抑制噪聲，但該方法犧牲了采集時間。 為了解決該問題，有以下2 個方案：①提高發(fā)射頻率，從而在相同時間提高疊加次數(shù)，保證信號信噪比；②增大發(fā)射磁矩，從而提高原始信號質(zhì)量。 增加磁矩有增大單匝線圈面積、增大發(fā)射電流、增加發(fā)射線圈匝數(shù)3 種方式，根據(jù)需求，該系統(tǒng)采用了后兩種方式，即使用60 A大電流及43 匝發(fā)射線圈，從而使發(fā)射磁矩達(dá)到1 650 A·m2。 采用該方案的缺點是增加了發(fā)射電流關(guān)斷延時，導(dǎo)致早期場盲區(qū)較大。 為了盡可能減小淺部盲區(qū)，采用了恒壓鉗位技術(shù)及跨環(huán)削耦技術(shù)，將關(guān)斷延時控制在30 μs［19］。

高速關(guān)斷技術(shù)：基本原理是在發(fā)射電流關(guān)斷期間，使負(fù)載兩端的電壓鉗位在幅值較高的電壓源上。 可實現(xiàn)發(fā)射電流下降的目的，從而最大限度縮短關(guān)斷延時，減少淺部盲區(qū)。

一體化弱耦合線圈：強烈的一次場響應(yīng)通過發(fā)送線圈與接收線圈的互感混入探測信號，在接收線圈的過渡過程作用下信號的一次場響應(yīng)將持續(xù)到關(guān)斷時間早期。 為保護接收機和保障運算放大器，接收機對幅值過高的信號實施削波處理，導(dǎo)致有效采樣時刻后延，損失了早期信號。 因此，由一次場導(dǎo)致的信號畸變是瞬變電磁法出現(xiàn)淺層探測盲區(qū)的主要原因。 對于小回線系統(tǒng)而言，發(fā)送、接收線圈互感問題更為嚴(yán)重。 從接收信號中剔除一次場是較為困難的，設(shè)計弱耦合的一體化線圈是小回線瞬變電磁的關(guān)鍵。 在航空瞬變電磁探測、礦井瞬變電磁探測及小回線拖曳式瞬變系統(tǒng)等淺層探測領(lǐng)域，多使用發(fā)射—接收一體化線圈，由于線圈的相對位置是固定的，因此可以通過特殊的布置方式降低線圈的互感，稱為弱耦合結(jié)構(gòu)。

2.4 數(shù)據(jù)處理解釋

根據(jù)設(shè)計，拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)探測速度為1.3 ～2.7 m／s，為了在巡檢過程中快速發(fā)現(xiàn)隱患，系統(tǒng)需要對數(shù)據(jù)進行疊加、磁場計算、加窗處理及煙圈成像來實現(xiàn)成果快速處理。 上述流程中涉及的算法主要有RTK 坐標(biāo)位置格式轉(zhuǎn)換、電動勢轉(zhuǎn)換為磁場、視電阻率計算等。 其中：RTK 坐標(biāo)位置格式轉(zhuǎn)換需要將得到的經(jīng)緯度格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的平面坐標(biāo)；電動勢轉(zhuǎn)換為磁場是根據(jù)采集的電動勢數(shù)據(jù)進行計算，得到對應(yīng)的磁場數(shù)據(jù)；視電阻率計算是根據(jù)計算得到的加窗磁場數(shù)據(jù)進行煙圈成像，快速得到對應(yīng)的視電阻率與深度，實現(xiàn)動態(tài)快速成像的目的。 數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

3 適用性研究

3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

為了驗證拖曳模式下采集的原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在南水北調(diào)中線某挖方段測試了高壓線干擾及不同疊加次數(shù)對數(shù)據(jù)的影響，測試結(jié)果見圖4。

圖4 南水北調(diào)中線某段系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果

南水北調(diào)中線渠道沿線普遍存在30 kV 高壓線，為了評估本文拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)在該工程中的適用性，采用點測模式在測段進行了不同時間的信號采集。采樣參數(shù)為：發(fā)射頻率32 Hz，電流60 A，疊加次數(shù)200次。 通過實測資料分析發(fā)現(xiàn)，30 kV 高壓線對瞬變電磁數(shù)據(jù)干擾不明顯，在衰減曲線全區(qū)不存在畸變現(xiàn)象，并且數(shù)據(jù)在一定時間內(nèi)保持了良好的穩(wěn)定性。

考慮到橫向分辨率，需要對拖曳過程中2 m 行進距離的數(shù)據(jù)進行疊加，根據(jù)最大拖曳速度10 km／h，在最低16 Hz 的發(fā)射頻率下每個測點共有5 個采樣點數(shù)據(jù)，因此設(shè)計了從5 次到200 次不同的疊加次數(shù)，測試點測模式和拖曳模式對數(shù)據(jù)的影響。 根據(jù)測試結(jié)果（見圖4（b）），早期不同疊加次數(shù)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)良好的一致性，晚期因本身數(shù)據(jù)的信噪比而造成了一定的誤差，但不存在畸變，與疊加次數(shù)關(guān)聯(lián)度不高，拖曳模式下數(shù)據(jù)的質(zhì)量與疊加采樣點位置地電條件關(guān)系更大，采用10 km／h 的拖曳速度具有可行性。

3.2 拖曳模式測試

在某已知金屬管線區(qū)域垂直于管線布置1 條測線，進行拖曳探測。 發(fā)射頻率32 Hz、電流60 A、探測速度1.5 m／s，采用2 m 間隔進行數(shù)據(jù)疊加，最后經(jīng)煙圈成像完成數(shù)據(jù)的快速解譯，見圖5。 該管線埋深1 m，管徑未知，由于埋深較淺，因此其異常響應(yīng)明顯，用拖曳式采集很快確定了該管線的位置在15 m 測線處。

圖5 某管線探測成果

4 應(yīng)用實例

拖曳式瞬變電磁法勘探的主要依據(jù)是渠堤隱患與周圍土體間的電阻率差異。 渠堤工程中滲漏問題往往出現(xiàn)在堤身松散體及含砂層位置，這些區(qū)域含水率低、電阻率高，遇水后堤身土體中的大量細(xì)顆粒在孔隙通道中移動被帶出，形成滲漏通道。 該過程從物性特征上反映為土體含水率逐步升高，電阻率逐步降低，從而與周圍土體形成明顯的電阻率差異，這種差異為瞬變電磁法提供了應(yīng)用條件。 由于含水率達(dá)到一定程度的飽和土電阻率與滲漏通道的電阻率差異較小，因此在渠堤工程中該方法適用于非飽和土介質(zhì)中的滲漏探測。

4.1 堤防工程應(yīng)用實例

堤防工程汛期搶險時需要采用快速有效的手段判斷可能存在集中滲漏的堤段，基于滲漏通道低電阻率特征及瞬變電磁法對低阻體的敏感性，采用拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)可以迅速圈定異常區(qū)域，為封堵處理贏得寶貴的時間。 黃河大堤某段存在一個埋深超過7 m 的排污管道，管徑60 cm，視為集中滲漏通道，采用YRECP10 拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)在堤頂路面進行拖曳探測，探測速度為2 m／s，對測試數(shù)據(jù)經(jīng)過成像處理，得到探測成果，如圖6 所示。 可見，在12 ～17 m 測線之間存在明顯低阻異常，深度為8 m 左右，推斷為排污管，經(jīng)查勘驗證，其與實際排污管位置相符。

圖6 黃河大堤某排污管探測成果

4.2 南水北調(diào)中線一期工程應(yīng)用實例

南水北調(diào)中線一期工程進入運行管理階段后，集中滲漏是其內(nèi)部隱患突出問題之一。 為了測試拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)在該工程中能否應(yīng)用于滲漏問題的巡檢，在鄭州段某穿渠排水倒虹吸位置的二級馬道上進行了探測。 該處屬于半挖半填段，地下水位較低，地層主要為填土、粉土和黏土。 表層一般為雜填土和素填土，下部為黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土，穿渠倒虹吸深度約為15 m，孔數(shù)為3 孔，均為滿水情況，孔口尺寸為3.5 m×3.5 m（寬×高），與周圍介質(zhì)存在明顯電阻率差異。 在以往工作中，采用高密度電法、面波法、探地雷達(dá)法進行了探測，但鑒于倒虹吸深度及方法適用性問題，未能成功找到穿渠位置。 采用YREC-P10 拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)，探測速度為2 m／s，采用1 m 間距進行數(shù)據(jù)疊加，探測結(jié)果見圖7。 可見，該段存在2 處異常：28 ～31 m測線處存在一個低阻異常，深度為8 m，現(xiàn)場確認(rèn)發(fā)現(xiàn)，造成該異常的原因是橫穿馬道的排水管深度較淺，煙圈成像算法縱向分辨率不足，造成了深度誤差；58～74 m 測線處存在較大規(guī)模低阻異常，異常頂界面深度15 m、寬度15 m 左右，通過查勘驗證發(fā)現(xiàn)，該位置與3 孔穿渠倒虹吸位置相符，反映了倒虹吸的規(guī)模和深度，在該測線其他位置未發(fā)現(xiàn)明顯低阻異常，電阻率比較均一，沒有表現(xiàn)出集中滲漏問題。 對南水北調(diào)中線一期工程滲漏問題的探測表明，該方法較傳統(tǒng)物探手段具有明顯優(yōu)勢。

圖7 南水北調(diào)中線一期工程某渠段探測成果

5 結(jié) 論

根據(jù)渠堤工程內(nèi)部隱患巡檢及搶險的需求，開展了高精度拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)的研制，并通過適用性及應(yīng)用試驗，展示了該方法在滲漏探測方面的優(yōu)勢。瞬變電磁法尤其是小回線瞬變電磁法，其方法理論并不成熟，正演模擬誤差較大，導(dǎo)致其往往能夠在橫向上精確判斷異常位置，而在縱向深度上無法對隱患埋深進行精確解釋；快速成像算法的深度解釋需要依靠大量已知隱患的探測成果得到經(jīng)驗系數(shù)，從而進行系數(shù)調(diào)整，因此該方法適用于滲漏通道的快速巡檢，初步判斷隱患位置。

鑒于在推廣示范應(yīng)用后，拖曳探測數(shù)據(jù)量龐大，因此在今后的研究中，考慮采用人工智能的手段建立數(shù)據(jù)庫，通過訓(xùn)練形成不同渠段正常探測樣本和異常樣本，進而對異常樣本進行特征提取，智能識別并圈定存在問題的渠堤段，最終采用精細(xì)的資料處理技術(shù)進行二次數(shù)據(jù)分析，得到精確探測成果。