等值反磁通瞬變電磁法在長江堤防滲漏隱患探測中的應用

王佟童，王 媛，2，任 杰，2，張志慧

（1.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210024；2.水災害防御全國重點實驗室，江蘇南京 210024）

1 概 述

堤防工程作為防洪體系的重要組成部分，承擔著抗洪防汛、輸水排灌的重要任務，堤防工程具有線路長、隱患復雜、種類繁多、險情易發(fā)等特點［1］。每臨汛期高水位，極易發(fā)生管涌、流土、散浸、漏洞等險情，如不能及時發(fā)現(xiàn)滲漏，可能導致堤壩決口等災害，使得農(nóng)田被淹、房屋被毀，甚至造成決堤、垮壩等事故。目前，汛期堤防滲漏險情巡檢主要以人工為主，結(jié)合堤防滲漏險情隱蔽性、時空隨機性及早期特征不明顯等性質(zhì)，人工晝夜拉網(wǎng)式巡檢極難實現(xiàn)滲漏險情高效探查。因此，迫切需要一種堤防滲漏險情現(xiàn)代化快速探測技術，提高滲漏險情的精準辨識能力，實現(xiàn)滲漏險情高效定位，對控制險情進一步發(fā)展，提高堤防搶險成功率，防止堤壩潰決事故發(fā)生具有重要作用。

工程實踐表明，電阻率對堤防工程滲漏水的響應較為敏感，低阻異常區(qū)揭示的隱患體特征更加直觀、可靠［2］。近年來，電磁探測技術被應用于堤防滲漏隱患探測［3］，技術主要包括高密度電法［4］、瞬變電磁法［5］、地質(zhì)雷達法［6］等。瞬變電磁法也稱為時間域電磁法（TEM），是近年來水利工程隱患探查廣泛應用的無損檢測技術，具有異常響應強、位置分辨率高、探查速度快、便攜、操作簡單等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)堤壩裂縫、洞穴、松軟層、高含砂層等隱患的詳細探查。國內(nèi)早期發(fā)展的瞬變電磁儀探測深度通常為25～50 m［7］，等值反磁通瞬變電磁法的發(fā)展較好地彌補了存在探測盲區(qū)的缺陷［8］，有望實現(xiàn)堤防工程淺層缺陷的快速精細探測，但等值反磁通瞬變電磁法在堤防工程中的實際應用還較少。

本文以長江干堤南京江心洲堤防工程為試驗對象，應用等值反磁通瞬變電磁儀進行實地探測，并運用“煙圈理論”對探測數(shù)據(jù)進行反演解譯［9］。通過與現(xiàn)場地質(zhì)資料進行對比，驗證了等值反磁通瞬變電磁法在堤防滲漏隱患探測中的良好應用效果。

2 方法原理

2.1 等值反磁通瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法是以地殼中巖（礦）石的導電性與導磁性差異為主要物質(zhì)基礎，根據(jù)電磁感應原理，利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場，觀測分析脈沖電流斷電瞬間感應渦流產(chǎn)生的二次磁場的空間與時間分布規(guī)律。通過實際應用已知，地下構(gòu)造含水率越高，所產(chǎn)生的感應渦流場越強。目前，瞬變電磁法普遍將感應線圈測量磁場的變化率作為接收方式，在發(fā)射電流關斷時，接收線圈本身產(chǎn)生感應電動勢，同時疊加在地下渦流場產(chǎn)生的感應電動勢之上，從而造成瞬變電磁實測早期信號失真，形成淺層探測盲區(qū)。

等值反磁通瞬變電磁法［10］是一種新型瞬變電磁勘探技術，該方法的裝置采用上下平行共軸且?guī)缀螀?shù)完全相同，磁矩相等的線圈通以反向電流作為發(fā)射源。在雙線圈源合成的一次場零磁通平面上布設接收線圈，其一次場磁通始終為零，而地下空間一次場仍然存在，等值反磁通瞬變電磁一次場關斷時，接收線圈可以測量對地中心耦合的純二次場。因此，等值反磁通瞬變電磁法能夠緩解傳統(tǒng)瞬變電磁法存在淺層探測盲區(qū)的缺陷，同時裝置采用雙線圈源，相較于傳統(tǒng)瞬變電磁法的單線圈源對地中心耦合場能量更為集中。等值反磁通瞬變電磁法基本原理如圖1 所示，發(fā)射線圈為反向串聯(lián)上下平行共軸的相同線圈，切電流同步等值反向，接收線圈置于雙線圈源正中間一次場零磁通平面，與雙線圈源形成共軸。

圖1 等值反磁通瞬變電磁方法原理示意

2.2 等值反磁通瞬變電磁探測數(shù)據(jù)煙圈反演原理

等值反磁通瞬變電磁法所采集的數(shù)據(jù)為感應電動勢隨時間變化規(guī)律，探測數(shù)據(jù)反演就是將感應電動勢隨時間變化解譯為電阻率隨深度變化，完成瞬變電磁法探測數(shù)據(jù)的直觀解釋。通過研究斷電后二次渦流的分布情況，提出“煙圈效應”的概念［11］，將任一時刻的渦電流產(chǎn)生的磁場等效為一個水平環(huán)狀的線電流產(chǎn)生的磁場，感應渦流場在地表引起的瞬變電磁響應為地下各個渦流層的總效應，并且地下渦流場向下、向外擴散。在此理論基礎上，相關學者認為均勻半空間地表線圈激發(fā)的階躍瞬變響應可以用環(huán)形電流來表示，各渦流層總效應可近似地用環(huán)形電流進行疊加等效，從而提出相對簡單快速的近似反演方法［12］。

3 現(xiàn)場應用

3.1 探測區(qū)域工程概況

長江干堤南京江心洲堤防位于南京市建鄴區(qū)，江堤長22.38 km。根據(jù)2020年現(xiàn)場調(diào)研情況，江心洲堤防薄弱環(huán)節(jié)為穿堤建筑物段、渡口段、新老堤結(jié)合段，堤身未發(fā)現(xiàn)明顯狀況，新老堤結(jié)合段和部分穿堤建筑物重疊（排澇站），部分排澇站出現(xiàn)滲水情形?；谏鲜銮闆r，2020年汛期運用等值反磁通瞬變電磁儀，對長江干堤南京江心洲堤防險情段進行探測工作。

3.2 測區(qū)數(shù)據(jù)采集

將等值反磁通瞬變電磁儀（圖2）應用于江蘇南京江心洲堤防工程，通過物探手段對堤防工程進行探測，確定是否存在滲漏點及其位置。本次探測工作所應用的瞬變電磁探測系統(tǒng)主要由3 部分組成。

圖2 等值反磁通瞬變電磁探測系統(tǒng)

（1）發(fā)射系統(tǒng)。包括發(fā)電裝置及發(fā)射機，發(fā)射機由12 V的電瓶供電，發(fā)射機產(chǎn)生一定強度的電流供給發(fā)射線圈，從而在地下建立起一次場。

（2）接收系統(tǒng)。由數(shù)據(jù)采集裝置單獨構(gòu)成，系統(tǒng)性能參數(shù)為2 G 內(nèi)存，120 G 硬盤，2.24 GHz 雙核處理器。具有操作無延遲的特點，主要功能為對信號進行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣和存儲。

（3）共面等值反磁通線圈。由發(fā)射接收一體式線圈構(gòu)成，線圈模塊及裝置具有抗干擾特性。

根據(jù)此次探測任務的需求，在堤壩頂部布置1 條測線，測線編號為JXZ01，長度為95 m，測點點距為1 m，共布設95 個測點。測線布置示意如圖3所示。

圖3 物探測線JXZ01布置示意

為減小地形影響和各類干擾，提高信噪比，在探測過程中，技術上采用多次疊加，增大發(fā)射電流，提高信噪比。本次采用參數(shù)為：瞬變電磁發(fā)射機工作電壓為12 V，供電電流檔為100 A，測點疊加次數(shù)為30次。

為了保證所采集的物探數(shù)據(jù)保持較高精度，此次探測工作應遵守以下要求：

（1）測線及測點布置做好標記工作，避免探測過程中因測線或測點標記不明而影響工作效率；

（2）探測前對所布設測線及測點進行巡查，對金屬等干擾物進行清除；

（3）探測前自檢儀器，確保發(fā)射機與接收機為開機狀態(tài)；

（4）每次測量前，確保發(fā)射機、接收機與感應線圈連線為通路狀態(tài)，合格后方可進行觀測；

（5）探測過程中應嚴格執(zhí)行相關技術規(guī)范；

（6）進行數(shù)據(jù)采集工作時，發(fā)射機、接收機與感應線圈應保持一定安全距離，避免相互干擾影響數(shù)據(jù)質(zhì)量；

（7）在數(shù)據(jù)采集過程中，接收機應進行多次重復采集，保證采集數(shù)據(jù)誤差在允許范圍之內(nèi)；

（8）時刻關注數(shù)據(jù)的采集過程，若接收或發(fā)射機端出現(xiàn)問題應及時檢查，解決問題并重新測量；

（9）各測點坐標應與參數(shù)準確設定，數(shù)據(jù)采集完成注意及時保存；

（10）每次采集過后應檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，若不符合要求應重新采集數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

本次探測目的是根據(jù)探測資料，進行反演判定堤防工程是否存在滲漏及滲漏點位置，而探測資料的反演與解釋工作，實質(zhì)是通過數(shù)學手段將實測數(shù)據(jù)所形成的地下巖體數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為地質(zhì)模型，進而推測出地層含水情況。數(shù)據(jù)反演基于“煙圈理論”計算視電阻率和視深度，計算得到的反演結(jié)果能夠有效地顯示數(shù)據(jù)設定的地電模型的大致形態(tài)，有助于提高實際反演解釋工作的效率與準確性。

本研究采用等值反磁通瞬變電磁儀并配套專用軟件，對探測數(shù)據(jù)資料進行時間道設置、參數(shù)設置、去噪濾波及煙圈反演處理，具體反演流程見圖4。

圖4 等值反磁通瞬變電磁數(shù)據(jù)處理流程

3.4 數(shù)據(jù)解釋

本次探測工作的主要目的查明堤防工程是否存在隱患及隱患的位置，為汛期查險工作提供參考。根據(jù)數(shù)據(jù)處理工作得到測線JXZ01探測斷面的解譯資料如圖5所示。

圖5 測線JXZ01探測斷面

根據(jù)圖5（a）可知，測線JXZ01從起點開始40 m位置多測道曲線顯著抬升，反演計算得到的電阻率值偏低。由圖5（b）可知顯著的低阻異常區(qū)，似電阻率范圍為212.34～218.36 Ω·m，經(jīng)過現(xiàn)場勘查驗證發(fā)現(xiàn)測線40 m 位置為排水泵站管道所在地，驗證了物探結(jié)果的準確性。同時，根據(jù)圖5（a）可知，測線JXZ01 從起點開始起算7 m 及17 m 位置多測道曲線具有抬升趨勢，由圖5（b）可知相對于排水泵站管道的低阻異常區(qū)域，7m 及17m 位置為稍次之的低阻異常區(qū)，其似電阻率范圍分別為301.26～317.71 Ω·m、277.79～294.21 Ω·m。排水泵站管道低阻異常區(qū)探測結(jié)果的準確性，驗證了所探測出的2 處低阻異常區(qū)具有合理性，推測測線7 m 位置及17 m 位置存在潛在滲漏隱患，因此，應將測線7 m 及17 m 位置處作為汛期排險查險的重點關注區(qū)域。

4 結(jié) 語

本文詳細介紹了等值反磁通瞬變電磁探測技術，基于“煙圈理論”的瞬變電磁探測數(shù)據(jù)反演方法。以長江干堤南京江心洲堤防工程為試驗對象，對堤防隱患進行探查，并與現(xiàn)場地質(zhì)資料進行對比，發(fā)現(xiàn)反演方法具有良好的應用效果。

（1）等值反磁通瞬變電磁儀基于傳統(tǒng)瞬變電磁儀進行改進，采用體積較小的發(fā)射與接收一體式線圈，重量相對較輕。對于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集施工相對方便，且能夠緩解探測工作中具有淺層盲區(qū)的缺陷，最小探測距離可在地面以下1 m 內(nèi)，對堤防工程隱患探測具有較好的適用性及較高的靈敏度。

（2）將等值反磁通瞬變電磁應用于南京江心洲堤防工程，運用“煙圈理論”對探測數(shù)據(jù)進行反演處理，完成感應電動勢隨時間變化到視電阻率隨深度變化的轉(zhuǎn)換。根據(jù)視電阻率圖像確定南京江心洲堤防工程存在低阻異常部位，并與現(xiàn)場地質(zhì)資料進行對比，驗證探測結(jié)果的可靠性，表明反演方法具有較高的解譯精度。