劉現(xiàn)鋒 毋光榮 張 騰 郭良春

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

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納米瞬變電磁法在渠堤隱患探測(cè)中的應(yīng)用研究★

劉現(xiàn)鋒 毋光榮 張 騰 郭良春

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

介紹了納米瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)的原理，并通過工程勘察實(shí)例，闡述了“偶極裝置+小線框”的納米瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)在渠堤隱患探測(cè)中的應(yīng)用，指出該探測(cè)技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

渠堤，納米瞬變電磁，偶極裝置，小線框

0 引言

南水北調(diào)工程是事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局的重大民生工程，它不僅與國家的利益有著密切的聯(lián)系，而且更是關(guān)系到沿線人民群眾的生產(chǎn)和生活能否順利發(fā)展。由于許多渠堤為高填方和半挖半填工程，部分渠段甚至為“地上河”，因此渠堤的質(zhì)量便成為施工和日常監(jiān)控的重點(diǎn)。然而，隨著工程運(yùn)行時(shí)間的加長，渠堤內(nèi)部的裂隙、不均勻沉降等隱患也在不斷增加，而這些隱患的發(fā)展將會(huì)導(dǎo)致渠堤表面局部出現(xiàn)裂縫、塌陷等質(zhì)量缺陷。

目前，無損探測(cè)技術(shù)在堤防隱患探測(cè)應(yīng)用方面主要有瞬變電磁法、探地雷達(dá)法、直流電阻率法和地震勘探等手段。而瞬變電磁法因具有分辨率高、檢測(cè)速度快、操作簡便，沒有插入地下電極等優(yōu)點(diǎn)，適合于渠堤隱患探測(cè)的特殊要求。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，利用NANOTEM在南水北調(diào)工程某渠堤裂縫發(fā)育段，采用“偶極裝置+小線框+小采樣間隔+相對(duì)合理的小電流”的技術(shù)[1]，壓制干擾、突出異常信號(hào)，取得了良好的探測(cè)效果。

1 納米瞬變電磁探測(cè)原理

瞬變電磁法(簡稱TEM)是應(yīng)用不接地回線向地下發(fā)送一脈沖信號(hào)，通過在一次場(chǎng)間歇期間利用另一回線接收測(cè)量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的二次場(chǎng)隨時(shí)間衰減的規(guī)律來推測(cè)目標(biāo)地質(zhì)體的空間賦存狀況[2](見圖1)。

TEM的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)是根據(jù)導(dǎo)電介質(zhì)在呈階躍變化狀態(tài)下的激勵(lì)磁場(chǎng)激發(fā)下所引起的渦流場(chǎng)的問題，其由一次場(chǎng)所激發(fā)的二次場(chǎng)信號(hào)的表達(dá)式為:

(1)

由此得到視電阻率計(jì)算公式為：

(2)

其中，ρ為地層電阻率,Ω·m；M為發(fā)送線圈的磁矩,A·m2；μ0為磁導(dǎo)率,H/m；t為時(shí)間,s；q為接收線圈的等效面積,m2。從式(1)和式(2)可以明顯看出，二次場(chǎng)信號(hào)與電阻率ρ、時(shí)間t成反比，即二次場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)弱是由地質(zhì)目標(biāo)體的賦存狀態(tài)及物理性質(zhì)所決定的。由信號(hào)的時(shí)間特性可知，早期信號(hào)一般反映淺層地質(zhì)信息，而晚期信號(hào)則反映深層的地質(zhì)信息[3]。

一般情況下，由于常規(guī)瞬變電磁法的發(fā)射線框的半徑較大,因此關(guān)斷時(shí)間較長，瞬變響應(yīng)的衰減較慢,導(dǎo)致早期電磁信號(hào)的損失，致使常規(guī)瞬變電磁技術(shù)在解決淺層地質(zhì)問題時(shí)存在一定深度的盲區(qū)，難以滿足淺層小型目標(biāo)地質(zhì)體的探測(cè)需要。要提高瞬變電磁法探測(cè)淺埋地質(zhì)體時(shí)的分辨率、減小探測(cè)盲區(qū)，最好的方法就是減小發(fā)射線框邊長的同時(shí)減小關(guān)斷時(shí)間[4]，這樣不但異常信號(hào)會(huì)落在晚期上，而且受發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)間的影響也小。一般來說，二次場(chǎng)從開始到結(jié)束的時(shí)間是非常短暫的，想要探測(cè)淺部較小的目標(biāo)物，不但采樣延遲時(shí)間要小，而且要有較高的采樣率，很小的采樣間隔，以便分辨出較小的地質(zhì)目標(biāo)體，這也是納米瞬變電磁法產(chǎn)生的原因[5]。納米瞬變電磁法的最大特點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了發(fā)射電流的快速關(guān)斷、二次場(chǎng)信號(hào)的快速取樣,而且發(fā)射和接收線框較小，與常規(guī)瞬變電磁法相比其關(guān)斷時(shí)間和采樣間隔更短、更小，在對(duì)淺層目標(biāo)地質(zhì)體的探測(cè)上具有更好的縱向分辨率，這樣便能采集到更多淺層的地質(zhì)信息,以便達(dá)到探測(cè)淺層目標(biāo)地質(zhì)體的目的。

2 實(shí)例分析

2.1 測(cè)區(qū)工程概況及地球物理特征

測(cè)區(qū)為南水北調(diào)工程某渠堤頂部道路裂縫發(fā)育段。該段為高填方渠段，全長約800 m，地形平坦開闊，下部砂性土層含水較豐、具中等透水性。渠堤填筑高度為6 m～11 m，設(shè)計(jì)斷面采用“金包銀”填筑形式，即內(nèi)側(cè)填筑弱膨脹土、外包水泥摻量為5%的水泥改性土保護(hù)層，厚度為1 m。渠道外坡比為1∶2，堤頂寬5 m，堤頂為瀝青鋪設(shè)路面。在南水北調(diào)工程干渠運(yùn)行期間，該段右岸渠堤堤頂?shù)缆酚覀?cè)出現(xiàn)一條平行于道路走向的裂縫，裂縫最寬處約2 cm。渠堤斷面圖如圖2所示。

瞬變電磁法探測(cè)的地球物理前提是地質(zhì)目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間存在較大的電導(dǎo)率差異。通常情況下，對(duì)于一段渠堤,填筑材料就近取土,土質(zhì)可以近似認(rèn)為是均勻的,因而各處的電導(dǎo)率也是均勻的。當(dāng)其中某些部位存在缺陷時(shí),該處的電導(dǎo)率就會(huì)出現(xiàn)異常。通過探測(cè)電導(dǎo)率異常區(qū),就可以發(fā)現(xiàn)隱患,并確定其部位。就本次探測(cè)堤段而言，當(dāng)裂縫無水分充填時(shí)，其導(dǎo)電率相比周圍介質(zhì)偏低，電阻率也就偏高；相反，當(dāng)裂縫有水分充填時(shí)，其導(dǎo)電率就比周圍介質(zhì)偏高，電阻率也就偏低?；谏鲜隼碚摲治?，指導(dǎo)對(duì)本次裂縫發(fā)育堤段進(jìn)行探測(cè)研究。

2.2 方法技術(shù)選擇

瞬變電磁法常用的工作裝置包括：偶極裝置、中心回線裝置、重疊回線裝置、大定源回線裝置等[6]。偶極裝置具有一次場(chǎng)影響較小、探測(cè)分辨能力較強(qiáng)、輕便靈活等特點(diǎn)，其可以在不同位置和方向上去激發(fā)信號(hào)及觀測(cè)多個(gè)分量，對(duì)地質(zhì)目標(biāo)體具有較好的分辨能力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件和地球物理特征，本次裂縫探測(cè)選擇偶極裝置并采用小線框發(fā)射接收。發(fā)射和接收線框尺寸均為1 m×1 m，發(fā)送電流根據(jù)測(cè)區(qū)地形地質(zhì)條件確定為4A，采樣間隔1.2 μs，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距0.2 m，線距10 m，測(cè)線垂直裂縫發(fā)育方向布置，測(cè)線布置圖見圖3。

2.3 資料解釋與分析

電阻率斷面圖。

從圖4中可以明顯看出，在該測(cè)線水平距離2.6m處存在一高阻區(qū)域，根據(jù)電阻率等值線特征和地質(zhì)資料，推測(cè)裂縫為向右下方傾斜發(fā)育，最大發(fā)育深度為1.6m。經(jīng)開挖驗(yàn)證，實(shí)際情況與探測(cè)結(jié)果非常吻合。

綜上分析，判定探測(cè)段道路裂縫為內(nèi)側(cè)填筑的膨脹土遇水膨脹、失水收縮引起的反復(fù)變形造成渠堤邊坡失穩(wěn)，引發(fā)的渠堤路面張裂。

3 結(jié)語

“偶極裝置+小線框+小采樣間隔+相對(duì)合理的小電流”的納米瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)在道路裂縫探測(cè)方面不失為一種快捷、精細(xì)、先進(jìn)并行之有效的方法。通過多年來的實(shí)踐和應(yīng)用，證明納米瞬變電磁法結(jié)合小線框探測(cè)技術(shù)憑借其重量輕、攜帶方便、數(shù)據(jù)采集速度快、分辨率高等特點(diǎn)，不僅在堤防隱患探測(cè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景,而且還可以解決許多特殊的淺層地質(zhì)問題，應(yīng)用前景廣闊。

[1] 包乃利，劉鴻福.納米瞬變電磁法在探測(cè)淺層鐵礦采空區(qū)的實(shí)驗(yàn)研究[J]．地球物理學(xué)進(jìn)展，2013，28(2):952-957.

[2] 郭玉松.TEM法在工程勘察中的研究與應(yīng)用[J].工程勘察,1998(1):70-72.

[3] 李 巍,王信文,曾方祿,等.瞬變電磁法探測(cè)復(fù)雜地形不積水采空區(qū)的應(yīng)用[J].CT理論與應(yīng)用研究,2013,22(3):455-462.

[4] 于生寶，王 忠，嵇艷鞠，等．瞬變電磁法淺層探測(cè)技術(shù)[J]．電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21(2)：284-287．

[5] 田從斌，張國鴻，黃高元，等．納米瞬變電磁法在淺層巖溶勘查中的應(yīng)用[J]．安徽地質(zhì)，2010，20(4)：277-278．

[6] 李洪嘉，閆紹波，張 超，等．綜合物探技術(shù)在煤礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用研究[J]．工程地球物理學(xué)報(bào)，2014,11(5):714-720.

On application of NanoTEM in detection of troubles in canal banks★

Liu Xianfeng Wu Guangrong Zhang Teng Guo Liangchun

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China)

The paper introduces the principle for the NanoTEM techniques, illustrates the technique of “depole device+ small coil” in the detection of troubles in canal banks, and points out the detection technique is featured with speedy data collection and high resolution, so it has boarder application.

canal bank, NanoTEM, dipole device, small coil

1009-6825(2016)32-0223-02

2016-09-02★：水利部“948”項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201506)資助

劉現(xiàn)鋒(1985- )，男，工程師

P631.325

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