CN109521476A - 堤坝电阻率层析成像观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种堤坝电阻率层析成像观测系统，包括：供电排列、测量排列和测量装置，供电排列及测量排列均包含有多个排成一列的电极；供电排列布置于堤坝迎水面的枯水线，供电排列沿水流方向平行于堤坝的轴线；测量排列布置于堤坝的顶部和/或背水面，测量排列与供电排列平行；测量装置用于在供电排列中的一个电极及无穷远极被供电后，对测量排列中的两个电极进行电阻率滚动测量，获取供电排列与测量排列的空间连线所形成的断面的电阻率。本发明实施例避免了现有技术中模型数值变换处理方法的误差以及数据反演计算过程耗时长的问题，直接采用定向剖面观测堤坝体电阻率变化情况，简明直观，有效提高了探测精度和效率。

Description

堤坝电阻率层析成像观测系统

技术领域

本发明实施例涉及堤坝观测领域，更具体地，涉及一种堤坝电阻率层析成像观测系统。

背景技术

堤坝水体渗透滑动一直是汛期堤坝最主要危害之一，由于堤坝水体渗透过程土体的电性敏感特征存在，目前对于堤坝水体渗透探测多以电法探测为主。但是，由于堤坝在外形结构上是一类非规则的梯形几何体(其一侧临水，一侧临空)，在堤防上开展电阻率法探测，其复杂的空间结构及外部条件，会引起电场在堤坝表面发生剧烈弯曲，所测结果势必会受到影响，因此无法采用基于经典水平层状介质模型或以均匀半空间为背景介质的分析解来进行研究，从而给资料解释带来一定困难。现有技术中，主要是通过三维建模并采用网格映射、曲化平变换等数值处理方法将探测数据回归到原空间后再进行分析处理。但由于堤坝结构的非均一性，空间结构尺寸变化不均，数值模拟成果与真实情况可能存在偏差，依靠数值模型方法转换处理得到的数据成果无法达到高精度探测需求，同时由于数据模型处理工序繁琐，耗时较长，无法实时输出电阻率成像结果，无法满足滑动过程快速实时监测的需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的堤坝电阻率层析成像观测系统。

本发明实施例提供一种堤坝电阻率层析成像观测系统，该系统包括：供电排列、测量排列和测量装置，供电排列及测量排列均包含有多个排成一列的电极；供电排列布置于堤坝迎水面的枯水线，供电排列沿水流方向平行于堤坝的轴线；测量排列布置于堤坝的顶部和/或背水面，测量排列与供电排列平行；测量装置用于在供电排列中的一个电极及无穷远极被供电后，对测量排列中的两个电极进行电阻率滚动测量，获取供电排列与测量排列的空间连线所形成的断面的电阻率。

本发明实施例提供的堤坝电阻率层析成像观测系统，通过测量装置在供电排列及无穷远极被供电后，对测量排列进行电阻率滚动测量，获取供电排列与测量排列的空间连线所形成的断面的电阻率，避免了现有技术中模型数值变换处理方法的误差以及数据反演计算过程耗时长的问题，直接采用定向剖面观测堤坝体电阻率变化情况，简明直观，有效提高了探测精度和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的堤坝电阻率层析成像观测系统的布置示意图；

图2为本发明实施例提供的跑极装置跑极流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中堤坝复杂几何体结构的电发探测的问题，以及为满足渗透过程实时监测的要求，本发明实施例提供一种堤坝电阻率层析成像观测系统，该系统可用于堤坝滑坡滑动过程追踪。该系统包括：供电排列、测量排列和测量装置，供电排列及测量排列均包含有多个排成一列的电极；供电排列布置于堤坝迎水面的枯水线，供电排列沿水流方向平行于堤坝的轴线；测量排列布置于堤坝的顶部和/或背水面，测量排列与供电排列平行；测量装置用于在供电排列中的一个电极及无穷远极被供电后，对测量排列中的两个电极进行电阻率滚动测量，获取供电排列与测量排列的空间连线所形成的断面的电阻率。

具体地，参见图1，F为供电排列，S为测量排列，供电排列和测量排列均由多个排列成一列的电极形成，电极可以为惰性金属不极化电极。供电排列及测量排列的排列方式可参见图1。可以在枯水期将供电排列F布置于迎水面枯水线或枯水线附近，且供电排列F沿水流方向平行于堤坝的轴线布置。然后，在堤坝的顶部和/或堤坝的背水面，沿水流方向布置测量排列S。由于供电排列和测量排列均平行于堤坝的轴线布置，因此，供电排列和测量排列在空间中是平行的，从而供电排列和测量排列能够形成一个平面，该平面与堤坝的相交平面即为供电排列与测量排列的空间连线所形成的断面。

在堤坝上布置好供电排列和测量排列后，可开始进行观测。本发明实施例中，观测系统所采用的原理为电阻率勘察，该原理是沿着地表测量来确定地下电阻率的分布，具体通过一对电极向地下供入电流，再由另外一对电极测量电位差及电流，从而反演计算地下视电阻率；一般将数据按拟断面的形式来提供，它反映了地下视电阻率的变化。基于上述原理，本发明实施例通过将供电排列中的一个电极作为供电电极，以及将无穷远极作为另一个供电电极，并将测量排列中的两个不同的电极作为测量电极进行测量。由于供电排列和测量排列中均包含有多个电极，不同测量电极及不同的供电电极之间可以形成不同的断面，因此，在供电排列及无穷远极被供电后，测量装置是对测量排列进行电阻率滚动测量，从而对不同的电极所形成的不同断面的电阻率进行测量。最终能够获得电阻率断面，基于断面的电阻率数据能够获取堤坝内部空间的电阻率分布数据，基于电阻率分布数据能够实现对堤坝的成像观测。

本发明实施例提供的堤坝电阻率层析成像观测系统，通过测量装置在供电排列及无穷远极被供电后，对测量排列进行电阻率滚动测量，获取供电排列与测量排列的空间连线所形成的断面的电阻率，避免了现有技术中模型数值变换处理方法的误差以及数据反演计算过程耗时长的问题，直接采用定向剖面观测堤坝体电阻率变化情况，简明直观，有效提高了探测精度和效率。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，无穷远极布置于远离堤坝的水体的稳定场地中。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，堤坝电阻率层析成像观测系统包括：多条测量排列，多条测量排列相互平行且等间距分布；相应地，测量装置用于在供电排列及无穷远极被供电后，对多条测量排列同时进行电阻率滚动测量。

具体地，成像观测系统可包括多条测量排列Si，例如图1中，共设置有S1至S6共6条测量排列。由于系统共包括1条供电排列和多条测量排列，因此供电排列与测量排列能够形成呈空间辐射状的多条电阻率断面。具体采用供电排列与测量排列分开的供-采分离模式，由专门用于供电的供电排列F进行供电，对其他所有的测量排列Si同时进行数据采集，即可总结为单供多采的辐射性采集电极排列布置。通过供电排列F与无穷远极B供电，测量装置对测量排列Si进行电阻率滚动测量，获取供电排列F与测量排列Si空间连线电阻率断面数据，在堤坝内部空间切出F与Si排列连线电阻率断面切片，最终获取呈空间辐射状排列的多条电阻率断面，从而获取堤坝内部空间电阻率分布数据。

应当说明的是，由于具有多条测量排列，因此，可以在对供电排列进行供电后，同时对多条测量排列进行电阻率的滚动测量，即实现了单供多采的并行电阻率数据采集。因此，能够实现多条断面数据并行采集，互不干扰，大大提高探测效率，为实现水体渗透滑动过程实时追踪提供速度保障。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，测量排列的数量及间距由堤坝的结构尺寸和/或探测分辨率需求确定。换言之，测量排列间距和条数可根据堤坝结构尺寸大小及探测分辨率要求调整。

基于上述实施例的内容，作为一种个可选实施例，供电排列及测量排列中包含有相同道数的电极，且供电排列的第一道电极与测量排列的第一道电极对齐。换言之，每条测量排列Si的电极道数与供电排列F道数相同，且第一道电极对齐布置。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，堤坝电阻率层析成像观测系统还包括：跑极装置；跑极装置用于将供电排列的第i道电极作为供电电极A_i极，将无穷远极作为供电电极B极进行供电；相应地，测量装置用于将测量排列的第i道电极作为测量电极M_i极，将测量排列的第j道电极作为测量电极N极进行电位测量，并根据电位测量结果获取供电排列与测量排列的空间连线所形成的断面的电阻率；其中，i≥1，j>i；测量电极M_i极与测量电极N极之间的第一距离不大于供电电极A_i极与测量电极M_i极之间的第二距离，且第一距离与第二距离之间的差值小于测量排列的极距。

具体地，上述跑极装置及测量装置即对供电排列与测量排列所能够形成的所有断面的电阻率数据分别进行测量，获得每一可能形成的断面的电阻率数据。应当说明的是，本发明实施例对测量每一断面的电阻率的顺序不作限定，只需对每一需要进行测量的断面的电阻率实现测量。以下提供一种测量断面电阻率顺序的方式，但本发明实施例的保护范围不限于此：

如图2所示，将供电排列F中的电极依次作为供电电极A极，将无穷远极作为供电B极；测量排列Si中的电极依次作为测量电极M和N。A-B(∞)极供电时，不同的测量排列上的测量电极MN可同时进行测量，从而实现单供多采的并行电阻率数据采集。具体跑极的步骤如下：

步骤1：供电排列第1道为A₁，A₁与B供电时，各测量排列上的第1道电极M₁作为测量电极M、第2道电极N₁作为测量电极N进行数据采集；然后，保持测量电极M不动，N极向后滚动，MN之间极距逐渐增大，但是，直至MN极距不能超过A₁M极距(极距即为两个电极在空间中的直线距离)，且MN极距与A₁M极距之间的差值小于测量排列极距；其中，测量排列的极距即为测量排列第一道电极与最后一道电极之间的距离；

步骤2：供电电极由A₁移至A₂，A₂与B极供电，各测量排列上的测量电极M由M₁移至M₂，然后M_2、N₂作为测量电极进行数据采集，然后保持测量M极不动，测量N极向后滚动；

步骤3：依次往后，重复步骤2，直至供电电极A移至供电排列的末尾，完成完整断面数据采集。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，堤坝电阻率层析成像观测系统还包括：背景电位测量装置；背景电位测量装置用于测量供电排列及测量排列中每一电极分别与无穷远极之间自然电位差；相应地，测量装置还用于利用自然电位差校正电阻率滚动测量获得的测量结果。

具体地，背景电位测量装置可以采集供电及测量排列中的每一道电极与置于稳定场中的无穷远极B间的自然电位作为探测区域背景电位，通过电位差值精确计算各测量电极M、N之间的自然电位差，用于自然电位补偿计算，从而减小采集数据误差。相比于现有技术中只是在排列滚动过程中测量MN极间的自然电位，无法做到实时归一化，本发明实施例中，通过背景电位约束校正，将背景电位归一到等电位点，能够有效剔除了河道水体流动产生的电位变化干扰。同时利用无穷远极与测量排列中的每一道电极间的自然电位作为背景电位，可为精确背景电位校正提供可靠数据。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，堤坝电阻率层析成像观测系统还包括：水位监测装置、自然电位监测装置及预警启动装置；水位监测装置用于对堤坝的水位进行监测，获得水位值；自然电位监测装置用于对测量排列与无穷远极之间的自然电位进行监测，获得自然电位数据；预警启动装置用于若判断水位值大于设定水位值和/或若根据自然电位数据的动态变化值超过设定变化阈值时，则触发跑极装置对供电排列供电以及触发测量装置对测量排列进行电阻率滚动测量。

具体地，可采用水位和自然电位“双位”信号预警启动模式。通过置于水中的水位监测装置获取水位信息，通过测试排列与无穷远电极间自然电位突变预警信号，并通过判断水位值及自然电位数据的波动情况来控制数据采集系统(即跑极装置和测量装置)的启动。针对水位值，可预先设置分段预警水位(即设定水位值)，在水位上涨过程中，当水位达到设置的预警水位时，系统启动采集。同时，在水位稳定阶段则可以通过预设的自然电位变化阈值，在自然电位动态变化超过阈值时，采集系统自动启动进行观测。应当说明的是，水位条件和自然电位变化条件只需满足一个即可触发跑极装置进行供电以及测量装置进行测量。

由于水位监测装置对水位的监测以及自然电位监测装置对自然电位的监测不会产生大量能耗，因此，本发明实施例打破传统不间断地采集方式，依靠水位和自然电位“双位”信号预警采集控制，设置双重保障，在实现渗透过程实时探测目的的前提下节约能耗。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，设定水位值由季节和气象情况确定，水位监测装置监测水位的时间间隔由设定水位值确定。例如，设定水位值越大，时间间隔越小。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，测量装置为多通道电法工作站。具体地，堤坝电阻率层析成像观测系统的硬件系统可包括：

A)多通道电法工作站，可选用高密度电法工作站实现多通道并行采集电法工作站主机，可同时监测采集8个通道数据，单个通道可最大连接196根电极；

B)分布式电缆、电极及转换盒，电缆采用级联式高密度电缆、电极选用惰性金属不极化电极，光电高速电极转换盒作为供电采集排列及控制电极切换；

C)自电扫描模块(即背景电位测量装置)，快速扫描通道上连接所有电极与无穷远极间自然电位值；

D)信号触发外部接口，触发信号接口与水位监测装置相连，实时获取水位信息。

综合本发明实施例提供的上述内容，本发明实施例相比于现有技术至少具有以下优点：

(1)避免了常规模型数值变换处理方法的误差以及数据反演计算过程耗时长的问题，直接采用定向剖面观测堤坝体电阻率变化情况，简明直观，有效提高了探测精度和效率；

(2)单极-偶极装置实现多条断面数据并行采集，互不干扰，大大提高探测效率，为实现水体渗透滑动过程实时追踪提供速度保障；

(3)现有技术只是在排列滚动过程中测量MN极间的自然电位，无法做到实时归一化；通过背景电位约束校正，将背景电位归一到等电位点，能够有效剔除了河道水体流动产生的电位变化干扰。同时利用无穷远极与观测排列中的每一根电极间的自然电位作为背景电位，可为精确背景电位校正提供可靠数据；

(4)打破传统不间断地采集方式，依靠水位和自然电位“双位”信号预警采集控制，设置双重保障，在实现渗透过程实时探测目的的前提下节约能耗。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种堤坝电阻率层析成像观测系统，其特征在于，包括：供电排列、测量排列和测量装置，所述供电排列及所述测量排列均包含有多个排成一列的电极；

所述供电排列布置于堤坝迎水面的枯水线，所述供电排列沿水流方向平行于所述堤坝的轴线；所述测量排列布置于所述堤坝的顶部和/或背水面，所述测量排列与所述供电排列平行；

所述测量装置用于在所述供电排列中的一个电极及无穷远极被供电后，对所述测量排列中的两个电极进行电阻率滚动测量，获取所述供电排列与所述测量排列的空间连线所形成的断面的电阻率。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括：多条所述测量排列，多条所述测量排列相互平行且等间距分布；相应地，所述测量装置用于在所述供电排列及所述无穷远极被供电后，对多条所述测量排列同时进行电阻率滚动测量。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供电排列及所述测量排列中包含有相同道数的电极，且所述供电排列的第一道电极与所述测量排列的第一道电极对齐。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：跑极装置；

所述跑极装置用于将所述供电排列的第i道电极作为供电电极A_i极，将无穷远极作为供电电极B极进行供电；相应地，

所述测量装置用于将所述测量排列的第i道电极作为测量电极M_i极，将所述测量排列的第j道电极作为测量电极N极进行电位测量，并根据电位测量结果获取所述供电排列与所述测量排列的空间连线所形成的断面的电阻率；

其中，i≥1，j>i；所述测量电极M_i极与所述测量电极N极之间的第一距离不大于所述供电电极A_i极与所述测量电极M_i极之间的第二距离，且所述第一距离与所述第二距离之间的差值小于所述测量排列的极距。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：背景电位测量装置；

所述背景电位测量装置用于测量所述供电排列及所述测量排列中每一所述电极分别与所述无穷远极之间自然电位差；相应地，

所述测量装置还用于利用所述自然电位差校正电阻率滚动测量获得的测量结果。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：水位监测装置、自然电位监测装置及预警启动装置；

所述水位监测装置用于对所述堤坝的水位进行监测，获得水位值；

所述自然电位监测装置用于对所述测量排列与所述无穷远极之间的自然电位进行监测，获得自然电位数据；

所述预警启动装置用于若判断所述水位值大于设定水位值和/或若根据所述自然电位数据的动态变化值超过设定变化阈值时，则触发所述跑极装置对所述供电排列供电以及触发所述测量装置对所述测量排列进行电阻率滚动测量。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述设定水位值由季节和气象情况确定，所述水位监测装置监测水位的时间间隔由所述设定水位值确定。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量装置为多通道电法工作站。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无穷远极布置于远离所述堤坝的水体的稳定场地中。

10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述测量排列的数量及间距由所述堤坝的结构尺寸和/或探测分辨率需求确定。