CN109668938B - 堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所设计的堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置，它的电场负极棒和电场正极棒分别设置在堤身内侧和堤身外侧，激励信号发送装置的正极激励信号通信端连接电场负极棒，激励信号发送装置的负极激励信号通信端连接电场正极棒，堤身的顶部设置磁场测量系统，磁场测量系统沿测线组运动，并在测线组的每个测点接收由于激励信号发送装置的供电电场变化所引起的全空间范围变化的磁场数据，及所在测点的位置定位数据，测线组位于堤身的顶部并沿堤防走向布置；磁场测量系统用于根据所接收到的各个测点的磁场数据和定位数据进行磁测数据处理得到各个测点位置定位信息及各个测点对应的磁电阻率值。本发明能准确得到渗漏通道位置。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理探测技术领域，具体地指一种堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置和方法。
技术背景
堤防工程质量与安全运行关系两岸人民生命财产安全，但由于堤防结构复杂、修建年代久远，普遍存在渗漏等安全隐患。对渗漏通道的探测一直是堤防隐患探测的重点和难点。目前渗漏隐患探测方法可分为三类：一是基于渗漏通道与周围介质的电性差异，即渗漏水的良导电性，利用电法勘探查明渗漏分布情况，主要有瞬变电磁法、高密度电阻率法、流场法等。瞬变电磁法存在探测盲区，难以有效识别浅表层渗漏隐患。高密度电阻率法体积效应明显，纵向分辨率不高。流场法无法确定渗漏水在堤身内部的通道和流向。第二类方法是利用渗漏水的物理化学作用，包括同位素示踪法、核磁共振法和声发射法。同位素示踪法借助天然或人工放射性示踪剂测量地下水流的运动及渗漏状态，该方法适用于隐患的详查，但缺乏定量解释。核磁共振法需要克服江水对渗漏水探测的干扰。声发射法是根据堤防发生渗漏时，存在水流声和水与土体摩擦声，用声发射对渗漏通道定位，但该方法也只能定性描述。第三类方法是采用多次重复探测，监测堤防渗漏的动态变化过程，追踪堤防渗漏的产生和发展过程，但堤防安全监测是长期过程，难以起到应急抢险作用。
总体而言，当前用于堤防渗漏探测的方法技术各有优缺点，虽取得一定成果，但对堤防渗漏通道的准确定位和探测结果的定量解释等研究工作仍存在许多不足。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置和方法，该方法通过在堤防表面测量由渗漏通道形成电流回路引起的交变电磁场异常分布规律，确认渗漏通道位置，同时通过探测不同时期渗漏异常分布形态，动态追踪渗漏通道演化过程。
为实现此目的，本发明所设计的一种堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置，其特征在于，它包括电场负极棒、电场正极棒、激励信号发送装置和磁场测量系统，其中，所述电场负极棒和电场正极棒分别设置在堤身内侧和堤身外侧，激励信号发送装置的正极激励信号通信端连接电场负极棒，激励信号发送装置的负极激励信号通信端连接电场正极棒，堤身的顶部设置磁场测量系统，磁场测量系统沿测线组运动，并在测线组的每个测点接收由于激励信号发送装置的供电电场变化所引起的全空间范围变化的磁场数据，及所在测点的位置定位数据，所述测线组位于堤身的顶部并沿堤防走向布置；磁场测量系统用于根据所接收到的各个测点的磁场数据和定位数据进行磁测数据处理得到各个测点位置定位信息及各个测点对应的磁电阻率值。
一种利用上述装置的堤防渗漏通道探测方法，它包括如下步骤：
步骤1：激励信号发送装置向供电电场回路供以交变电流，交变电流将在周围空间产生异常磁场；
步骤2：磁场测量系统沿测线组运动，并在测线组的每个测点接收由于激励信号发送装置的供电电场变化所引起的全空间范围变化的磁场数据，及所在测点的位置定位数据；
步骤3：静态磁场接收机监测探测区域内背景磁场在测量时间内的变化过程，并将表征背景磁场在测量时间内的变化过程的背景磁场平均值传输给磁场测量系统用来校正磁场测量系统所接收到的各个测点的磁场数据，具体可表示为
式中，为堤防渗漏通道探测开工前、工作中和收工时静态磁场接收机所测磁场的平均值，R为在堤防表面上静态磁场接收机距离正负电极连线的垂直距离，用米表示，I为供电电场回路内的供电电流，再将每个测点上观测到的磁场值乘以校正系数C，就得到经过校正的磁场强度值；
当地下为均匀介质时(没有电阻率的差异，即导电性一致)，沿测线方向的正常磁场强度可表示为：
式中，Hn为均匀介质中堤顶沿测线方向测的任意点处正常磁场理论值，I为供电电场回路内的供电电流，x为测线方向的方位坐标值，y为正电极棒和负电极棒连线方向的方位坐标值，坐标原点位于正负电极的中点位置；
当堤防内部出现渗漏通道，渗漏通道位置形成良导体，堤防结构变为非均匀体，上述均匀磁场的正常分布形态就会遭到破坏，在渗漏通道部位产生异常的磁场强度，通过在堤顶测量磁场强度的变化情况，就可以确定渗漏通道的分布位置；
步骤4：根据各个测点校正后的磁场值，利用如下公式计算各个测点对应的地下磁电阻率值：
其中，MMR表示各个测点对应的堤防内部磁电阻率值，磁电阻率与电法勘探中所述电阻率不同，它是表示磁场强度的异常值相对于正常磁场理论值的比值，是采用百分值表示的参数，式中，Hn为上述堤防均匀介质中正常磁场理论值，为各个测点校正后的磁场值，I为供电电场回路内的供电电流值，l为电场负极棒与电场正极棒距离的一半；
步骤5：根据每个测点的位置定位信息和每个测点对应的地下磁电阻率值得到待测区域磁电阻率值分布图，并根据待测区域磁电阻率值分布图中磁电阻率值异常值对应的位置定位信息确定渗漏通道的位置。
相比于现有的堤坝渗漏探测设备和方法，本发明的有益效果主要表现在：
1、堤防渗漏通道是电流聚集区域，采用本发明，根据渗漏异常与供电电流形成的电流回路所产生的异常磁场分布，可快速查明堤防渗漏通道的三维空间分布情况，具有探测效率高、探测深度大、无接地电极等优点。
2、采用本发明，测量的磁场不受低阻覆盖层影响，更适应背景电阻率相对较低的堤防土体环境。能发射不同频率电场信号，通过静态磁场校正异常磁场值，可有效避开现场干扰，该方法抗干扰能力强，探测结果准确可靠。
3、采用本发明，可以实现现场主机探测时，实时显示探测结果，探测效率高。
因此，本发明的装置具备可操作性高、实用性强等优点，为国家的堤防安全和人民的生命财产安全提供保障。
附图说明
图1为本发明三维磁测电阻率探测方法示意图俯视图；
图2为本发明三维磁测电阻率探测方法示意图正视图；
图3为本发明磁场测量系统结构框图。
1—堤身、2—堤身内侧、3—堤身外侧、4—电场负极棒、5—电场正极棒、6—激励信号发送装置、7—磁场测量系统、7.1—数据处理器、7.2—三维磁力仪、7.3—GPS导航定位装置、7.4—计算器、8—静态磁场接收机、9—供电电缆、10—测线组、11—堤内疑似渗漏通道。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明设计的一种堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置，如图1～3所示，它包括电场负极棒4、电场正极棒5、激励信号发送装置6和磁场测量系统7，其中，所述电场负极棒4和电场正极棒5分别设置在堤身内侧2和堤身外侧3，激励信号发送装置6的正极激励信号通信端连接电场负极棒4，激励信号发送装置6的负极激励信号通信端连接电场正极棒5，堤身1的顶部设置磁场测量系统7，磁场测量系统7沿测线组10运动，并在测线组10的每个测点接收由于激励信号发送装置6的供电电场变化所引起的全空间范围变化的磁场数据，及所在测点的位置定位数据，所述测线组10位于堤身1的顶部并沿待测堤防走向布置；磁场测量系统7用于根据所接收到的各个测点的磁场数据(三维磁场数据)和定位数据进行磁测数据处理得到各个测点位置定位信息及各个测点对应的磁电阻率值。
上述技术方案中，所述激励信号发送装置6、电场负极棒4、堤内疑似渗漏通道11和电场正极棒5形成供电电场回路。该电场回路中堤身内部的疑似渗漏通道位置电流密度显著增大，磁场强度随之增强，在堤顶沿测线方向测得的磁场水平分量明显增大，呈现明显的磁场异常分布，从而能快速圈定异常分布位置。
上述技术方案中，所述磁场测量系统7包括数据处理器7.1、三维磁力仪7.2、GPS导航定位装置7.3和计算器7.4，所述三维磁力仪7.2的输出端连接数据处理器7.1的全空间范围变化的磁场数据输入端，GPS导航定位装置7.3的输出端连接计算器7.4的位置定位数据输入端，数据处理器7.1的数据输出端连接计算器7.4的磁电阻率分布的成像显示数据输入端。
上述技术方案中，它还包括静态磁场接收机8，静态磁场接收机8设置在堤身1的顶部，所述静态磁场接收机8的信号输出端连接数据处理器7.1的静态磁场数据输入端，静态磁场接收机8用于监测探测区域内背景磁场在指定时间(一天内)开工前、工作中和收工时时间范围内的变化过程，并将表征背景磁场在指定时间内的变化过程的数据传输给磁场测量系统7用于校正磁场测量系统7所接收到的磁场数据。所述静态磁场接收机8放置于堤防顶部的无电磁干扰处，用于监测探测区域内背景磁场在一天的变化过程，校正磁场测量系统7所接收到的磁场变化情况，为进一步的反演计算提供条件。
上述技术方案中，所述电场负极棒4与电场正极棒5之间的间距范围为600～800米，具体视探测对象和工作任务确定，以尽量扩大供电回路范围，减少供电电缆的干扰为原则。
上述技术方案中，所述激励信号发送装置6向供电电场回路供以直流/交变电流，由于渗漏通道的良导电性，堤防内部电性分布不均匀，会使电流在渗漏通道内集中，电流密度增大。因此在渗漏通道周围空间存在异常的磁场强度，表现为磁场的水平分量显著增强。
上述技术方案中，所述测线组10包括沿堤防走向平行布置的多根测线，每根测线中测点间距相等且测点间距范围为0.5～1米(保证渗漏通道定位的准确性)。测线长度以供电电缆9的干扰最小为原则。
上述技术方案中，电场负极棒4设置在堤身内侧2的渗漏出水口位置，电场正极棒5设置在堤身外侧3的底部。电流是由正极流向负极，堤身外侧的渗漏出水口一开始是未知的，把负极端放在堤身内侧的已知出水口处，就能保证所形成的电流回路是由渗漏通道形成的。
一种利用上述装置的堤防渗漏通道探测方法，它包括如下步骤：
步骤1：激励信号发送装置6向供电电场回路供以交变电流，交变电流将在周围空间产生异常磁场；
步骤2：磁场测量系统7沿测线组10运动，并在测线组10的每个测点接收由于激励信号发送装置6的供电电场变化所引起的全空间范围变化的磁场数据，及所在测点的位置定位数据；
步骤3：静态磁场接收机8监测探测区域内背景磁场在测量时间内的变化过程，并将表征背景磁场在测量时间内的变化过程的背景磁场平均值传输给磁场测量系统7用来校正磁场测量系统7所接收到的各个测点的磁场数据，具体可表示为：
式中，为堤防渗漏通道探测开工前、工作中和收工时静态磁场接收机所测磁场的平均值，R为在堤防表面上静态磁场接收机8距离正负电极连线的垂直距离，I为供电电场回路内的供电电流，再将每个测点上观测到的磁场值乘以校正系数C，就得到经过校正的磁场强度值；
当地下为均匀介质时，沿测线方向的正常磁场强度可表示为：
式中，Hn为均匀介质中堤顶沿测线方向测的任意点处正常磁场理论值，I为供电电场回路内的供电电流，x为测线方向的方位坐标值，y为正电极棒和负电极棒连线方向的方位坐标值，坐标原点位于正负电极的中点位置；
当堤防内部出现渗漏通道，渗漏通道位置形成良导体，堤防结构变为非均匀体，上述均匀磁场的正常分布形态就会遭到破坏，在渗漏通道部位产生异常的磁场强度，通过在堤顶测量磁场强度的变化情况，就可以确定渗漏通道的分布位置；
步骤4：根据各个测点校正后的磁场值，利用如下公式计算各个测点对应的地下磁电阻率值：
其中，MMR表示各个测点对应的堤防内部磁电阻率值，磁电阻率与电法勘探中所述电阻率不同，它是表示磁场强度的异常值相对于正常磁场理论值的比值，是采用百分值表示的参数，式中，Hn为上述堤防均匀介质中正常磁场理论值，为各个测点校正后的磁场值，I为供电电场回路内的供电电流值，l为电场负极棒4与电场正极棒5距离的一半；
步骤5：根据每个测点的位置定位信息和每个测点对应的地下磁电阻率值得到待测区域磁电阻率值分布图，并根据待测区域磁电阻率值分布图中磁电阻率值异常值(与均匀介质中堤顶沿测线方向测的对应点处正常磁场理论值不一样的为异常值)对应的位置定位信息确定渗漏通道的位置。并在异常地段重复加密观测，通过改变供电频率、电压，加密测线等方法进一步查明异常值的真实性。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置，其特征在于，它包括电场负极棒(4)、电场正极棒(5)、激励信号发送装置(6)和磁场测量系统(7)，其中，所述电场负极棒(4)和电场正极棒(5)分别设置在堤身内侧(2)和堤身外侧(3)，激励信号发送装置(6)的正极激励信号通信端连接电场负极棒(4)，激励信号发送装置(6)的负极激励信号通信端连接电场正极棒(5)，堤身(1)的顶部设置磁场测量系统(7)，磁场测量系统(7)沿测线组(10)运动，并在测线组(10)的每个测点接收由于激励信号发送装置(6)的供电电场变化所引起的全空间范围变化的磁场数据，及所在测点的位置定位数据，所述测线组(10)位于堤身(1)的顶部并沿堤防走向布置；磁场测量系统(7)用于根据所接收到的各个测点的磁场数据和定位数据进行磁测数据处理得到各个测点位置定位信息及各个测点对应的磁电阻率值；
所述激励信号发送装置(6)、电场负极棒(4)、堤内疑似渗漏通道(11)和电场正极棒(5)形成供电电场回路；
它还包括静态磁场接收机(8)，静态磁场接收机(8)设置在堤身(1)的顶部，所述静态磁场接收机(8)的信号输出端连接数据处理器(7.1)的静态磁场数据输入端，静态磁场接收机(8)用于监测探测区域内背景磁场在指定时间内的变化过程，并将表征背景磁场在指定时间内的变化过程的数据传输给磁场测量系统(7)用于校正磁场测量系统(7)所接收到的磁场数据；
当堤防内部出现渗漏通道，渗漏通道位置形成良导体，堤防结构变为非均匀体，均匀磁场的正常分布形态就会遭到破坏，在渗漏通道部位产生异常的磁场强度，通过在堤顶测量磁场强度的变化情况，就可以确定渗漏通道的分布位置。
2.根据权利要求1所述的堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置，其特征在于：所述磁场测量系统(7)包括数据处理器(7.1)、三维磁力仪(7.2)、GPS导航定位装置(7.3)和计算器(7.4)，所述三维磁力仪(7.2)的输出端连接数据处理器(7.1)的全空间范围变化的磁场数据输入端，GPS导航定位装置(7.3)的输出端连接计算器(7.4)的位置定位数据输入端，数据处理器(7.1)的数据输出端连接计算器(7.4)的磁电阻率分布的成像显示数据输入端。
3.根据权利要求1所述的堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置，其特征在于：所述电场负极棒(4)与电场正极棒(5)之间的间距范围为600～800米。
4.根据权利要求1所述的堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置，其特征在于：所述激励信号发送装置(6)向供电电场回路供以交变电流，交变电流将在周围空间产生异常磁场。
5.根据权利要求1所述的堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置，其特征在于：所述测线组(10)包括沿堤防走向平行布置的多根测线，每根测线中测点间距相等且测点间距范围为0.5～1米。
6.根据权利要求1所述的堤防渗漏通道三维磁测电阻率探测装置，其特征在于：电场负极棒(4)设置在堤身内侧(2)的渗漏出水口位置，电场正极棒(5)设置在堤身外侧(3)的底部。
7.一种利用权利要求1所述装置的堤防渗漏通道探测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：激励信号发送装置(6)向供电电场回路供以交变电流，交变电流将在周围空间产生异常磁场；
步骤2：磁场测量系统(7)沿测线组(10)运动，并在测线组(10)的每个测点接收由于激励信号发送装置(6)的供电电场变化所引起的全空间范围变化的磁场数据，及所在测点的位置定位数据；
步骤3：静态磁场接收机(8)监测探测区域内背景磁场在测量时间内的变化过程，并将表征背景磁场在测量时间内的变化过程的背景磁场平均值传输给磁场测量系统(7)用来校正磁场测量系统(7)所接收到的各个测点的磁场数据，具体可表示为：
式中，为堤防渗漏通道探测开工前、工作中和收工时静态磁场接收机所测磁场的平均值，R为在堤防表面上静态磁场接收机(8)距离正负电极连线的垂直距离，I为供电电场回路内的供电电流，再将每个测点上观测到的磁场值乘以校正系数C，就得到经过校正的磁场强度值；
当地下为均匀介质时，沿测线方向的正常磁场强度可表示为：
式中，Hn为均匀介质中堤顶沿测线方向测的任意点处正常磁场理论值，I为供电电场回路内的供电电流，x为测线方向的方位坐标值，y为正电极棒和负电极棒连线方向的方位坐标值，坐标原点位于正负电极的中点位置；
当堤防内部出现渗漏通道，渗漏通道位置形成良导体，堤防结构变为非均匀体，上述均匀磁场的正常分布形态就会遭到破坏，在渗漏通道部位产生异常的磁场强度，通过在堤顶测量磁场强度的变化情况，就可以确定渗漏通道的分布位置；
步骤4：根据各个测点校正后的磁场值，利用如下公式计算各个测点对应的地下磁电阻率值：
其中，MMR表示各个测点对应的堤防内部磁电阻率值，磁电阻率与电法勘探中所述电阻率不同，它是表示磁场强度的异常值相对于正常磁场理论值的比值，是采用百分值表示的参数，式中，Hn为上述堤防均匀介质中正常磁场理论值，为各个测点校正后的磁场值，I为供电电场回路内的供电电流值，l为电场负极棒(4)与电场正极棒(5)距离的一半；
步骤5：根据每个测点的位置定位信息和每个测点对应的地下磁电阻率值得到待测区域磁电阻率值分布图，并根据待测区域磁电阻率值分布图中磁电阻率值异常值对应的位置定位信息确定渗漏通道的位置。
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