CN109782357A - 一种地面磁共振法与高密度电法联合探测堤坝渗漏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地面磁共振法与高密度电法联合探测堤坝渗漏的方法，首先通过高密度电法快速分析确定疑似电阻率异常区域，再通过地面磁共振法对疑似电阻率异常区域进行重点探测与异常区识别，最后综合地面磁共振法与高密度电法的探测结果，确定堤坝渗漏通道，诊断确定渗漏隐患范围与程度。本发明可针对不同情况设置线圈匝数以提高信噪比，从而减小对地面磁共振法探测信号的干扰，显著提高了探测信息的精度。此外，地面磁共振法与高密度电法综合探测成本低且可以相互印证，为解决电法探测成果解释的“非唯一性”问题提供了新的途径。

Description

一种地面磁共振法与高密度电法联合探测堤坝渗漏的方法

技术领域

本发明涉及水利工程的地球物理探测领域，尤其是基于高密度电法及核磁共振技术实现的堤坝渗漏隐患探测方法。

背景技术

当土石坝存在隐患或发生渗漏时，在全部可用于探测的物理参数中，土体介质的电阻率响应最为敏感且易于无损探测，因而电法已成为探测土石坝渗漏隐患的最常用方法。目前在地质物探领域实际应用的电法多达20余种。这些方法都是通过探测土坝坝体介质的电阻率，解读探测成果图的异常区特征，进而推断隐患是否存在，是一种移植于地矿领域的间接探测方法，其中高密度电法的应用最多。高密度电法具有电极布设效率高、抗干扰能力强、采集速度快、野外数据采集与反演自动化、可直接得2维/3维地电断面信息等显著优点，如陈军等在《地下隐蔽水库的高密度电法探测研究》一文中通过高密度电法对地铁沿线可能遭遇的地下隐蔽水库进行了探测，证明了根据已知条件进行正演模拟，有助于提高高密度电法识别含水区范围的解译精度。石明等在《综合物探方法在堤防质量检测中的应用》一文中将高密度电法与探地雷达、地震勘探法联合应用于堤防隐患探测，取得了不错的效果。

各类电法的实质是通过低电阻异常区判断坝体渗漏区域，然而由于土体的电阻率极易受土体性质、含水量、黏粒含量、压实度等多种因素影响，在反演解释过程中，需要有经验的工程师定性推断，反演成果可能存在“非唯一性”问题，这给病险水库的渗漏隐患应急检测带来了很大不便。

张荣等人在《地面核磁共振技术发展述评》一文中提到：新近发展的磁共振技术(Magnetic Resonance Sounding，以下简称“MRS”技术)为解决电法探测“非唯一性”问题提供了新的途径。MRS技术是目前世界上唯一能够行之有效地对地下水体进行直接探测的物探方法。相比其他地球物理方法，MRS方法的主要优点在于，探测的MRS信号来自于地下水分子，可以确保探测信号及其解释仅与地下水有关，即反演结果满足“唯一性”，可有效弥补电阻率探测成果解释“非唯一性”的不足，为渗漏隐患的定量化描述提供了可能。已有学者将地面核磁共振法应用于岩土与水利工程领域隐患探测实践中，并取得了一些有价值的成果。

MRS法虽然具备直接探测渗漏水且能区分岩层低电阻率区异常的优势，可定量获得分层含水量、孔隙率、渗透系数等多种参数，但经过田宝凤等人在《基于参考线圈和变步长自适应的磁共振信号噪声压制方法》一文中的研究，发现受制于探测原理的限制，应用该方法探测时，易受周边电磁场环境、噪声等环境影响，且其二维/三维成像技术仍在研究探索阶段，获得的一维成果信息分辨率不足，单独应用很难准确判断渗漏位置。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提高堤坝渗透隐患探测信息的准确性，将MRS法与以高密度电法为代表的常规物探方法相结合，通过优化线圈匝数的途径有效提高探测信噪比，以提高诊断效率与反演成果解释的准确性。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术手段：

本发明提出一种地面磁共振法与高密度电法联合探测堤坝渗漏的方法，包括：

步骤(1)、通过高密度电法快速分析确定疑似电阻率异常区域，

步骤(2)、通过地面磁共振法MRS对疑似电阻率异常区域进行重点探测与异常区识别；

步骤(3)、综合地面磁共振法与高密度电法的探测结果，确定堤坝渗漏通道，诊断确定渗漏隐患范围与程度。

进一步的，本发明所提出的探测堤坝渗漏的方法，所述步骤(1)的具体步骤如下：

101)电极布设：沿坝顶根据设计间距将电极打入设定深度，保证电极与土体接触良好，之后将导线与电极连接；

102)数据采集：根据测试要求设置电法仪采集参数，采用“温纳-α”电极阵列模式进行数据采集。

103)数据预处理：将采集数据导入计算机，进行数据预处理，将坡面几何信息导入地电断面，进行地形修正；

104)电阻率成像：采用电阻率成像正反演软件进行实测数据成像，通过参数设定提高电阻率反演精度；

105)图形显示与异常分析：根据成像结果，分析电阻率异常区域，初步界定渗流异常区范围。

进一步的，本发明所提出的探测堤坝渗漏的方法，所述步骤(2)的具体步骤如下：

201)应用核磁共振探测系统在初判异常区位置坝顶进行磁共振全息探测；

202)根据高密度电法测得的土体分层电阻率作为磁共振成像反演初始值，其中，MRS信号强度E(t,q)幅值包络线按指数规律衰减：

式中E₀为最大初始脉冲，与含水地层的含水率成正比；q为激发场的强度即激发脉冲矩，与探测深度有关；ω_L为拉莫尔频率；t为具有拉莫尔频率的外部静磁场的作用时间；为自旋-自旋弛豫时间，与含水层的孔隙度有关；为MRS信号E₀的初始相位，与被探测地层的导电率有关；

203)根据反演成果，判断渗流异常区包括渗流水位、含水量、孔隙率的关键渗流隐患诊断信息，对高密度电法反演分析初判的渗流异常区进行校核。

进一步的，本发明所提出的探测堤坝渗漏的方法，所述步骤(3)的具体步骤为：以高密度电法的2维地电分布信息为基础，通过MRS法对电阻率异常区性质进行判别，综合诊断渗漏异常区域的范围与渗漏量级，为进一步加固处理提供依据。

进一步的，本发明所提出的探测堤坝渗漏的方法，在步骤101)中进行电极布设时，还包括通过优化线圈匝数的途径以提高探测信噪比，具体是在正式探测开始前，进行包括场地噪音、线圈匝数及探测脉冲叠加次数的试测，以评估不同匝数线圈对探测信号的影响程度。

本发明采用以上技术方案，对比已有技术具有以下技术效果：

1、在高密度电法识别堤坝隐患的基础上进一步利用MRS法以获得更加全面准确的隐患探测信息，显著提高了探测信息的精度，探测成本低且可以相互印证。

2、本发明利用MRS法准确探明由高密度电法揭示的低阻异常区的渗漏隐患属性，不需要地质钻孔，节约成本。3、本发明可针对不同情况设置线圈匝数以提高信噪比，从而减小对MRS法探测信号的干扰。

附图说明

图1是本发明方法的操作步骤流程框图。

图2是本申请探测方法的一个实施例的高密度电法测线布置示意图。

图3是本申请探测方法的一个实施例的高密度电法各断面数值反演电阻率云图。

图4是本申请探测方法一个实施例的核磁共振堤坝渗漏隐患探测系统结构框图。

图5是本申请探测方法的一个实施例的MRS法探测线圈平面布置示意图。

图6是本申请探测方法的一个实施例的线圈不同匝数时信号与平均噪声数据示意图。

图7是本申请探测方法的一个实施例的坝体0～25.0m范围内随深度变化的含水层分布、信号衰减时间T₂ ^*和渗透系数等探测成果示意图。

图8是本申请的实施例中测试信号、含水率、透水率、信号衰减时间、ZK2地质探孔的测试成果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明的一个实施例是对某蓄水池一侧坝体进行MRS法和高密度电法联合探测原位试验，坝体现状顶宽80m，底宽120m，坝顶高程为1015.00m，最大坝高为14m，试验期间蓄水池水深2m，实际蓄水量40万m³。本探测堤坝渗漏的方法，将MRS法与高密度电法联合，其步骤是：首先通过高密度电法快速分析确定疑似电阻率异常区域，再通过MRS法对疑似电阻率异常区域进行重点探测与异常区识别；其操作流程如图1，包括步骤：

步骤1、通过高密度电法探测快速查找异常区域，采用的仪器为日本OYO公司(应用地质株式会社)生产的McOHM Profiler 4多道数字电阻率测量仪，其具体操作步骤如下：

(101)电极布设：为研究整个试验区域的物理特征分布情况，沿坝顶根据合理的设计间距将电极打入设定深度，保证电极与土体接触良好，之后将导线与电极连接，如表1所示，是本申请的探测方法中高密度电法探测断面布设参数的一个实施例。

表1

图2示出了本申请的探测方法中高密度电法测线布置示意图，为探查坝体渗漏异常区域，在坝顶分别沿坝轴线和上下游方向布设5个探测断面，如图2中的(b)所示。

(102)数据采集：根据测试要求设置电法仪采集参数，采用适宜的电极阵列模式进行数据采集，在本实施例中电极布设采用“温纳-α”阵列，如图2中的(a)所示。

(103)数据预处理：将采集数据导入计算机，进行数据预处理，包括滤波、典型坏点去除等，将坡面几何信息导入地电断面，进行地形修正。

(104)电阻率成像：采用电阻率成像正反演软件Res2dinv进行实测数据成像，通过参数设定提高电阻率反演精度。

(105)图形显示与异常分析：根据成像结果，分析电阻率异常区域，初步界定渗流异常区范围，图3是本申请探测方法的一个实施例的高密度电法各断面数值反演电阻率云图，图中反映了探测断面表层普遍存在低电阻区，这可能与试验场地前期持续降雨入渗有关，因降雨入渗后的表层坝体土含水量升高，导致探测断面表层低电阻率的试验现象。进一步分析可以发现，高密度电法探测成果显示在坝顶以下8～11m范围内存在疑似的低电阻率异常区，为疑似渗漏通道，同时查阅筑坝材料试验成果发现，坝体填土分布不均匀且黏粒含量高达33％，黏粒含量高也可能导致坝体土层的低电阻率异常，因此该低电阻率异常区也可能是由于坝体内黏土夹层导致的，单独使用高密度电法探测成果很难确定低电阻率异常区是否真实反映了坝体内的渗漏通道，进而需要MRS法的探测结果进一步进行对比分析。

步骤2、通过MRS法探测初判异常区域特性，本实施例是采用法国IRIS公司研制的NUMIS^Poly系统(Nuclear Magnetic Induction System)，图4示出了本申请探测方法一个实施例的核磁共振堤坝渗漏隐患探测系统结构框图，包括PC机、微处理器、拉莫尔频率发生器、检波器、发送机、接收机、变换器、电源、开关、天线，由PC机经RS-232接口连接微处理器，微处理器经过拉莫尔频率发生器、变换器与发送机连接，电源控制变换器，开关控制接收机将信号传回检波器，经过微处理器返回PC机。其具体操作步骤如下：

(201)应用NUMIS^Poly系统在初判异常区位置坝顶进行磁共振全息探测，在正式探测开始前，可通过试测评估不同匝数线圈对探测信号的影响程度，以提高信噪比。图5示出了本申请探测方法的一个实施例的MRS法探测线圈平面布置示意图。如图5所示，采用边长为25.0m的正方形线圈共进行了共10组MRS法探测，编号为001-010，ZK1、ZK2为地质钻孔。

在正式探测开始前，为校正仪器输入参数和获取较好的信噪比，在001～005线圈位置进行了场地噪音、线圈匝数及探测脉冲叠加次数等试测，以评估不同匝数线圈对探测信号的影响程度。图6示出了本申请探测方法的一个实施例的线圈不同匝数时信号与平均噪声数据示意图。图6中的(a)反映了在采用2匝线圈进行测试时，平均信噪比仅为1.03，如图6中的(b)所示，当采用4匝线圈进行测试时，信噪比显著提升至5.34，当匝数超过4匝时，信噪比提高程度不再明显甚至降低，说明线圈匝数增加对信噪比的提高影响存在一个临界值，需要根据隐患探测实际进行试验确定，因此在正式测试中，即006～010线圈位置，采用的线圈匝数为4匝，脉冲叠加次数为64次。

表2示出了本申请探测方法的MRS法探测工作参数的一个实施例。

表2(202)根据高密度电法测得的土体分层电阻率作为磁共振成像反演初始值，以有效提高MRS法探测的反演精度。其中，MRS信号强度E(t,q)幅值包络线按指数规律衰减：

式中E₀为最大初始脉冲，与含水地层的含水率成正比；q为激发场的强度即激发脉冲矩，与探测深度有关；ω_L为拉莫尔频率；t为具有拉莫尔频率的外部静磁场的作用时间；为自旋-自旋弛豫时间(通常为平均衰减时间)，与含水层的孔隙度有关；为MRS信号E⁰的初始相位，与被探测地层的导电率有关。

(203)根据反演成果，判断渗流异常区渗流水位、含水量、孔隙率等关键渗流隐患诊断信息，对高密度电法反演分析初判的渗流异常区进行校核。

步骤3、综合诊断确定渗漏隐患范围与程度，其具体操作步骤如下：以高密度电法的2维地电分布信息为基础，通过MRS法对电阻率异常区性质进行判别，综合诊断渗漏异常区域的范围与渗漏量级，为进一步加固处理提供依据。

在MRS探测数据反演分析中，坝体电阻率根据图3所示高密度电法探测成果直接输入，运行NUMIS^Poly系统自带的Samovar软件，进而反演得到坝体0～25.0m范围内随深度变化的含水层分布、信号衰减时间和渗透系数等探测成果。

图7中的(a)、(b)、(c)分别是本发明实施例中的0～25.0m范围内随深度变化的含水层分布、信号衰减时间T₂ ^*和渗透系数的探测成果示意图。图8中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是本发明实施例中的测试信号、含水率、透水率、信号衰减时间、ZK2地质探孔的测试成果示意图。图7中揭示了三个主要含水层：第一个含水层是在坝顶以下0～4.7m(高程1015.00m～1010.30m)范围内含水层，该含水层高程远高于蓄水池内水位(1002.00m)，所以并非是蓄水池内水体渗漏，可以确认为降雨入渗导致的较高含水量土体，这与高密度电法探测揭示的表层土体低电阻率异常区域情况一致。第二个含水层存在于坝顶以下9.0～11.0m范围内坝体，该层与高密度电法探测发现的8～11m范围内的坝体疑似渗漏通道相对应，但该层坝体最大含水率仅为17.5％，土体处于非饱和状态，因此该层并不是坝体的主要渗漏通道，如图8所示，地质钻孔ZK2未能揭示到该夹层的存在。第三个含水层存在于坝顶以下12.5m至坝基范围内，含水率很高，是坝体渗漏的主要通道。通过分析用于实验验证的地质钻孔ZK2的柱状图发现，MRS法揭示的坝顶以下12.5m至坝基存在的含水层与基础存在的强透水砂层对应，证明MRS法揭示的坝体含水层是准确的。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种地面磁共振法与高密度电法联合探测堤坝渗漏的方法，其特征在于，包括：

步骤(1)、首先通过高密度电法快速分析确定疑似电阻率异常区域，

步骤(2)、通过地面磁共振法MRS对疑似电阻率异常区域进行重点探测与异常区识别；

步骤(3)、综合地面磁共振法与高密度电法的探测结果，确定堤坝渗漏通道，诊断确定渗漏隐患范围与程度。

2.根据权利要求1所述的探测堤坝渗漏的方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体步骤如下：

101)电极布设：沿坝顶根据设计间距将电极打入设定深度，保证电极与土体接触良好，之后将导线与电极连接；

102)数据采集：根据测试要求设置电法仪采集参数；

103)数据预处理：将采集数据导入计算机，进行数据预处理，将坡面几何信息导入地电断面，进行地形修正；

104)电阻率成像：采用电阻率成像正反演软件进行实测数据成像，通过参数设定提高电阻率反演精度；

105)图形显示与异常分析：根据成像结果，分析电阻率异常区域，初步界定渗流异常区范围。

3.根据权利要求2所述的探测堤坝渗漏的方法，其特征在于，在步骤102)中，是采用“温纳-α”电极阵列模式进行数据采集。

4.根据权利要求1所述的探测堤坝渗漏的方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤如下：

201)应用核磁共振探测系统在初判异常区位置坝顶进行磁共振全息探测；

202)根据高密度电法测得的土体分层电阻率作为磁共振成像反演初始值，其中，MRS信号强度E(t,q)幅值包络线按指数规律衰减：

式中E₀为最大初始脉冲，与含水地层的含水率成正比；q为激发场的强度即激发脉冲矩，与探测深度有关；ω_L为拉莫尔频率；t为具有拉莫尔频率的外部静磁场的作用时间；为自旋-自旋弛豫时间，与含水层的孔隙度有关；为MRS信号E₀的初始相位，与被探测地层的导电率有关；

203)根据反演成果，判断渗流异常区包括渗流水位、含水量、孔隙率的关键渗流隐患诊断信息，对高密度电法反演分析初判的渗流异常区进行校核。

5.根据权利要求1所述的探测堤坝渗漏的方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体步骤为：以高密度电法的2维地电分布信息为基础，通过MRS法对电阻率异常区性质进行判别，综合诊断渗漏异常区域的范围与渗漏量级，为进一步加固处理提供依据。

6.根据权利要求2所述的探测堤坝渗漏的方法，其特征在于，在步骤101)中进行电极布设时，还包括通过优化线圈匝数的途径以提高探测信噪比，具体是在正式探测开始前，进行包括场地噪音、线圈匝数及探测脉冲叠加次数的试测，以评估不同匝数线圈对探测信号的影响程度。