CN110376275A - 一种基于磁场测量的堤坝渗漏连通性检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁场测量的堤坝渗漏连通性检测方法及其装置，该方法包括：在堤坝的两侧布设发射电极A和B，AB之间连接信号发射机，发射电极A位于管涌通道的出水口，发射电极B位于堤坝迎水坡一侧；获取信号发射机不供电时每个磁观测点上的背景磁感应强度矢量及供电时的总磁感应强度矢量，并分别计算每个磁观测点上的总磁感应强度矢量与背景磁感应强度矢量的差值得到磁异常矢量；其磁异常矢量的极大值对应的测点位置为管涌通道的渗漏入水口；测量每个磁观测点上的磁场旋度再根据传导电流密度汇聚方向得到流向渗漏通道的水流方向。本发明提供了一种全新的手段来实现渗漏连通性检测，尤其是可以检测出渗漏入水口。

Description

一种基于磁场测量的堤坝渗漏连通性检测方法及其装置

技术领域

本发明属于勘探地球物理技术领域，具体涉及一种基于磁场测量的堤坝渗漏连通性检测方法及其装置。

背景技术

目前，我国有各类防洪大堤26.5万公里，近9万座水库，其中大约有30％的土石坝和大堤存在各种不同程度的病险隐患，其表现形式为管涌和渗漏。堤坝隐患包括堤坝裂缝、堤坝滑坡、软土夹层、动物洞穴、堤(坝)基长期散浸渗漏、岩溶裂隙漏水等，其中管涌渗漏是造成堤坝溃口的主要原因。尤其在汛期，由于洪水的浸泡和高水头渗透作用，一些平时极难察觉的细小隐患很有可能发展成为重大险情，如不及时发现和处理这些险情，则可能造成严重的后果。因此，堤坝隐患探测一度成为研究热点。

目前我国虽然在堤坝隐患探测和汛期管涌等险情检测方面已进行了某些有益的技术探索，在上世纪90年代，中南大学基于流场法理论率先研制出了堤坝管涌渗漏检测仪，并生产出定型产品推广应用，取得了良好的效果。目前所使用的堤坝管涌渗漏仪均是在管涌通道出口至堤坝前水域间建立交流电场，利用局部电流密度或电场强度奇异变大的位置确定堤坝渗漏入口位置，现有的方法大部分是测量水中电流密度或电场强度来寻找堤坝渗漏入口的位置。但由于我国堤坝类型众多、结构多样、渗漏情况复杂，当前技术水平的探测精度和速度不能全面满足要求。由于磁场测量快速、操作方便、成本低，因此利用磁场测量来确定堤坝渗漏连通性十分有意义，可以为堤坝的管涌通道的快速检测提供一种新的手段，值得进一步深入研究。

而现有技术中利用磁场测量堤坝渗漏的技术也仅涉及堤坝管涌通道的位置确定，且是通过磁异常矢量来反演堤坝上的电流密度分布，其反演过程复杂；因此有必要提供一种更加简单，快捷的另一方式来确定渗漏入口以及水流方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁场测量的堤坝渗漏连通性检测方法及其装置，其可以利用磁场测量的方式来确定管涌通道的渗漏入口以及流向渗漏入口的水流方向，其中，首次利用磁场测量的方式来确定渗漏入口的位置，以及通过理论推理获知的磁感应强度矢量与电流密度的关系，进而通过测量磁场的旋度来得到水中电流密度，进而推导出流向渗漏通道的水流方向，其方式更加简单，便捷。

一种基于磁场测量的堤坝渗漏连通性检测方法，包括如下步骤：

获取信号发射机不供电时堤坝上每个磁观测点上的背景磁感应强度矢量以及供电时每个磁观测点上的总磁感应强度矢量，并分别计算每个磁观测点上的总磁感应强度矢量与背景磁感应强度矢量的差值得到每个磁观测点的磁异常矢量；

其中，在堤坝的两侧布设发射电极A和B，所述发射电极A位于管涌通道的出水口，所述发射电极B位于堤坝迎水坡一侧；

基于每个磁观测点的磁异常矢量获取管涌通道的渗漏入水口，磁异常矢量的极大值对应的测点位置为管涌通道的渗漏入水口；

测量每个磁观测点上的磁场旋度，再基于磁场旋度计算出每个磁观测点上的传导电流密度，再根据传导电流密度汇聚方向得到流向渗漏通道的水流方向，所述汇聚方向与所述水流方向相对应。。

其中，本发明的连通性检测主要是包含两个方面：管涌通道的渗漏入水口位置以及流向渗漏通道的水流方向。

关于管涌通道的渗漏入水口位置，当通过发射电极A和B注入电流信号时，电流沿着堤坝管涌通道产生的优先导电路径引导时，管涌通道中的电流会产生磁异常，本发明巧妙地将A电极置于管涌通道的出水口，若是渗漏入水口，该渗漏入水口由于与电极所在的出水口具有较好的连通性，此时渗漏入水口处传导电流的密度越大，其所产生的磁异常矢量的模值最大。

关于流向渗漏通道的水流方向，本发明通过研究理论推理获知磁感应强度矢量的磁场旋度与传导电流密度存在直接的关系，因此，本发明直接通过测量计算磁场旋度来计算出传导电流密度，其相较于利用磁异常矢量反演电流密度的方式提供了一种全新的计算思路，同时也更加便捷，简单。关于传导电流密度分布与水流方向的关系，管涌通道中肯定会因为水流流动而形成水流流动路径，其导电性会明显高于背景(岩石、黏土或水泥等非水物质)，因此，导电电流路径可以与堤坝管涌通道的水流流动路径相关联，进而本发明通过测量的方式得到水中传导电流密度分布，进而通过传导电流密度汇聚方向判断得到流向渗漏通道的水流方向。

优选地，每个磁观测点的磁场旋度的测量过程如下：

首先，在磁观测点上均利用磁传感模块中的每个磁传感器分别测量x、y、z方向的磁场分量；

其中，磁传感模块中设有四个磁传感器，所述四个磁传感器分别位于正四边体的四个顶点；

然后，根据每个磁传感器在x、y、z方向的侧脸的磁场分量计算出磁场分量在x、y、z方向上的导数；

式中，B_x、B_y、B_z表示在磁观测点上x、y、z方向的磁场分量，表示第i个磁传感器在k方向的磁场分量，w为任意两个磁传感器之间的距离，为偏导数符号，x方向平行堤坝轴向，y方向垂直堤坝并指向堤坝，z方向垂直水面并指向下；最后，根据如下公式计算出磁场旋度：

式中，表示磁观测点处的磁场旋度。

本发明为了测量计算磁场旋度，设计了上述测量及计算过程，通过正四边体四个顶点上的磁传感器来测量x、y、z方向的磁场分量进而计算出磁观测点上x、y、z方向的磁场分量，最后计算出磁场旋度，其实现过程简单便捷。

优选地，所述磁传感器为三分量感应式磁探头。

优选地，磁传感模块包括上下伸缩的托架以及两块平行米尺，所述托架位于两块平行米尺之间，所述磁传感器固定于托架上。

托架位于两块平行米尺之间，因此磁传感模块可以进行水平定位移动；同时，通过托架还可以调节磁传感器的入水深度。

优选地，基于磁场旋度按照如下公式计算出每个磁观测点上的传导电流密度：

式中，为磁场旋度，μ₀为自由空间的磁导率，J_c为传导电流密度。

优选地，磁异常矢量的值按照如下公式计算：

式中，B_sx、B_sy、B_sz分别为磁异常矢量B_s在x、y、z方向的分量，B_s为磁异常矢量B_s的大小。

优选地，所述信号发射机的发射信号为直流信号或者频率为0.1～380Hz的交流信号或伪随机信号。

此外，本发明还提供一种基于上述方法的装置，包括发射电极A和B、信号发射机、采集器以及分析处理器；

其中，发射电极A和B分别设置在提坝的两侧，所述发射电极A位于管涌通道的出水口，所述发射电极B位于堤坝迎水坡一侧，所述信号发射机连接于发射电极A和B，所述采集器设于磁观察点，用于采集磁观测点的磁感应强度矢量以及采集磁观测点处用于磁场旋度计算的磁场分量；

所述分析处理器与采集器连接，用于根据权利要求1所述的方法得到管涌通道的渗漏入水口以及流向渗漏通道的水流方向。

优选地，所述采集器包括接收器以及磁传感模块，所述磁传感模块和接收器均设有磁观测点，接收器用于采集磁观测点的磁感应强度矢量，磁传感器模块采集磁观测点处用于磁场旋度计算的磁场分量；

其中，所述磁传感模块包括上下伸缩的托架、两块平行米尺以及四个磁传感器，所述托架位于两块平行米尺之间，所述磁传感器固定于托架上，四个磁传感器分别位于正四边体的四个顶点。

有益效果

1、本发明给出了通过理论推理获知磁感应强度矢量与传导电流密度直接的关系，同时基于传导电流密度与管涌通道的关系可知，当获知水中传导电流密度分布可以判断出流向渗漏通道的水流方向，因此，本发明为了得到传导电流密度分布，基于磁感应强度矢量与传导电流密度直接的关系可以需要得到磁场旋度，因此，本发明通过测量计算磁场旋度可以直接得到传导电流密度，进而最终得到管涌附近的区域的传导电流密度分布，进而通过传导电流密度汇聚方向判断得到流向渗漏通道的水流方向，相较于利用磁异常矢量反演堤坝上电流密度的方式来确定渗漏通道的方式，本发明提供了一种全新的手段来得到水中传导电流密度，且方式更加简单和便捷，从而可以确定流向渗漏通道的水流方向。

2、本发明巧妙地将A电极置于管涌通道的出水口，若是渗漏入水口，该渗漏入水口由于电极所在的出水口具有较好的连通性，故此时渗漏入水口处磁异常的最大，因此本发明首次利用磁场测量的方式来确定渗漏入口，且基于磁场测量自身具有快速，操作方便，成本低，无需接地的优势，进而使得本发明可以更快速、高效低确定提坝渗漏点。

附图说明

图1为本发明基于磁场测量的堤坝渗漏连通性检测示意图。其中A、B为发射电极，A位于管涌通道的出水口，B位于土坝迎水坡一侧；I(ω,t)为供电电流；观测区域位于水库的水中。

图2为正四面体磁梯度测量观测系统，其中F1、F2、F3和F4分别为三分量磁力仪，边长均为w。

图3为过堤脚线、距堤10m以及距堤20m的三个YZ断面内的电流密度矢量分布图。其中图c为过堤脚线，图b为距堤10m，图a为距堤20m；箭头表示电流密度的方向，虚线表示渗漏的走向。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。

本发明提供的一种基于磁场测量的堤坝渗漏连通性检测方法与装置，其基于磁场测量的方式来监测堤坝渗漏。如图1所示，本发明实施例设计了一斜穿堤防的管涌通道，管涌通道位于堤防与基岩的结合部位，管涌通道沿X方向宽4m，沿Z方向高2m出水口位于背水坡坡脚X方向28m～32m处，入水口位于迎水坡坡脚X方向18m～22m处。为了监测该堤坝的渗漏情况，本发明在堤坝的两侧布设发射电极A和B，发射电极A位于管涌通道的出水口，发射电极B位于堤坝迎水坡一侧，且尽量远离管涌通道的渗流入口处，其中，虽然渗流入口处是待检测的，但是从水面上观测是可以看到管涌的现象，根据水流的流量可以大致判断出渗流入口处的范围，因此，发射电极B避开该范围。在发射电极A和B之间设有信号发射机，信号发射机为发射电极A、B供电，基于上述布置，执行本发明的一种基于磁场测量的堤坝渗漏连通性检测方法，包括如下步骤：

S1：获取信号发射机不供电时堤坝上每个磁观测点上的背景磁感应强度矢量以及供电时每个磁观测点上的总磁感应强度矢量，并分别计算每个磁观测点上的总磁感应强度矢量与背景磁感应强度矢量的差值得到每个磁观测点的磁异常矢量。

其中，在测量区域布置磁观测点，磁观测点的排布可以是根据实际需要来设定，应当理解，越加密集最终的监测结果更加准确。在磁观测点利用接收器采集磁观测点的磁感应强度矢量。首先，在没有供电的情况下，用接收器(磁探头)测量各个磁观测点的背景磁感应强度矢量B₀，在供电的情况下，用接收器(磁探头)测量各个磁观测点的总磁感应强度矢量B_T，再分别计算每个磁观测点上的总磁感应强度矢量与背景磁感应强度矢量的差值得到每个磁观测点的磁异常矢量B_s＝B_T-B₀。

S2：基于每个磁观测点的磁异常矢量获取管涌通道的渗漏入水口，磁异常矢量的极大值对应的测点位置为管涌通道的渗漏入水口。其中，按照如下公式计算出每个磁观测点上磁异常矢量的大小：

式中，B_sx、B_sy、B_sz分别为磁异常矢量B_s在x、y、z方向的分量，B_s为磁异常矢量B_s的大小。

S3：测量每个磁观测点上的磁场旋度，再基于磁场旋度计算出每个磁观测点上的传导电流密度，再根据传导电流密度汇聚方向得到流向渗漏通道的水流方向，所述汇聚方向与所述水流方向相对应。

根据如下磁场旋度与传导电流密度的关系式可知，再已知磁场旋度的前提下可以得到传导电流密度。

式中，为磁场旋度，μ₀为自由空间的磁导率，J_c为传导电流密度。

为了测量出各个磁观测点对应的磁场旋度，本发明设计了磁传感器模块，磁传感模块包括上下伸缩的托架、两块平行米尺以及四个磁传感器，托架位于两块平行米尺之间，因此磁传感器模块可以进行水平定位移动。此外，托架可以上下伸缩用于传感器的入水深度，磁传感器固定于托架上，四个磁传感器分别位于正四边体的四个顶点，即四个磁传感器的连线构成一个正四面体，任意两个磁传感器之间的距离均为w。利用上述磁传感器模块，在磁观测点同时进行测量，每个磁传感器均同时测量磁场的x、y、z方向的磁场分量表示第i个磁传感器在k方向的磁场分量。其中，x方向平行堤坝轴向，y方向垂直堤坝并指向堤坝，z方向垂直水面并指向下。再然后，根据在磁观测点上x、y、z方向的磁场分量B_x、B_y、B_z在x、y、z方向上的导数，如下：

再根据如下公式计算出磁场旋度：

式中，表示磁观测点处的磁场旋度。

基于上述方法，本发明提供一种基于磁场测量的堤坝渗漏连通性检测装置，包括发射电极A和B、信号发射机、采集器以及分析处理器；

如图1所示，发射电极A和B分别设置在提坝的两侧，发射电极A位于管涌通道的出水口，发射电极B位于堤坝迎水坡一侧，信号发射机连接于发射电极A和B，本实施例中其发射信号为直流信号或者频率为0.1～380Hz的交流信号或伪随机信号。采集器设于磁观察点，用于采集磁观测点的磁感应强度矢量以及采集磁观测点处用于磁场旋度计算的磁场分量。本实施中采集器包括接收器以及磁传感模块，接收器用于步骤S1中采集磁观测点的磁感应强度矢量。磁传感器模块用于步骤S3中采集磁观测点处用于磁场旋度计算的磁场分量。磁传感模块包括上下伸缩的托架、两块平行米尺以及四个磁传感器，所述托架位于两块平行米尺之间，所述磁传感器固定于托架上，四个磁传感器分别位于正四边体的四个顶点，磁传感器为三分量感应式磁探头。

分析处理器与采集器连接，用于上述方法得到管涌通道的渗漏入水口以及流向渗漏通道的水流方向，完成堤坝渗漏连通性的检测。

为了验证本发明所述方法，截取了过堤脚线、距堤10m以及距堤20m的三个xz断面内的电流密度矢量进行分析，各剖面矢量分布图3。从图3可知，在存在管涌渗漏等堤防隐患的情况下，由于管涌通道的影响，xz平面内传导电流密度矢量的汇聚中心偏离于供电点中线，随着离堤距离的减小，传导电流密度矢量的汇聚点逐渐向管涌通道偏移，在管涌通道入水口部位(图3(c))，汇聚点落于渗漏入水口部位。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于磁场测量的堤坝渗漏连通性检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

获取信号发射机不供电时堤坝上每个磁观测点上的背景磁感应强度矢量以及供电时每个磁观测点上的总磁感应强度矢量，并分别计算每个磁观测点上的总磁感应强度矢量与背景磁感应强度矢量的差值得到每个磁观测点的磁异常矢量；

其中，在堤坝的两侧布设发射电极A和B，所述发射电极A位于管涌通道的出水口，所述发射电极B位于堤坝迎水坡一侧，发射电极A和B连接信号发射机；

基于每个磁观测点的磁异常矢量获取管涌通道的渗漏入水口，磁异常矢量的极大值对应的测点位置为管涌通道的渗漏入水口；

测量每个磁观测点上的磁场旋度，再基于磁场旋度计算出每个磁观测点上的传导电流密度，再根据传导电流密度汇聚方向得到流向渗漏通道的水流方向，所述汇聚方向与所述水流方向相对应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：每个磁观测点的磁场旋度的测量过程如下：

首先，在磁观测点上均利用磁传感模块中的每个磁传感器分别测量x、y、z方向的磁场分量；

其中，磁传感模块中设有四个磁传感器，所述四个磁传感器分别位于正四边体的四个顶点；

然后，根据每个磁传感器在x、y、z方向的侧脸的磁场分量计算出磁场分量在x、y、z方向上的导数；

式中，B_x、B_y、B_z表示在磁观测点上x、y、z方向的磁场分量，表示第i个磁传感器在k方向的磁场分量，w为任意两个磁传感器之间的距离，为偏导数符号，x方向平行堤坝轴向，y方向垂直堤坝并指向堤坝，z方向垂直水面并指向下；最后，根据如下公式计算出磁场旋度：

式中，表示磁观测点处的磁场旋度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述磁传感器为三分量感应式磁探头。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：磁传感模块包括上下伸缩的托架以及两块平行米尺，所述托架位于两块平行米尺之间，所述磁传感器固定于托架上。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基于磁场旋度按照如下公式计算出每个磁观测点上的传导电流密度：

式中，为磁场旋度，μ₀为自由空间的磁导率，J_c为传导电流密度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：磁异常矢量的值按照如下公式计算：

式中，B_sx、B_sy、B_sz分别为磁异常矢量B_s在x、y、z方向的分量，B_s为磁异常矢量B_s的大小。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述信号发射机的发射信号为直流信号或者频率为0.1～380Hz的交流信号或伪随机信号。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述方法的装置，其特征在于：包括发射电极A和B、信号发射机、采集器以及分析处理器；

其中，发射电极A和B分别设置在提坝的两侧，所述发射电极A位于管涌通道的出水口，所述发射电极B位于堤坝迎水坡一侧，所述信号发射机连接于发射电极A和B，所述采集器设于磁观察点，用于采集磁观测点的磁感应强度矢量以及采集磁观测点处用于磁场旋度计算的磁场分量；

所述分析处理器与采集器连接，用于根据权利要求1所述的方法得到管涌通道的渗漏入水口以及流向渗漏通道的水流方向。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述采集器包括接收器以及磁传感模块，所述磁传感模块和接收器均设有磁观测点，接收器用于采集磁观测点的磁感应强度矢量，磁传感器模块采集磁观测点处用于磁场旋度计算的磁场分量；

其中，所述磁传感模块包括上下伸缩的托架、两块平行米尺以及四个磁传感器，所述托架位于两块平行米尺之间，所述磁传感器固定于托架上，四个磁传感器分别位于正四边体的四个顶点。