CN111580169A - 一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测系统及方法，属于测量、测试的技术领域。在探测时，将电极棒分别置于坝体两侧，利用伪随机电流发射机产生交变电流，在坝体内部产生交变电场；利用布置在坝体顶部的磁场测量系统测量空间磁场变化情况，利用相关计算得到坝体内部电场所产生的磁异常分布，进而推测渗流通道的位置。以坝体内部渗漏通道的电性差异为基础，通过观察坝体内磁场异常分布情况实现渗漏通道的高精度探测，灵敏度高，抗干扰能力强。

Description

一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测系统及方法

技术领域

本发明涉及地球物理探测领域，具体指一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测系统及方法，属于测量、测试的技术领域。

背景技术

随着我国经济的快速发展，我国的水利工程建设项目日益增多，工程的安全问题愈发得到人们的关注。渗漏通道的存在一直是坝体工程的重大安全隐患，对渗漏通道的探测、治理也一直是人们重点研究的内容。而在现阶段的探测手段中，电磁勘探技术是进行渗漏通道探测的有效手段。

由于地下水的存在，渗漏通道处的电阻值与其它地方相比有明显不同，具体表现为低阻异常，因此，利用电磁勘探对渗漏通道进行探测具有明显的技术优势。现阶段对渗漏通道进行探测的电法勘探技术主要是高密度电法，该方法技术成熟，探测方便，一次布线多点测量，自动化率高，但由于电流随深度的增加会迅速衰减，灵敏度不高，探测深度及精度往往不能满足工程要求。

相比之下，磁法勘探利用对空间磁场进行测量，通过磁场的大小来推测地下电场分布，进而推断渗漏通道的位置。磁场对电场的变化极为敏感，因此，磁法勘探的灵敏度足够高，故其探测深度可满足实际的生产需求。但传统的磁法勘探所得的磁场强度极易受到外界噪声影响，抗干扰能力差，往往需要进行大量的降噪处理。

总而言之，传统的电磁勘探技术各有优势，可在一定程度上对渗漏通道进行探测，但各自存在的缺陷使之对使用条件较高，在堰塞坝这种复杂的地质条件中难以满足实际的生产需要。本发明旨在提出一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测方法以提高探测深度及灵敏度。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测系统及方法，该方法可对空间范围内三个方向的磁场及其变化同时进行测量，利用相关辨识原理计算磁场分布，提高了勘探精度，解决了传统电法勘探灵敏度不高、探测精度和深度难以满足工程要求以及传统磁法勘探易受外界噪声影响、抗干扰能力差的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明所设计的一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测方法，使用伪随机电流发射机代替传统的电流发射系统，使用伪随机交变电流来代替传统的交变电流，使之能够进行所发射电流的自相关计算；并将传统磁通门磁力仪三个方向的线圈输出端与伪随机码接收机相连接，使之能够进行所测磁场与所发射电流的互相关计算，从而降低外部环境干扰，提高勘探精度。

测量时，将电极棒分别置于坝体两侧，并使用伪随机编码发生器产生的伪随机二进制序列驱动交流电源发射大小为±I的随机交变电流，在坝体内部形成交变电场，在空间范围内产生磁场；磁场测量系统布置在大坝顶部，其测线垂直于两电极棒的连线，两相邻测线的间隔取决于坝体的径向宽度及探测深度要求；磁场测量系统可测量三个方向的磁场强度大小及变化情况并在接收机内与伪随机电流发射机发射的随机交变电流进行互相关计算；测量完成后使用傅里叶变换及相关计算来得到坝体内部电场所产生的磁异常分布，从而进一步反演推测渗漏通道的位置。

一种利用上述装置的堰塞坝抗干扰渗漏通道探测方法，它包括如下步骤：

步骤1：将电场电极棒分别置于坝体两侧，下游电极放置在渗漏水域或其它下游水域，上游电极放置在远离大坝表面的水体中；

步骤2：接通电源，利用伪随机编码发生器驱动电源发射大小为±I、周期为T的随机交变电流，在坝体内部形成交变电场，伪随机编码发生器对发射的随机电流I进行自相关计算，具体可表示为：

步骤3：磁场测量系统在坝体顶部沿预先设置的测线进行逐点测量，得到总的磁场强度Z,并对其与发射的随机电流进行互相关计算，具体可表示为：

步骤4：对步骤2中伪随机编码发生器所计算得到的自相关函数及步骤3中接收机所计算得到的互相关函数进行傅里叶变换，得到电流I的自功率谱函数以及磁场强度与电流I的互功率谱函数，具体可表示为：

步骤5：对步骤4中的功率谱函数进行相关计算，可得到坝体内部的电场所生成磁场的频散函数，具体可表示为：

其中，H(jω)即为坝体内的电场所生成磁场的频散函数，根据该频散函数可绘制测量区域的磁场分布图，由于渗漏通道的存在，渗漏通道存在的坝体内的磁场会出现明显异常，可根据测量区域磁异常的分布推测坝体内部渗漏通道的位置。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明针对堰塞坝复杂的地质条件，设计了一种磁场测量系统不需接地电极的抗干扰渗漏通道探测方法，装置便携，使空间磁场的测量更加简单，同时避免了电极与大地接触导致的电化学作用产生的影响，使勘探结果更加精确。

(2)在供电电缆的布置上，本发明采用“U”字型布设，使得其对测量区域的磁场干扰大大降低，且“U”字型布设使后期对电缆的降噪处理更加简便。

(3)本发明使用伪随机电流代替传统交变电流，利用相关辨识原理进行磁场的降噪处理，不仅探测深度大，而且装置灵敏度高，抗干扰能力强。

(4)采用本发明探测渗漏通道无需在测量时测定待测区域背景值，操作更加简单。

因此，本发明所提供的一渗漏通道探测方法，其探测深度大，灵敏度高，抗干扰能力强，是探查堰塞坝渗漏通道的有效方法。

附图说明

图1为本发明堰塞坝抗干扰渗漏通道探测方法的装置布设侧视图；

图2为本发明堰塞坝抗干扰渗漏通道探测方法的装置布设俯视图。

图3为本发明堰塞坝抗干扰渗漏通道探测方法的磁场测量系统装置图。

图4为本发明堰塞坝抗干扰渗漏通道探测方法的流程图。

图中标号说明：1、上游电极，2、下游电极，3、伪随机电流发射机，4、供电电缆，5、渗漏通道，6、测线，7、磁场测量系统，7.1、GPS定位仪，7.2、磁通门磁力仪，7.3、伪随机码接收机，7.4、蓄电池，8、异常磁场，9、水体。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明公开的一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测方法，采用图1、图2所示的装置实现，该装置包括：上游电极1、下游电极2、伪随机电流发射机3以及磁场测量系统7。测量时，上游电极1放置在大坝上游区域，下游电极2放置在大坝下游区域；伪随机电流发射机3通过供电电缆4与上游电极1、下游电极2相连，工作时伪随机电流发射机3生成发射随机交变电流，与大地系统构成回路；磁场测量系统7布置在坝体顶部，沿测线6逐点测量全空间范围内的磁场变化情况，并通过相关辨识计算进行去噪分析得到各测点位置的磁异常情况。

电极的放置情况是重要的一环，上游电极1在布置时放置在远离大坝表面的水体中，下游电极2放置在渗漏或其它下游水域，两电极间隔取决于堰塞坝的径向宽度及探测深度要求，两电极之间间隔越大，其可探测深度越深。

伪随机电流发射机3通过供电电缆4与上游电极1、下游电极2相连，将生成的伪随机电流注入地下，与大地系统构成回路。由于渗漏通道5的存在，导致坝体内部电性不均匀，电流沿渗流方向流动，进而在空间范围内产生异常磁场，具体表现为在渗漏通道上方其水平磁场异常增大，在渗漏通道两侧其竖直方向磁场异常增大。

供电电缆4产生的磁场会对测量结果造成影响，因此供电电缆布置形状呈“U”字型，且在布置时应尽量放置在远离大坝待测区域的位置，至少达到2～3公里。

如图3所示，磁场测量系统7主要包括GPS定位仪7.1，三分量的磁通门磁力仪7.2以及伪随机码接收机7.3。三分量的磁通门磁力仪7.2可测量全空间的磁场变化情况；伪随机码接收机7.3通过GPS定位仪7.1与伪随机电流发射极3同步；磁通门磁力仪7.2由蓄电池7.4供电，磁通门磁力仪7.2三个方向的线圈输出端与伪随机码接收机7.3相连，伪随机码接收机7.3可对接收到的总磁场强度与发射的随机电流进行互相关计算。

磁场测量系统7沿所布置的测线6在每条测线上逐点进行测量，以测线6垂直于两电极连线方式布置测线，相邻测线之间间隔10～15m；每个测点进行至少两次的数据测量，若两次测量数据差异大于1％，则需重新测量，每个测点的测量时间取决于伪随机编码发生器设置的码片宽度与长度，每个测点测量用时一般为10～15分钟。

本发明利用相关辨识原理进行磁场的降噪处理，故无需测定待测区域的磁场背景值，且精度可达到探测要求。

一种利用上述装置的探测堰塞坝渗漏通道的方法如图4所示，包括如下5个步骤。

步骤1：将上游电极1、下游电极2分别置于堰塞坝内外两侧，上游电极1放置在远离大坝表面的水体中，下游电极2放置在渗漏或其它下游水域。

步骤2：伪随机电流发射机3通过供电电缆4与上游电极1、下游电极2相连，接通电源，使伪随机电流发射机3发射大小为±I、周期为T的随机电流，在坝体内部形成交变电场，伪随机电流发射机3对发射的随机电流I进行自相关计算，具体可表示为：

步骤3：磁场测量系统7在坝体顶部沿预先设置的测线6进行逐点测量，得到总的磁场强度Z(t),并对Z(t)与伪随机电流发射机3发射的随机电流I(t)进行互相关计算，具体可表示为：

步骤4：对步骤2中的伪随机电流发射机3所所计算得到的自相关函数及伪随机码接收机7.3所计算得到的互相关函数进行傅里叶变换，得到电流I的自功率谱函数以及总磁场强度与电流I的互功率谱函数，具体可表示为：

步骤5：对步骤4中的功率谱函数进行相关计算，可得到坝体内部的电场所生成磁场的频散函数，具体可表示为：

其中，H(jω)即为坝体内的电场所生成磁场的频散函数，根据该频散函数可绘制测量区域的磁场分布图，由于渗漏通道的存在，渗漏通道存在的坝体内的磁场会出现明显异常，可根据测量区域磁异常的分布推测坝体内部渗漏通道的位置。

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，以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想在技术方案上所做的任何改动均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测系统，其特征在于，包括：

上游电极，放置在远离大坝表面的水体中；

下游电极，放置在渗漏水域或下游水域；

伪随机电流发射机，与上游电极、下游电极相连向大地系统注入随机交变电流，输出随机交变电流的自相关函数并提取随机交变电流自功率谱函数；及，

置于坝体顶部的磁场测量系统，测量坝体内部的总磁场强度，输出总磁场强度与随机交变电流的互相关函数并提取总磁场强度与随机交变电流的互功率谱函数，根据随机交变电流自功率谱函数、总磁场强度与随机交变电流的互功率谱函数得到坝体内部电场所生成磁场的频散函数。

2.根据权利要求1所述一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测系统，其特征在于，伪随机电流发射机包括伪随机编码器及交流电源，伪随机编码器产生的随机二进制序列驱动交流电源发射随机交变电流，伪随机编码器对随机交变电流进行自相关计算得到随机交变电流自功率谱函数。

3.根据权利要求1所述一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测系统，其特征在于，磁场测量系统包括：

GPS定位仪，采集伪随机电流发射机的位置信息并实现与发射机及接收机的信号同步；

磁通门磁力仪，其线圈输出端与伪随机码接收机相连，输出坝体内部的总磁场强度；及，

伪随机码接收机，接收伪随机电流发射机的位置信息以及坝体内部的总磁场强度，对总磁场强度与随机交变电流进行互相关计算得到互功率谱函数，接收随机交变电流自功率谱函数，再结合总磁场强度与随机交变电流的互功率谱函数得到坝体内部电场所生成磁场的频散函数。

4.根据权利要求1所述一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测系统，其特征在于，所述坝体内部电场所生成磁场的频散函数为总磁场强度与随机交变电流的互功率谱函数与随机交变电流自功率谱函数的比值。

5.根据权利要求3所述一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测系统，其特征在于，所述磁通门磁力仪由蓄电池供电。

6.一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测方法，其特征在于，将上游电极放置在远离大坝表面的水体中，将下游电极放置在渗漏水域或下游水域中，将上游电极、下游电极与伪随机电流发射机相连构成向大地系统注入随机交变电流的回路，通过置于坝体顶部的磁测量系统对坝体内部的磁场强度逐点测量获得坝体内部的总磁场强度，计算随机交变电流的自相关函数、总磁场强度与随机交变电流的互相关函数，对随机交变电流的自相关函数、总磁场强度与随机交变电流的互相关函数进行频域变换获得坝体内部电场所生成磁场的频散函数，根据频散函数绘制坝体内部的磁场分布图，由磁场的异常分布反演推测渗漏通道的位置。

7.根据权利要求6所述一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测方法，其特征在于，通过置于坝体顶部的磁测量系统对坝体内部的磁场强度逐点测量的方法为：在坝体顶部绘制多条垂直于上下游电极连线的测线，根据坝体的径向宽度及探测深度要求确定两相邻测线的间隔，对每条测线上的每个测点进行测量。

8.根据权利要求6所述一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测方法，其特征在于，所述上游电极、下游电极通过布设在远离待测区域的U型供电电缆与伪随机电流发射机相连。

9.根据权利要求7所述一种用于堰塞坝渗漏通道的抗干扰探测方法，其特征在于，对每个测点进行至少两次测量，直至多次测量数据满足精度要求。

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