CN114114433B - 全张量梯度的坝体渗漏通道探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全张量梯度的坝体渗漏通道探测装置及方法,优化了电磁场发射装置，可有效消除环境中的电磁干扰；采用由多个垂直距离相等的三分量磁通门传感器组成的全张量梯度磁测装置，利用多个三分量磁通门传感器测量坝体某位置的多个磁分量，能够直接计算多个磁梯度，直接解算传导电流密度，解决了多解性和误差问题；采用无人机航测模式有效解决了坝体面板数据采集困难的问题，提高了外业工作效率，降低了劳动强度，有利于大范围快速巡检坝体的渗漏隐患。
Description
技术领域
本发明涉及坝体渗漏通道探测领域，尤其是涉及全张量梯度的坝体渗漏通道探测方法。
背景技术
针对土石库坝体渗漏问题，常规物探方法包括高密度电法、地质雷达法、自然电场法等，这些方法都是以地面测线形式开展，遇到堤坝体面板斜坡难以有效完成全断面探测任务，且简单的几条测线覆盖面不够，容易造成漏判和误判；同时，依靠的测量值容易出现干扰和误差，渗漏通道造成的测量值异常并不明显。
目前，有学者利用磁场进行库坝渗漏通道检测，基本是采用单个三分量磁传感器的地面测量方式，这种方式通过测量供电前测点背景磁场和供电后测点磁场的差值获取每个测点的磁异常值，但该方法受外界人文及建筑物的电磁干扰严重，利用已有处理技术难以有效消除干扰；其次，磁场梯度信息与渗漏通道关系紧密，而计算三分量磁梯度最少需要4个磁传感器，但该方法无法直接计算磁梯度并解算传导电流密度，只能通过反演方法获取，存在多解性和误差；最后该方法同样面临坝体面板数据采集困难的问题，外业工作时间较长，不利于大范围渗漏隐患的快速巡检。
发明内容
本发明目的在于提供一种全张量梯度的坝体渗漏通道探测装置，本发明的另一目的在于提供一种全张量梯度的坝体渗漏通道探测装置方法。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述一种基于机载磁场全张量梯度的坝体渗漏通道探测装置，包括发射电极、发射机、全张量梯度磁测装置和搭载集成控制系统的无人机；
所述发射电极，放置在坝体的两侧，并通过电缆线连通；同时坝体两侧的发射电极又分别通过电缆线与所述发射机连通，形成电回路；
发射机，用于向所述电回路中发射包含多种频率的电信号；
所述全张量梯度磁测装置，包括固定在立体框架顶点处的若干个三分量磁通门传感器，用于检测坝体各点的多个磁分量；
所述集成控制系统，用于控制所述无人机，并收集全张量梯度磁测装置检测到的磁分量及无人机的姿态信息以及位置信息；
全张量梯度磁测装置通过伸缩连杆与无人机连接，通过USB接口与集成控制系统相连，实现无人机航测坝体各点的磁分量数据。
进一步地，在坝体迎水面，所述发射电极放置在水中；在坝体背水面，发射电极放置在坝体疑似渗漏点或电极坑内；
同侧存在多个发射电极时，多个发射电极需通过电缆并联成为一个整体。
优选地，所述立体框架为正立方体框架。
优选地，相邻两个所述三分量磁通门传感器中心点之间的距离相等，且大于等于0.5米。
本发明所述一种全张量梯度的坝体渗漏通道探测方法，包括以下步骤：
S1，在坝体迎水面和背水面布设发射电极，并用电缆线连接；
S2，迎水面所述发射电极和背水面发射电极分别与发射机连接，形成电回路，并供入多种频率的电信号；
S3，使用伸缩连杆连接全张量梯度磁测装置和无人机，并通过USB接口连接所述全张量梯度磁测装置与所述无人机上的集成控制系统；
S4，控制无人机在坝体被探测区域低空测量多条测线，收集坝体各点的多个磁分量；
S5，找到坝体各点受外界磁场干扰最小且频率域相同的多个磁分量；
S6，计算坝体各点的若干个磁梯度；
S7，根据所述磁梯度解算传导电流密度，确定坝体渗漏通道。
进一步地，S1步中，在坝体迎水面布设的所述发射电极放置在水中；在坝体背水面布设发射电极放置在坝体疑似渗漏点或电极坑内，同侧存在多个发射电极时，同侧的多个发射电极需通过电缆并联成为一个整体。
进一步地，S3步中，所述全张量梯度磁测装置，包括固定在立体框架顶点处的若干个三分量磁通门传感器，用于检测坝体各点的多个磁分量。
优选地，相邻两个所述三分量磁通门传感器中心点之间的距离相等，且大于等于0.5米。
进一步地，S3步中，所述集成控制系统，用于控制所述无人机，并收集所述全张量梯度磁测装置检测到的磁分量数据及无人机的姿态信息以及位置信息。
本发明优点在于优化了电磁场发射装置，可有效消除环境中的电磁干扰；采用由多个垂直距离相等的三分量磁通门传感器组成的全张量梯度磁测装置，利用多个三分量磁通门传感器测量坝体某位置的多个磁分量，能够直接计算多个磁梯度，直接解算传导电流密度，解决了多解性和误差问题；采用无人机航测模式有效解决了坝体面板数据采集困难的问题，提高了外业工作效率，降低了劳动强度，有利于大范围快速巡检坝体的渗漏隐患。
附图说明
图1为本发明所述装置的发射电极布设示意图。
图2为本发明所述装置的发射机组成示意图。
图3为本发明所述装置的立方体框架示意图。
图4为本发明所述装置的全张量梯度磁测装置正视图。
图5为本发明所述装置的集成控制系统示意图。
图6为本发明所述装置的无人机与全张量梯度磁测装置连接示意图。
图7为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
本发明所述全张量梯度的坝体渗漏通道探测装置，包括发射电极2、发射机3、全张量梯度磁测装置和搭载集成控制系统的无人机；
如图1所示，所述发射电极2，放置在坝体1的两侧，在坝体1迎水面时，发射电极2放置在水中；在坝体1背水面时，发射电极2放置在坝体1疑似渗漏点或电极坑内。
电极坑需满足深度不小于0.8m，相邻坑距不小于3m，数量不少于3个，放入导电材料后，夯土压实，保证接地良好。
导电材料一般采用厚度为1mm铝箔，并在上浇导电的氯化钠溶液，然后夯土压实，保证接地良好，也可以采用多根柱电极并联。
坝体每侧的发射电极2也可以是由多个位于同侧不同位置的独立导电材料并联形成的整体，即同侧存在多个发射电极2时，同侧的多个发射电极2需通过电缆线4并联成为一个整体。
两侧的发射电极2通过电缆线4连通，再分别通过电缆线4与发射机3连通，形成一个电回路。
如图2所示，发射机3，用于向电回路中发射包含多种频率的电信号，其由发电机组、可编程直流电源、逆变发送器、张量发射信号控制器、全波形电流测量器、GPS同步装置构成。其中，发电机组，用于提供三相交流电；可编程直流电源，用于将三相交流电整流为直流电，或处理为低频交流电，为发射机提供动力；逆变发送器，用于控制发射机电信号的电压；张量发射信号控制器，用于控制发射机电信号的发射频率，发射时间和发射电流强度；全波形电流测量器，用于监测电回路中电信号的实际参数；所述实际参数包括电压、发射频率，发射时间和发射电流强度；GPS同步装置，用于同步发射机发射的电信号和全波形电流测量器监测到的电信号；本实施例中发射机发射的电信号参数范围为：电压1~300v；发射电流0.1~20A；发射功率3.0kw，发射频率0.0117Hz~3000Hz；GPS同步精度为0.1μS；发射时间可根据需要设定。在使用时，发射机向电回路中同时供入包含多个频率的电信号，每个频率的电信号受外界人文及建筑物和空气天然场电磁干扰程度均不相同，在采集数据后，通过将数据转换为频率域数据，可以方便的剔除受受外界人文及建筑物和空气天然场电磁干扰大的数据，从而可有效消除环境中的电磁干扰。
如图3、图4所示，全张量梯度磁测装置，包括固定在立体框架顶点处的若干个三分量磁通门传感器6，用于检测坝体1各点的多个磁分量；本实施例采用了立方体框架5，在立方体框架5的8个顶点出固定有8个三分量磁通门传感器6，可以在坝体每个点采集到24个磁分量。其中，相邻两个三分量磁通门传感器6中心点之间的距离均为0.5米。三分量磁通门传感器6量程为±100μT，带宽为直流~1KHz，线性度≤0.01%FS，正交度≤±0.2°，频域噪声≤6pT/rms√Hz@1Hz。
如图5所示，所述集成控制系统，由数据采集模块、通讯模块、惯性系统及GPS模块、工控机模块构成，用于控制所述无人机，并收集全张量梯度磁测装置检测到的磁分量数据及无人机的姿态信息以及位置信息；
其中，数据采集模块采样频率为100~5KHz，采样通道为24通道；采集全张量梯度磁测装置检测到的坝体各点的磁分量，并将磁分量转化为模拟电压信号，输入工控机模块；惯性系统通过记录无人机姿态信息，包括航向、俯仰、横滚的角度，校正三分量磁通门传感器6；其定向精度不低于10弧秒，即0.0028°。GPS模块用于记录无人机的位置信息，作为磁分量的位置信息；其发射频率不小于10Hz；工控机模块通过通讯模块向地面操作人员的传递信息，用于控制无人机和集成控制系统。
如图6所示，全张量梯度磁测装置通过立方体框架5的4个顶点处的伸缩连杆与无人机连接，通过USB接口与集成控制系统相连，实现无人机航测坝体各点的磁分量。
本发明所述装置的工作原理为：发射电极2和发射机3构成电回路，发射机3在电回路中同时施加多种频率的电信号后，电信号在迎水面发射电极2和背水面发射电极2之间产生二次电磁信号；携带全张量梯度磁测装置的无人机，对坝体各位置点的二次电磁信号进行检测收集。之后将收集到的数据转换为频率域数据，去除数据中受外界人文及建筑物和空气天然场电磁干扰的数据，然后依据收集的电磁信号计算出坝体每个点的若干个磁梯度，利用磁梯度直接解算传导电流密度，从而确认坝体中渗漏通道的位置。
如图7所示，本发明所述全张量梯度的坝体渗漏通道探测方法，采用了上述全张量梯度的坝体渗漏通道探测装置，在使用时：
S1，在坝体迎水面和背水面布设发射电极2，并用电缆线4连接；
所述发射电极2，放置在坝体1的两侧，在坝体1迎水面时，发射电极2放置在水中；在坝体1背水面时，发射电极2放置在坝体1疑似渗漏点或电极坑内。
电极坑需满足深度不小于0.8m，相邻坑距不小于3m，数量不少于3个，放入导电材料后，夯土压实，保证接地良好。
导电材料一般采用厚度为1mm铝箔，并在上浇导电的氯化钠溶液，然后夯土压实，保证接地良好，也可以采用多根柱电极并联。
S2，迎水面发射电极2和背水面发射电极2分别与发射机3连接，形成电回路，并供入多频率电信号；
迎水面发射电极2和背水面发射电极2有多个时，先将迎水面发射电极2并联成一个整体的发射电极2，再将背水面发射电极2并联成一个整体的发射电极2，两侧的两个整体发射电极2通过电缆线4连通，再分别分别通过电缆线4与发射机3连通，形成一个电回路。
其中，发射机3用于向电回路中发射包含多个频率的电信号，其由发电机组、可编程直流电源、逆变发送器、张量发射信号控制器、全波形电流测量器、GPS同步装置构成。发电机组，用于提供三相交流电；可编程直流电源，用于将三相交流电整流为直流电，或处理为低频交流电，为发射机提供动力；逆变发送器，用于控制发射机电信号的电压；张量发射信号控制器，用于控制发射机电信号的发射频率，发射时间和发射电流强度；全波形电流测量器，用于监测电回路中电信号的实际参数；所述实际参数包括电压、发射频率，发射时间和发射电流强度；GPS同步装置，用于同步发射机发射的电信号和全波形电流测量器监测到的电信号；本实施例中中发射机发射的电信号参数范围为：电压1~300v；发射电流0.1~20A；发射功率3.0kw，发射频率0.0117Hz~3000Hz；GPS同步精度为0.1μS；发射时间可根据需要设定。在使用时，发射机向电回路中同时供入包含多个频率的电信号，每个频率的电信号受外界人文及建筑物和空气天然场电磁干扰程度均不相同，在采集数据后，通过将数据转换为频率域数据，可以方便的剔除受受外界人文及建筑物和空气天然场电磁干扰大的数据，从而可有效消除环境中的电磁干扰。
S3，使用伸缩连杆连接全张量梯度磁测装置和无人机，并通过USB接口连接全张量梯度磁测装置与无人机上的集成控制系统；
全张量梯度磁测装置，包括固定在立体框架顶点处的若干个三分量磁通门传感器6，用于检测坝体1各点的多个磁分量；本实施例采用了立方体框架5，在立方体框架5的8个顶点出固定有8个三分量磁通门传感器6，可以在坝体1每个点采集到24个磁分量。其中，相邻两个三分量磁通门传感器6中心点之间的垂直距离均为0.5米。三分量磁通门传感器6量程为±100μT，带宽为直流~1KHz，线性度≤0.01%FS，正交度≤±0.2°，频域噪声≤6pT/rms√Hz@1Hz。
全张量梯度磁测装置通过立方体框架5中4个顶点处的伸缩连杆与无人机连接，通过USB接口与集成控制系统相连，实现无人机航测坝体各点的磁分量。
所述集成控制系统，由数据采集模块、通讯模块、惯性系统及GPS模块、工控机模块构成，用于控制所述无人机，并收集全张量梯度磁测装置检测到的磁分量数据及无人机的姿态信息以及位置信息；
其中，数据采集模块采样频率为100~5KHz，采样通道为24通道；采集全张量梯度磁测装置检测到的坝体各点的磁分量，并将磁分量转化为模拟电压信号，输入工控机模块；惯性系统通过记录无人机姿态信息，包括航向、俯仰、横滚的角度，校正三分量磁通门传感器6；其定向精度不低于10弧秒，即0.0028°。GPS模块用于记录无人机的位置信息，作为磁分量的位置信息；其发射频率不小于10Hz；工控机模块通过通讯模块向地面操作人员的传递信息，用于控制无人机和集成控制系统。
S4，控制无人机在坝体被探测区域低空测量多条测线，收集坝体各点的多个磁分量；
S5，找到坝体各点受外界磁场干扰最小且频率域相同的多个磁分量；
S6，计算坝体各点的若干个磁梯度；
S6，计算坝体各点的若干个磁梯度；
磁场作为矢量场，每个三分量磁通门传感器6可以采集到该位置点上三个相互垂直的轴上三个磁分量，记为Bx、By，Bz，这三个磁分量在空间中三个方向的变化率记为磁梯度G，共包含9个要素，其计算公式为：
其中，Bxx、Bxy、Bxz代表该位置点磁分量Bx在X、Y、Z三个方向上的变化率，即、、/>；Byx、Byy、Byz代表该位置点磁分量By在X、Y、Z三个方向上的变化率，即/>、/>、；Bzx、Bzy、Bzz代表该位置点磁分量Bz在X、Y、Z三个方向上的变化率，即/>、/>、/>。
在电信号频率较低时，根据Biot和Savart定律（毕奥-萨伐尔定律）得到的矢量泊松方程中，可以看出，传导电流密度对磁感应强度的梯度敏感。而坝体渗漏通道中因为水流流动，导致其电导率明显高于坝体背景（即构成坝体的岩石、黏土或水泥等非水物质），因此坝体渗漏通道处磁梯度会产生异常变化，通过计算坝体各点的若干个磁梯度，可以找到坝体疑似的渗漏通道；
S7，根据磁梯度解算传导电流密度，确定坝体渗漏通道。
传导电流密度与磁梯度之间满足下述关系式：
式中，为该位置的磁场旋度，Jc为传导电流密度，μ0为真空中的磁导率。通过该式可以计算出该位置的传导电流密度，明确坝体的渗漏通道。
Claims (3)
1.一种全张量梯度的坝体渗漏通道探测方法，其特征在于：采用全张量梯度的坝体渗漏通道探测装置，所述全张量梯度的坝体渗漏通道探测装置包括发射电极、发射机、全张量梯度磁测装置和搭载集成控制系统的无人机；
所述发射电极，放置在坝体的两侧，并通过电缆线连通；同时坝体两侧的发射电极又分别通过电缆线与所述发射机连通，形成电回路；
所述发射机，用于向所述电回路中发射包含多种频率的电信号；
所述全张量梯度磁测装置，包括固定在立体框架顶点处的8个三分量磁通门传感器，用于检测坝体各点的多个磁分量；所述立体框架为正立方体框架；
所述集成控制系统，用于控制所述无人机，并收集全张量梯度磁测装置检测到的磁分量及无人机的姿态信息以及位置信息；
所述全张量梯度磁测装置通过伸缩连杆与无人机连接，通过USB接口与集成控制系统相连，实现无人机航测坝体各点的磁分量数据；
所述全张量梯度的坝体渗漏通道探测方法包括以下步骤：
S1，在坝体迎水面和背水面布设发射电极，并用电缆线连接；
S2，迎水面所述发射电极和背水面发射电极分别与发射机连接，形成电回路，并供入多种频率的电信号；
S3，使用伸缩连杆连接全张量梯度磁测装置和无人机，并通过USB接口连接所述全张量梯度磁测装置与所述无人机上的集成控制系统；
S4，控制无人机在坝体被探测区域低空测量多条测线，收集坝体各点的多个磁分量；
S5，找到坝体各点受外界磁场干扰最小且频率域相同的多个磁分量；
S6，计算坝体各点的若干个磁梯度；
S7，根据所述磁梯度解算传导电流密度，确定坝体渗漏通道。
2.根据权利要求1所述的全张量梯度的坝体渗漏通道探测方法，其特征在于：S1步中，在坝体迎水面布设的所述发射电极放置在水中；在坝体背水面布设发射电极放置在坝体疑似渗漏点或电极坑内，同侧存在多个发射电极时，多个发射电极需通过电缆并联成为一个整体。
3.根据权利要求1所述的全张量梯度的坝体渗漏通道探测方法，其特征在于：相邻两个所述三分量磁通门传感器中心点之间的距离相等，且大于等于0.5米。
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