CN114960662B - 一种基于瞬变电磁响应的基坑渗漏检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于瞬变电磁响应的基坑渗漏检测方法，包括下列步骤：选定基坑内的发射井；将激发装置的极化电极放置于发射井中，向发射井中注入水，将激发装置的极化电极接入高压大功率装置；将接收装置的不极化电极阵列放置于帷幕墙体外的地表上，接收装置的不极化电极阵列对称阵列摆放；根据不对称电极的位置坐标的y轴的幅值正负来为其所采集的响应信号赋值，若为正，则设定相应的响应信号为正值，若为负，则设定相应的响应信号为负值；对各个不极化电极的响应信号进行叠加处理，若叠加后的幅值在未渗漏响应区间内，则判断基坑没有渗漏，否则，判断基坑存在渗漏问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基坑渗漏检测方法。
背景技术
基坑的安全问题是超高层建筑建设中重大问题，现在越来越多的工地关注基坑中帷幕的渗漏情况，在实际工程中，基坑产生渗漏的原因除了自然因素，主要是：1)工程勘察后出现边界划分问题2)基坑开挖时没有注意开挖进度，导致土体出现了渗水隐患3)材料品质差，不能有效阻隔积水4)遇见积水后处理不慎，导致基坑周围土体不稳定5)施工监督的疏忽导致发现问题后不能及时处理，使得基坑渗漏问题加剧，从而导致安全隐患。
基坑在开挖时若不及时处理渗漏点，随着渗漏区域的暴露将对基坑和周边各类建筑物的安全产生极大的不利影响。若此时发生大规模渗漏，会引发一系列安全问题，最常见的就是周围土质稳定性被破坏，导致周围的建筑会因为渗漏问题而出现坍塌等灾害，造成重大安全事故。同时渗漏问题会影响部分施工机器，导致建筑速度变慢，增加工地的经济压力。
针对渗漏问题，建立一套即时、高效、科学有效的渗漏检测的机制，能有效保证深基坑支护工作安全顺利进行。若不注意基坑检测渗漏，对后续工程作业可能会造成致命危险。
主流的渗漏方法为：直电流法、声波探测法、高密度电法等，直电流法[1]采用大功率激发，通过极化地层，从而得到目标的电性特征。声波探测法[2]是利用声波在多层介质中的传播原理，人工产生激励，使得介质中产生机械振动，利用不同波的振动特征分析得到被测目标的声学特征，但抗干扰能力弱，无法在高噪音环境中作业。高密度电法[3]通过放置大量电极测量，通过地下水中天然含有的钾、钠、镁等离子的电性差异，通过激发电场设立监测区，获得渗漏区的电性特征。但敏感度过低，无法在盐碱性土壤中检测。
上述三种方法均需要稳定的激励方式，在实际中往往需要大功率的激发装置，而这种大功率装置需要大量资源进行采集，成本较高。
文献[4]介绍了一种瞬变电磁法，利用激发装置激发时，在导通、关断瞬间由于势能差，电磁感应会产生感应电流，在导电介质中以涡流的形式进行扩散，影响空间中的磁场和电场。文献[5]将瞬变电磁法在井内勘探实现，并利用瞬变电磁响应，得到空间中的二次场信息。
参考文献：
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[5].宋汐瑾.生产井瞬变电磁探测理论与方法研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.
发明内容
本发明针对基坑渗漏检测问题，提出了一种阵列信号采集下的基坑渗漏检测方法。本发明的技术方案如下：
一种基于瞬变电磁响应的基坑渗漏检测方法，通过激发装置在发射井激发信号，利用接收电极阵列摆放来采集信号，将不极化电极采集的数据分析，从而得到墙体的渗漏情况，包括下列步骤：
1)选定基坑内的发射井；
2)将激发装置的极化电极放置于发射井中，向发射井中注入水，将激发装置的极化电极接入高压大功率装置，利用阶跃激励激发，在导通瞬间，极化电极表面的电位突变，形成瞬变电磁源；
3)将接收装置的不极化电极阵列放置于帷幕墙体外的地表上，布置方法为：以发射井和帷幕墙体的最短直线为x轴，与墙体平行的轴为y轴建立直角坐标系，接收装置的不极化电极阵列沿x轴对称阵列摆放，沿y轴均匀摆放，各个不极化电极阵列采集到的响应信号为激发装置穿透墙体的信号；
4)若墙体未发生渗漏，涡流再次激发的响应不会发生改变，不极化电极阵列中沿x轴对称位置处不极化电极采集的响应一致；若墙体发生渗漏，涡流再次激发的响应会因为电导率的改变而发生改变，不极化电极阵列中沿x轴对称位置处不极化电极采集的响应不一致，通过接收装置采集的响应信号来判断墙体的渗漏情况，方法如下：设定未渗漏响应区间；根据不对称电极的位置坐标的y轴的幅值正负来为其所采集的响应信号赋值，若为正，则设定相应的响应信号为正值，若为负，则设定相应的响应信号为负值；对各个不极化电极的响应信号进行叠加处理，若叠加后的幅值在未渗漏响应区间内，则判断基坑没有渗漏，否则，判断基坑存在渗漏问题；
5)重新选定发射井并注水，重复步骤2)-步骤4)；
6)根据采集的响应数据，判断基坑是否发生渗漏，若发生渗漏，则对比针对针对各个发射井所采集的响应信号的叠加后幅值大小，根据墙体渗漏会导致电导率上升，判断渗漏主要集中在哪个区域。
优选地，未渗漏响应区间设置为-0.3～0.3V之间。
以上方法，利用瞬变电磁法和阵列采集完成对基坑渗漏的检测，通过不同电导率下瞬变电磁响应的特征分布，完成对基坑的渗漏检测，相较于其他方法，该方法具有以下优势：
(1)电极激发的响应，由于涡流扩散速度较快，涡流再次激发的响应会在较短的时间衰减到非常小的幅度，直接耦合响应的提取相对简便。
(2)涡流再次激发响应对电导率的灵敏度较高，与电导率呈现出线性关系。
(3)地表接收方式简单、通过中线摆放接收装置增加了效正对比功能，可以保证数据的正确性。
(4)无需借助其他工具，阵列接收保证了数据的稳定、可靠性，相较于其他方式，更加廉价和精确。
附图说明
图1：基坑阵列检测渗漏模型示意图
图2：实际不极化电极阵列摆放规律示意图
图3：信号采集和处理流程图
图4：直接耦合响应和涡流再次响应在井内扩散过程图
图5：固定位置下电导率与涡流再次响应峰值图
具体实施方式
现结合附图和实施对本发明做进一步说明。
本发明通过在发射井激发信号，利用阵列采集接收信号，通过不极化电极采集到的响应分析墙体的渗漏情况。包括下列步骤：
1)根据实际基坑建立渗漏模型，将空间中的介质划分为：水、地层1、帷幕墙体、地层2.
2)将高压大功率装置接入激发装置(极化电极)放置于发射井的水中(地层1)，利用阶跃激励激发，在导通瞬间，电极表面的电位突变，电极表面的介质会产生极大的电压差，瞬间产生高电流密度，从而形成瞬变电磁源。
3)接收装置(不极化电极)放置于基坑中帷幕墙体外地层2的地表上，以发射井和墙体的最短距离为轴线建立直角坐标系，与墙体平行的为y轴，与墙体垂直的为x轴，接收装置沿x轴对称阵列摆放，采集到的信号为激发装置穿透墙体的信号。
4)由于穿透过来的信号中为直接耦合响应和涡流再次激发响应，由于激发装置为极化电极，所以相应扩散的形式为涡流，涡流以接近光速的速度扩散，涡流再次激发响应会随着电压的稳定，不断消失。将稳定电压提取出来，减去该位置的采集的响应即为涡流再次激发响应。
5)根据麦克斯韦方程组，磁场与涡流再次激发响应存在如下关系：
B＝(σ+iωε)Aθ
上述式子中，B为磁场，σ为水的电导率，ω为频率，ε为水的介电常数，Aθ为涡流再次激发引起的响应。
6)若墙体未发生渗漏，空间中的涡流再次激发的响应会与阵列中相应对称的位置处的装置采集响应一致。若墙体发生了渗漏，空间中涡流再次激发的响应会与阵列中相应对称的位置处的装置采集响应不一致。
7)设定未渗漏区值；根据不对称电极的位置坐标的y值的正负来为其所采集的响应信号赋值，若为正，则设定相应的响应信号为正值，若为负，则设定相应的响应信号为负值；对各个不极化电极的响应信号进行叠加处理，若叠加后的幅值在未渗漏响应区间内，则基坑没有渗漏，否则，基坑存在渗漏问题。同时与x＝0轴线上的接收电极数据对比，判断整体数据的正确性。
8)根据涡流再次激发响应与墙体电导率的关系知道，墙体越完整，电导率越小，采集到的幅值越小，墙体越渗漏，电导率越大，采集的幅值越大。
本实例是基坑渗漏下的瞬变勘测的具体实施。设地层1和地层2的电导率为10S/m，介电常数为10*(1/(36π))×10-9F/m，墙体的电导率为0-20S/m(电导率在0.05以下为未渗漏，15S/m以上视为重度渗漏)，介电常数为15*(1/(36π))×10-9F/m。发射井内径为D＝0.4m。
实际渗漏模型如图1所示，由水、地层1、墙体、地层2构成，其中发射井位于地层1中(位于基坑内)，发射井内包含激发装置(极化电极)和水(增加极化效率)，接收装置(不极化电极)的安装方式如图2所示，以发射井和墙体的最短距离为轴线建立直角坐标系，与墙体平行的为y轴，与墙体垂直的为x轴，接收装置沿x轴对称阵列摆放，沿y轴均匀摆放。采集的数据通过图3的流程进行处理，单位为电压。图4所示为电极激发在发射井中下涡流再次响应与直接耦合响应之间的转化关系。图5为固定位置电导率与涡流再次激发响应的关系。
为准确测量基坑中的渗漏情况，必须对瞬变电磁响应中直接耦合响应和涡流再次激发响应有一定理解，本文提出的瞬变勘测方法是以这两种响应为基础，利用其传播规律，完成对墙体渗漏的判断，方法分别为三部分：
第一步，空间中的激发装置和接收装置的放置
在实际测试中，将激发装置放置于需要测量区域的位置，以发射井中的激发装置和墙体的最短直线为x轴，与墙体平行的为y轴建立直角坐标系，接收电极沿垂线x轴对称均匀放置摆放，同时以一定间距沿y轴均匀放置。
第二步，对空间中采集的数据进行处理和渗漏区域的判断
观测激发装置在导通过程前后采集的数据，将x轴左侧采集的数据视为正，即为：30、29、28等接收电极采集的数据，将x轴右侧采集的数据视为负，即为：10、9、8等接收电极采集的数据。设定未渗漏区值为-0.3～0.3V，将30、10，29、9，28、8等沿x轴对称的电极采集的数据相加，判断是否发射渗漏，若30、10，29、9，28、8等相加后响应在未渗漏响应区间，则表示墙体均匀，墙体并未发生渗漏。若30、10，29、9，28、8等相加后响应不在未渗漏响应区间，则表示墙体不均匀，墙体中发生了渗漏。根据30、10，29、9，28、8等数据的幅值大小进行进一步判断，若30、29、28等一边接收装置采集的响应幅值比10、9、8等另一边接收装置采集的响应幅值大，说明在30、29、28一端的墙体出现了渗漏，相反，则是10、9、8这一端的墙体出现了渗漏。
第三步，将多数数据进行对比处理，判断数据的准确性
将11、12，13…、20采集装置(沿x轴垂线分布的不极化电极)的数据进行采集并与1、2，3…、10和21、22，23…、30的数据进行幅值对比，判断数据是否在正常范围，防止出现偶然性。
本发明利用瞬变电磁法进行渗漏检测，通过空间中瞬变电磁响应与电导率之间关系，且墙体渗漏会改变墙体中的电导率，从而根据数据判断墙体电导率的变化。利用瞬变电磁相应的规律，通过分离直接耦合响应和涡流再次激发响应。在数据上，增加了一组对照数据，防止数据出现偶然性。该方法实现了利用瞬变电磁法进行渗漏检测，具有安全、可靠、成本低等优点。
Claims (2)
1.一种基于瞬变电磁响应的基坑渗漏检测方法，通过激发装置在发射井激发信号，利用接收电极阵列摆放来采集信号，将不极化电极采集的数据分析，从而得到墙体的渗漏情况，包括下列步骤：
1)选定基坑内的发射井；
2)将激发装置的极化电极放置于发射井中，向发射井中注入水，将激发装置的极化电极接入高压大功率装置，利用阶跃激励激发，在导通瞬间，极化电极表面的电位突变，形成瞬变电磁源；
3)将接收装置的不极化电极阵列放置于帷幕墙体外的地表上，布置方法为：以发射井和帷幕墙体的最短直线为x轴，与墙体平行的轴为y轴建立直角坐标系，接收装置的不极化电极阵列沿x轴对称阵列摆放，沿y轴均匀摆放，各个不极化电极阵列采集到的响应信号为激发装置穿透墙体的信号；
4)若墙体未发生渗漏，涡流再次激发的响应不会发生改变，不极化电极阵列中沿x轴对称位置处不极化电极采集的响应一致；若墙体发生渗漏，涡流再次激发的响应会因为电导率的改变而发生改变，不极化电极阵列中沿x轴对称位置处不极化电极采集的响应不一致，通过接收装置采集的响应信号来判断墙体的渗漏情况，方法如下：设定未渗漏响应区间；根据不对称电极的位置坐标的y轴的幅值正负来为其所采集的响应信号赋值，若为正，则设定相应的响应信号为正值，若为负，则设定相应的响应信号为负值；对各个不极化电极的响应信号进行叠加处理，若叠加后的幅值在未渗漏响应区间内，则判断基坑没有渗漏，否则，判断基坑存在渗漏问题；
5)重新选定发射井并注水，重复步骤2)-步骤4)；
6)根据采集的响应数据，判断基坑是否发生渗漏，若发生渗漏，则对比针对针对各个发射井所采集的响应信号的叠加后幅值大小，根据墙体渗漏会导致电导率上升，判断渗漏主要集中在哪个区域。
2.根据权利要求1所述的基坑渗漏检测方法，其特征在于，未渗漏响应区间设置为-0.3～0.3V之间。
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