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电磁法堤坝隐患探测

2020-04-09 21:01

利用堤坝内部隐患部位对外来电磁场感应强度不同的特性,探测是否存在隐患及其位置的技术。电磁法属于无损探测法(nondestructive detection technique,NDT)。与电法比较,电磁法具有探测深度深、位置分辨率和测深分辨率高、操作简便迅速、不受接地电阻影响、可作大面积长距离堤防普查等优点。电磁法可分为甚低频电磁法、频率域电磁法和瞬变电磁法。按场源形式进行分类,可分为自然电磁场和人工电磁场。

土坝和堤防渗漏及地下水探测采用人工场源,人工场源有2种方法:频率域电磁法(Frequency Domain Electro-Magnetic Sounding,FEM)和瞬变(时间域)电磁法(Transient Electro-Magnetic Sounding or Time Domain Electro-Magnetic Sounding,TEM)。这2种方法均是在地面上,通过发射线圈发射一次磁场,由接收线圈接收二次磁场信号,通过计算分析得出不同深度地层的电导率或电阻率,然后做图并推断解释。

频率域电磁法

该法在物探上应用得较早,其工作频率范围为100~104 Hz。它利用改变电磁振荡频率,达到探测不同深度地层的目的。高频信号测试浅层地层。低频信号测试深层地层。频率域电磁系统对于大地一般有2种激发方式:垂直(电)激发或水平(磁)激发。无论采用哪种激发方式,发射线圈和接收线圈均应保持在同一平面内,且两线圈间距保持恒定。探测深度(h)与激发方式和线圈间距有关:采用垂直激发方式时,探测深度是线圈间距的1.5倍;采用水平激发方式时,探测深度是线圈间距的0.75倍。在不同激发方式下,地层深度对接收信号贡献的权重不同。在垂直激发方式下,最大权重地层在0.4h处;在水平激发方式下,最大权重地层接近地面层。在电磁感应较弱的情况下,所测地层电导率值与二次场和一次场强度的比值呈正比,因此,仪器可以直接显示地层视电导率值。频率域电磁法属于体积测量仪器范围。

频率域电磁法仪器采用发射天线和接收天线,没有插入地下的电极,因而探测速度快,可以用作堤坝隐患普查。在探测堤防散浸隐患及划定松散区方面,频率域电磁法仪器表现出一定的优势。

该法还可应用于溶岩洞穴、土地含盐量、海水入侵、考古、海岛找水探测等。

瞬变电磁法

发射机只发射周期性单脉冲信号,利用接收信号的时间差异达到探测不同深度地层的目的。瞬变电磁法在一个测站可探测到从地面到预定深度的分层地层的电磁特性,因而,其纵向分辨率和探测速度均优于进行体积探测的频率域电磁法和高密度电法;在探测堤脚和基础等较深处存在的隐患时,瞬变电磁法具有较高的分辨率。瞬变电磁法工作频率范围为10-4~103 Hz,应用于堤坝隐患探测的瞬变电磁法仪器的工作频率范围为101~103 Hz。

瞬变电磁系统一般由发射机、发射线圈、接收线圈、接收机和计算机数据采集绘图系统组成。

电磁法探测堤坝隐患方法:在需要探测地层的地面上设置一条测线,按照水平位置分辨率的要求在测线上画出各个测站的位置。将发射线圈和接收线圈按要求放在第一个测点两侧进行测量,而后将线圈移至下一个测点,进行第二个测点的探测,如此重复,直至完成一条测线上全部测点的探测。将此探测结果由计算机绘制成二维、三维图像或剖面图,就能获得该测线的地层垂直剖面内电导率的分布图,由此判断出异常区的电磁特性差异、形状大小、水平位置和深度。

在堤防或土坝的坝顶、前坡马道、后坡马道及坝脚等处,平行于坝轴布置若干条测线,即可得到相应的剖面图。由几个剖面图中地质异常及其位置的相关关系,即可判断是否存在渗漏隐患以及渗漏通道的位置和走向。

与频率域电磁法比较,在探测堤防洞穴、裂缝和松散区这3种堤防隐患能力方面,瞬变电磁法表现出探测洞穴和裂缝的优势,特别在管涌隐患定位准确度方面表现突出,而频率域电磁法在探测松散区方面表现出优势。

发展过程

1949年美国的多尔(H.G. Doll)提出在测井内采用电磁感应法测量构造的电阻率。1959年美国的威特(J.D.Wait)提出半空间TEM法:不需要钻孔,发射线圈和接收线圈均在地面上移动,具有最大的灵活性,也可安装在飞机上作大范围勘探。到1980年,半空间TEM法已被普遍应用于物探,主要解决几十米到几百米的地质勘探问题,特别是金属矿床的勘探。从1989年起,中国水利水电科学研究院率先研究瞬变电磁法探测土坝渗漏隐患,于1995年研制成功土坝渗漏探测仪,并在尼山、岳城等水库大坝上成功应用。1998年长江、松花江洪水后,相继研制成功2种型号的堤防渗漏隐患探测仪,已应用于隐患探测和管涌通道定位探测,取得良好效果。

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