CN1065338C - 土坝渗流通道及水库大坝地质隐患探查装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的探查装置分发射和接收部分，发射部分由发射机、发射线圈和蓄电池组成，接收部分由接收机、接收线圈和计算机组成；发射机发出的同步信号经电缆送计算机；接收机的输出接计算机；发射和接收线圈均为可移动小线圈。探查的步骤为：(1)布置测网；(2)测量每个结点，对采样值经全曲线叠加平均处理后存入计算机；(3)分析解释测量数据。本发明操作方便快速，可在地面自由移动，水平位置分辨率和垂直深度分辨率高。它在土坝隐患普查、渗流通道定位、灌浆加固效果检验和测压管位置选择等工程应用方面表现了极大的优越性。

Description

土坝渗流通道及水库大坝地质隐患探查装置和方法

本发明涉及土坝渗流通道及水库大坝地质隐患探查装置和方法。

土坝的安全运行，主要取决于防渗体系的巩固，该体系由筑坝材料、坝基岩性、防渗护坡等因素构成。土石坝的主要筑坝材料是土壤、砂砾石等材料，其防渗体系在长期工作中，诸多因素会产生一系列的变化。坝体的不规则沉降、坝体内的软弱夹层以及施工质量的低劣均会给坝体带来的种种隐患。防渗护坡的断裂破碎、坝内管涌所形成的渗流通道是威胁着土坝安全运行最严重、最危险的隐患之一。各国专家对此十分重视。国际大坝委员会失事统计委员会(ICOLD Ad HocCommittee on Statistical Interpretation of Dam Failure)对截止1987年24个国家的142座失事大坝原因进行统计分析，其中：混凝土坝及其基础16件，土石坝及其基础104件，土石坝失事占总数的73％。在失事的土石坝中，由于坝体渗漏造成失事的共24座，占失事土石坝的28％，比例相当高。由此可见，渗漏是造成土石坝失事的主要原因之一。

渗流通道是土坝最严重、最危险的隐患之一，它威胁着大坝的安全运行。严重的渗漏大大减小了水库的效益。几十年来各国的工程师们经过不断努力，已发明采用了十几种方法进行土坝渗流研究。然而，没有一种方法能对土坝的渗流进行普查并准确定位。有些土坝经过修补和加固后渗流现象仍然十分严重，其主要原因之一在于没有找到渗漏的准确位置。

我国已建大坝8万多座，其中大部分为土石坝，高50m以下的坝居多。据有关方面统计，历年来失事的大坝中，仅一座混凝土坝，其余全部是土石坝。为确保大坝的安全运行，加强大坝的安全监测，特别是病、险坝的监测和检查十分必要。

目前国内外最常用的探测土坝渗流通道的方法是自然电场法和激发极化法。然而这两种方法具有下列局限性：1．需要将电极***地下，在有砌石护坡的坝坡上，***电极相当困难；2．在进行水平剖面测量时，一对电极要水平移动，由于不同地层构造及操作影响，电极接地电阻变化，影响测量；3．进行垂直剖面探测时由于电阻率法的电极间距一般应为探测深度的4-8倍，因而在探测范围较小的饱和水区时，其灵敏度较低，空间分辨率也低；4．探测深度较小，一般为20～40m。5．一些自然现象产生的干扰难以排除，如大地自然电流，地下存在导电物体等；6．数据整理和解释工作很复杂。

近十多年来，国内外物探方法的发展中有一个引人注目的动向，就是瞬变电磁法的广泛应用，且其领域不断扩大，已用于固体矿产、油气、地下水、地热及构造填图等方面的勘查，但在土坝渗流通道探查方面尚未有人涉足。

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Sounding)又称时间域电磁法(Time Domain Electromagnetic Sounding)，简称TEM法。它利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场，在一次磁场间歇期间，用同一回线或另一回线接收感应二次磁场，该二次磁场是由地下导电地质体受激励引起的涡流所诱发的非稳磁场。

TEM法采用发射和接收天线，没有***地下的部件，因而没有接地电阻的干扰问题。其操作简便，探测速度快，可布置很多测点，以获得较高的位置分辨率。对于土坝渗流通道和含水基岩裂缝探测，这一优点是十分重要的。可探测上千米深度，这是一突出优点。但受其设备性能的限制，目前国际上商业产品受到一个最小探测深度的限制，这个最小探测深度取决于大地电阻率、发射机关断后沿持续时间及仪器的最早采样时间。电阻率低、关断后沿持续时间短以及首次采样时间早，可使最小探测深度较浅。近地表大部分物质的最低电阻率为1-100Ω·m，很多仪器的首次采样时间为50μs。在这种情况下，最小测量深度约为10-100m。

大多数土壤和岩石都是具有非常高电阻率的电的绝缘体，完全干燥的粘土也是绝缘体，但是水分的介入则使其成为导体。土壤的导电性与土壤类型、粘土的含量、深度、孔隙率、孔隙含水程度、水质、含盐量、温度等诸多因素有关。

库水经坝体裂缝或软弱夹层形成透水带在下游坡渗出，在透水通路上其含水量要高于其它部位，由于含水使此部位的导电性增强。坝体及坝基的空洞则呈现绝缘态，而饱和含水的坝体及坝基充满水的空洞则呈为良导电体。

由于水库大坝均为人工填筑而成的，水库筑坝材料的类型基本一致，在不同位置的填料应视为比较均匀。一般情况下，库水质也是比较均匀的。在以上前提下，排除坝体中已知高电导物体引起的异常后，可以认为坝体电导率高的部位是由于含水量高引起的。但由于坝体的电导率与筑坝材料的电导率、水质和含水量等因素有关，因而，坝体的含水量的确定是一个相当复杂的问题，不能由电导率直接计算出粘土的含水量。

土坝渗流通道的探查因深度变化范围大，从几米到几十米，饱和含水区小，最大测深一般不超过100m，坝体填筑材料电导率变化范围较小，一般在10～100mS／m之间，对仪器要求很高，难度很大。国内外已有的瞬变电磁测深***的最小探测深度为25～50m，对大多数坝高只有20～30m的土坝而言，国内外现有的TEM***是不适用的。更由于坝坡陡峭，大线圈***无法工作。

鉴于瞬变电磁法比传统的自然电场法、激发极化法有许多明显的优点，而国内外尚无人采用TEM法探测土坝渗流通道，本发明的目的是提供一种土坝渗流通道及水库大坝地质隐患探查装置和方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种土坝渗流通道及水库大坝地质隐患探查装置，分为发射和接收部分，发射部分由发射机、发射线圈和蓄电池组成，接收部分由接收机、接收线圈和计算机组成；发射机的输出接发射线圈，发射机发出的同步信号通过电缆送计算机；接收线圈的输出送接收机，接收机的输出接计算机；发射线圈和接收线圈均为可移动小线圈。

一种土坝渗流通道及水库大坝地质隐患的探查方法，其步骤为：

(1)布置测网

首先在待查区域内布置数条与坝轴线平行的测线，在各测线上布置测站，形成测网，以测网的各结点处为测量点；

然后将发射线圈与接收线圈的中点置于测量点处，发射线圈与接收线圈均采用垂直耦极方式；

(2)结点测量

首先使发射机周期性地发射正负交替的方波脉冲，用接收机在发射机的正向电流关断后至反向工作之前多次采集从地面到预定探测深度的二次磁场信号；

然后对所采集的曲线进行叠加平均处理，处理是对各条曲线逐点进行的，即：求各条曲线上对应同一时刻的采样值的平均值 x和相对偏差d，根据干扰程度选择剔除系数k，以 x±k·d为上下限，与每个采样值进行比较，将其中超差的剔除，并记录被剔除的个数，将未超差的采样值取平均后存入计算机，接着再处理各条曲线上下一时刻的采样值，直至全曲线上所有点均处理完毕，从而得到叠加平均后的二次磁场全曲线；

然后在计算机屏幕上绘出此二次磁场的全曲线，判断此次采样的正确性，当出现强干扰时，可重复测量；

一个结点测量结束后，移到测线的下一结点，进行同样的测量过程；

(3)分析解释测量数据

首先对探查区域中各测站野外原始观测资料，用三点自相关滤波公式进行滤波计算，绘制时间谱曲线并绘编成册；

然后将测线上各测站的电磁数据经数据处理，生成该测线的二次电磁响应层析成像的三维视图，通过各测线生成的三维视图，得到坝体中电磁异常部位的位置、规模、强度及分布情况，综合各测线二次电磁响应中异常的分布情况，找出各测线间的异常的有机联系，在探查区域圈定异常的规模及走向，对于各测线出现的异常划分出明显异常、一般异常及弱异常，对明显异常的部位计算其所在位置的深度；

最后根据探查所得到的坝体电磁异常并综合地质资料、管理部门的多年观测资料，对坝体电磁异常进行解释。

下面结合实施例对本发明作详细说明。

图1为TEM***工作波形；

图2为感应电压与时间的关系图；

图3为本发明***组成图；

图4为发射机组成框图；

图5为接收机组成框图；

图6为主程序流程图；

图7为数据采集程序流程图；

图8为可疑值判断与剔除程序流程图。

本发明称为SDC-1型瞬变电磁测深***，它包括探查装置和探查方法。

一．本***的理论依据

使用电磁测深法探查土坝渗流通道及水库大坝地质隐患的可行性可借助于数学方法来证明。它源于宏观电磁场的理论及电磁波的传播和衰减规律，主要利用麦克斯韦方程组，即： $\mathrm{rotH}=j+\frac{\∋D}{\∋t}$ $\mathrm{rotE}=\frac{\∋B}{\∋t}$

div B=O                       (3)

div D=ρ                      (4)式中j为电流密度(A／m²)，D为电位移(C／m²)，H为磁场强度(A／m)，E为电场强度(V／m)，B为磁通密度(T)，ρ为电荷密度(C／m²)，t为时间(S)。

在电磁场理论中，介质对电磁场有影响，在均匀各向同性介质中，在基本矢量间存在以下关系：

D=εE                         (5)

B=μH                         (6)

j=σE                         (7)式中ε，μ，σ分别为介质的介质常数、导磁率及导电率。

电磁波在通过一些介质时发生衰减现象，与自由空间不同。因此有：

μo=4π×10^-7H／m             (8)

εo=8．85×10^-12F／m          (9)式中μ／μo为介质的相对磁导率，ε／εo为介质的相对介电常数。ε最大正常值为水，ε／εo=80；对于岩石，ε／εo＜10。在铁磁性矿物中μ／μo＜3，一般岩石、矿物的μ／μo通常等于1。于是有：

ε≈10εo≈9×10^-11F／m       (10)

μ≈μo≈1．3×10^-6F／m       (11)

根据推算，若波沿Z轴传播，XY平面为极化平面，可得到：

H=Hoe^-azcos(ωt-az)           (12)

TEM法作大地勘测时，一般在测量过程中将一个接收线圈沿测量线方向移动，以测量不同位置的二次磁场信号。发射线圈内有一稳定电流流动，并保持相当长的时间，在半空间形成一个磁场。而后这一稳定电流突然关断，关断的方式是可以控制的。图1a所示的关断方式为线性斜波波形。依据法拉弟定律，发射线圈内的电流急剧下降，会造成原磁场急剧减弱，从而会在附近的导体内产生感生电动势。感生电动势的大小与原磁场强度随时间的变化率成正比。因此，一般希望在短时间内，将发射线圈内的电流突然降至零，以便产生较大的感生电动势，见图1b。该感生电动势在导体内产生涡流。涡流的强度随时间衰减，其衰减特性与该导体的电导率、大小和形状有关，即与其时间常数有关。衰减的涡流产生一个与之成正比的二次磁场，见图1c。二次磁场传送到地面，在接收线圈内产生一个电流，其强度与二次磁场时间变化率成比例。

对于一个均匀半空间，电磁场的传播过程可以看作是一层一层向下传播的。电磁场在往地深方向传播时，其水平范围也在扩大，类似于“烟圈”效应。

首先，考虑一个分层半空间模型。当发射线圈电流关断时，最初感应电流集中在地表面，其值正比于地面地层的电导率，这是初始阶段。在电磁波往深层传播时，接收线圈上的感应电流正比于t^-5／2和ρ^-3／2(ρ为深层电阻率)，此阶段称为后期。由于TEM信号随时间衰减太快，要求仪器有很宽的动态范围。图2绘出了感应电压与时间的关系，图中还绘出了二层模型结构及相应的感应电压比值。视在电阻率的计算公式如下： $p_a=\frac{\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\πt}}|\frac{2\mathrm{\π\μ}{r}^2\mathrm{MrI}}{5\mathrm{tV}}{|}^{2/3}----------\left(13\right)$ 式中：μ-导磁率；

r-发射线圈半径；

Mr-接收矩(圈数×每圈面积)；

I-发射线圈的电流强度；

t-电流关断后的时间；

V-接收线圈上的感应电压。实际上，发射线圈常使用矩形线圈，而计算时以相等面积圆线圈计算。

由图2可知：当地质异常的电阻率小于覆盖层的电阻率时，感应电压较高；反之，感应电压较小。据此，可进行地质填图。

二次磁场的信号很弱，在强电磁噪声影响下，***将不能正常工作。为确保探查成功，在探查前进行信噪比计算是很重要的。接收线圈感应电压是接收线圈矩(圈数×每圈面积)与垂直磁通密度时间变化率的乘积。一般情况下，电磁噪声电平为10^-9-10^-10V／m2。即使在很宁静的条件下，其噪声电平也只能降至10^-11V／m2。经简单计算，由式(1)可得： $V/\mathrm{Mr}=\frac{2\mathrm{\π}{r}^2\mathrm{\μI}}{5t}|\frac{\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\πt}{\mathrm{\ρ}}_a}{|}^{2/3}=\frac{\mathrm{\μMt}}{5t}|\frac{\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\πt}{\mathrm{\ρ}}_a}{|}^{2/3}--\left(14\right)$ 式中Mt是发射矩(Mt=2πrI；方形线圈Mt=L²I。r为圆线圈半径；L为方线圈边长)。

如果需要确定在一段特定时间内，需要多大发射电流才能进行有效探测，首先从TEM响应曲线上找出t时刻所对应的ρ_a，再利用ρ_a、t和Mt计算出V／Mr值。将此值与本底电磁噪声电平进行比较，如果信号大于噪声，就可以进行探测。当然，采用多次采样平均值的方法，可以减少噪声水平。采样N次取平均值时，噪声水平降至 $1/\sqrt{N-1}$ 倍。

二．探查装置的组成

探查装置分为发射机和接收机两部分，请参阅图3，发射机部分由发射机、发射线圈和蓄电池组成；接收部分由接收机、接收线圈、笔记本式486微型计算机及扩展箱组成。发射机的输出接发射线圈，发射机发出的同步信号通过电缆送计算机；接收线圈的输出送接收机，接收机的输出接计算机；同步信号由发射机通过电缆送到计算机。

1．发射机

请参阅图4，发射机由同步信号电路、晶体振荡器、分频器、时序电路、两路触发器、可控硅全桥及其关断电路和过流保护电路构成。3．9936MHz晶振电路的输出信号经分频后，产生频率为1040Hz、520Hz、260Hz、130Hz、65Hz等5种方波信号，以适应不同的探测要求，该方波信号被送入同步信号电路和时序电路。时序电路产生两列脉冲，并分别经触发器1和触发器2交替触发可控硅全桥，采用可控硅全桥作为功率输出级是为了方便地增大功率，本发射机最大输出电流20A。可控硅全桥输出的电流直接送到发射线圈。由于当可控硅由直流电源作为阳极电压源时，一旦导通，就不能关断了，因而需要外接关断电路。本发射机的关断电路由大功率C-MOS场效应管及辅助电路构成。为防止可控硅过流，还设置有过流保护电路。

2．接收机

请参阅图5，接收机由程控放大器、增益控制、放大器、高通滤波、50HZ干扰信号陷波器、低通滤波、模数转换诸单元依次串接而成，模数转换的输出接入计算机，接收线圈的输出送程控放大器，程控放大器由计算机控制。接收机中还设置同步信号转换电路，发射机中同步信号电路的输出经电缆送至该同步信号转换电路，该转换电路的输出接模数转换的外触发端。

从发射机晶振电路的输出中选择一路频率信号，经同步信号电路送至接收机，作为微机采样同步信号。同步信号电路采用RS-232C通信接口电路，可以传送较远距离。经试验，采用普通的信号电缆，波特率为300时，至少可以传送300m。由发射机送来的RS-232C电平同步信号，经同步信号转换电路转换为TTL电平，送到A／D转换器的外触发电路，作同步采样触发信号。

接收机的设计首先要考虑到二次场信号的特性。一般的TEM***二次场信号具有下列特点：

1．信号弱：晚期信号电平为10^-7V数量级；

2．动态范围大：二次场强度从10^-1V数量级变到10^-7V数量级；

3．频带宽：n×10³Hz～n×10Hz；

作为土坝渗通道探测仪器，本***还有第四个特点，即测深浅，要求尽可能早的检测到数据。根据上述二次场信号的特点，要求接收机具有高灵敏度(分辨率高)、采样速度快、动态范围大、抗干扰能力强等特点。从微机技术考虑，分辨率、采样速度和动态范围这三项技术指标是很难做到同时提高的。若需要高分辨率和动态范围大，应采用高位数A／D转换器，而A／D转换位数越高，则转换时间越长。就目前的微电子技术而言，16位A／D转换时间约为50μs，而12位A／D转换时间约为10μs或更短。

为解决上述技术难题，我们在设计时综合考虑，兼顾几方面的高要求：

高灵敏度要求接收机输入端信号分辨率为0．5μV。12位A／D转换器的参考电压为±5V，A／D转换最小位的电压LSB为5V／2¹²=1．221mV，则有1221μV／0．5μV=2441，即要求放大器放大倍数为2441倍。此处采用仪表用程控增益放大器AM-542，其最大放大倍数为1024倍，故后二级放大器的放大倍数为2．38。程控放大器AM-542具有低漂移(1μV／℃)、低增益温度系数(±5ppm／℃)、高输入阻抗(10⁹Ω)和高共模抑制比(90dB)等优点，从而保证了***的稳定，实现了高灵敏度的特点。

采样速度快。由于采用486型微机，运行速度快，数据采集软件执行时间小于1μs。采样速度主要取决于A／D转换时间。考虑到成本问题，我们采用转换时间为10μs的12位A／D转换器。一次采样总时间为10．6μs。因而探测的最浅深度可小到5m左右。满足了较低坝高土坝的探测要求。

动态范围大。本接收机采用12位A／D转换器和2¹⁰倍程控放大器，因此，总的自动增益控制为2²²≈4．19×10⁶，即约为6个半数量级。考虑到试验调整方便，本机有人工衰减(1、1／2、1／5、1／10、1／20、1／50、1／100)，从而将动态范围又扩大了两个数量级。

抗干扰能力强。由于TEM***测量的二次场在晚期时信号很微弱，因而提高***的抗干扰能力显得格外重要。***提高抗干扰能力可从三方面考虑：1．增加发射矩、滤波和数字处理技术。增加发射矩以提高信噪比是十分有效的，然而旨在作为土坝渗流通道探测的本***而言，发射功率和发射线圈的尺寸与圈数均受到一定的限制，因而发射矩不可能很大(＜100Am²)。为此，我们在接收机的硬件和计算机软件上采用下列有效措施：2．发射机工作频率为65Hz-1040Hz，设计了＞30Hz的高通滤波器和＜3000Hz的低通滤波器；为抑制现场电源线路干扰，设计了50Hz陷波器；3．在数据处理上采用了叠加平均、粗大误差剔除及曲线平滑等措施。

3．天线

瞬变电磁***的灵敏度与发射天线和接收天线的面积成正比。为了提高信噪比，有的***采用大发射线圈，边长达几百米甚至上千米。发射线圈面积达10⁴-10⁶m²。为使用方便和保证线圈有足够的机械强度，本***采用移动小线圈。发射线圈和接收线圈均为1m×1m矩形线圈。为了增加面积，只有增加线圈圈数。然而，圈数增加导致线圈电感量和时间常数增加，致使发射电流方波的下降沿变缓，即dI／dt减小，影响一次场强度。经试验，本***发射线圈圈数采用24圈，线圈电感量为1．82mH。在***工作频率内，可保证良好的发射信号波形。发射线圈采用较粗铜线，以减少电阻值，增加发射电流。增加接收线圈圈数，可以增加灵敏度，但不能改善信噪比，以保证足够的灵敏度为准。本***接收线圈也采用24圈。

目前本***中两线圈所采用的间距为40m、20m和10m三种，可根据探查目标的情况选用。对于坝高20m～30m的土坝，一般常选用线圈间距为10m。当坝高超过30m时，一般选用线圈间距为20m，需要时可选用40m的线圈间距。***工作时，一般采用电激发方式，即两线圈的法线垂直于地面(线圈平面与地面平行)。在不同测量点测量时，保持线圈间距不变，利用水平尺保证两线圈平面相互平行。

4．微机及***设备

计算机技术的发展出现了486型笔记本式微机和笔记本式打印机，为现场的数据处理和输出提供了良好的硬件环境。考虑到降低成本，我们选用的Arima笔记本微机。25MHz主频足够快，对采样速度影响很小。选用Arime微机的另一原因是微机可与该公司生产的扩展箱通过插头座直接连接，不需要电缆，结构紧凑，便于野外移动操作。

12位A／D转换板安装在扩展箱内，通过PC总线与微机相连。A／D转换时间为10μs。采用DMA方式。该板设有内触发和外触发两种启动方式。本***采用外触发方式。由发射机送来的同步信号，经接收机转换电平后，送到外触发接口电路。

***配有Canon BJ-10SX型小型笔记本式喷墨打印机，可带到现场，及时输出各种图表。***除打印机外，采用12V蓄电池组作为电源。发射机部分和接收机部分分别供电，发射主回路单独使用一个26A／H蓄电池。

本***选用了小巧轻便的486微机及***设备，可在现场及时处理数据和得到有关图表，以指导下一步的探测工作，这是探测技术的一大进步。

5．软件设计

目前本***采用的笔记本微机CPU为486DX、主频25MHz、内存4Mbit、硬盘120Mbit。配有1．44Mbit软盘驱动器一台，液晶显示器分辨率为1024×768。A／D转换器置于微机扩展箱内。配有笔记本式喷墨打印机。微机***的如此配置为***的开发带来了很多便利和优点，其中用高级语言和汇编语言的混编技术是***的特色之一。应用C语言编写主程序，用Quick BASIC编写计算程序。用汇编语言实现速度快、时序准的控制和采样及自检。用Quick BASIC编制人机对话、完成打印、绘图等功能。由于微机***提供了良好的硬件环境，使***可使用功能最强的科学图形工具GRAFTOOL软件处理检测到的二次场信号。

5．1．主程序

该部分采用C语言编写，模块化设计，人-机对话方式。使用者可通过计算机屏幕中文菜单选择相应的功能模块，完成相应的任务。***软件流程图见图6，它包括数据采集、屏幕绘图、打印数据、显示数据、***自检等模块。

5．2．数据采集软件

程序流程图见图7，该部分是本***的核心，采用汇编语言编写。A／D板的数据采集是在发射机电流关断后立即开始的。A／D板以相等的时间间隔高速采样，并将数据置于内存中，完成一个采样周期。待下一个外启动信号到来，再次采集数据。重复采样8次，然后对8次采样各点进行积分、平均值滤波和中值滤波后再次反复测量，直至完成预定的重复测量次数为止。

5．3．二次场数据采集时间窗

发射机采用方波脉冲电流，为防止极化效应，应使其周期性地正、反向工作。这样只有在电流关断后至反向工作之前采集到的才是有效的二次场信号。因此，数据采集时间窗仅为发射机工作的1／4周期。对于土坝渗流探测，因最大探测深度一般只有几十米，深度较浅，二次场将在较短的时间内出现。为适应不同的情况，发射机工作频率设置了五挡：即1040Hz、520Hz、260Hz、130Hz、65Hz。相应的时间窗为240μs、480μs、960μs、1．923ms、3．846ms。对于各时间窗，软件设计了不同的采样工作频率和采样点数。在工作频率1040Hz、520Hz、260Hz时，采样时间间隔为10μs，而在130Hz、65Hz时采样时间间隔为100μs。在时间窗内采集尽可能多的信息，以便对其进行进一步的分析、处理。

5．4．数学滤波与统计剔除软件

本***的探查能力是以观测到的异常值的信噪比的大小及分辨地层参数的能力确定的，也就是说，探查能力不仅与探查目标引起的异常值有关，同时还到受地质噪声、人文电磁噪声及天电干扰等大小的限制。通常情况下为提高探查能力，可以：1．增大发射矩；2．采用高次叠加(可达2¹²次以上)平均取数的方法提高信噪比；3．设置滤波装置。

对于二层断面，瞬变电磁测深方法最大的探查深度与顶层电阻率ρ₁、发射磁矩M及噪声电平有关，可粗略用下式估计：

hmax≈0．32(Mρ₁／R_mN)^1／5        (15)

式中R_m为所要求的最低限度信噪比；N为平均噪声电平；乘积R_mN得到最小可分辨信号电平。

在时间域电磁测深中由于二次场电信号十分微弱，同时又是在宽频带下测量，因此二次场信号几乎被干扰噪声所淹没。为提取有用的信号，通常的作法是把接收信号相加或“叠加”，以提高信噪比。从多方面来看，信号的同步相加与滤波器相似。采用叠加技术，不相关的噪声不能像相关信号那样得到增强。这样，对于N次采样结果，当N很大时，信噪比大致提高了(N-1)^1／2倍。

本***采用了上述叠加平均技术，例如：进行4096次重复测量，噪声干扰将抑制 $\sqrt{4096-1}\≈64$ 倍。显然，叠加平均技术对提高信噪比是十分有效的。这里应考虑到重复测量的次数越多，则耗时越长。因此，应根据勘测现场噪声水平的高低综合考虑重复测量次数与所耗机时的关系。在保证有足够大的信噪比的前提下，以最少的重复测量次数和最少的机时，取得最佳的测量效果。为此本软件设计了人-机对话方式，由操作员实时选择叠加平均的次数。可选用的次数为64、512、1024、4096、8192、16384，操作员可通过微机屏幕菜单灵活地选用。

经A／D转换后的数据，由下式计算其算术平均值： $\stackrel{\‾}{x}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Xi}/n-------\left(16\right)$

式中： x为信号算术平均值；

      x_i为各次采样值；

      n为采样次数。采用标准偏差(即均方差)来估计采样值的精度或离散性，如下式： $s=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ϵ}}^2}{n-1}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x}{)}^2}{n-1}}-------\left(17\right)$

式中：S为标准偏差或均方差；

     ε为或然误差或偏差；

      n为采样次数。

在计算时，最常用的标准偏差，即均方差公式为： $s=\sqrt{\frac{n\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{)}^2}{n(n-1)}}--------\left(18\right)$

下面讨论可疑测定值的取舍问题。在进行电磁测量时，有时不可避免地要受到近场源的电磁干扰。该干扰是十分强烈的，有时可高出信号电平的几个数量级。显然，这样的干扰将使信号叠加平均值远远偏离正常值。为此必须判断测量值并剔除可疑值。

可疑值判断剔除软件流程图如图8所示。首先，按式(16)计算各次采样值的平均值，然后，对测量数据排序并计算相对平均差值(相对平均偏差)Δxi： $x_i=\frac{|\mathrm{\Σ}{\stackrel{\‾}{x}}_i-x_i|}{n}=d------\left(19\right)$

取 x±k·d为上、下限，与每个测量值进行比较。超过范围的x_i剔除掉。并将剔除的个数U记录下来，最后将未超差的x_i值取平均： ${\stackrel{\‾}{x}}_i=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_i}{N-U}------\left(20\right)$

此 x_i值为最后测量结果。当测量值较多时可采用2d法、3d法和4d法。k为剔除系数，视干扰程度而定，可在1、1．5、2、2．5、3之间选择，选择原则一般以(N-U)／N＞70％为准。此可疑值剔除程序设计符合数理统计理论，但必须有足够的统计数据量。这就需要计算机的内存足够大，并具有较高的运算速度。由于本***选用了486型笔记本微机，据有4Mbit内存、25MHz主频，因此完全可满足数理统计的要求。实践和理论都证明，对强干扰和信号极弱地区的探测，均可满足探测精度要求。

三．***工作步骤

瞬变电磁法主要解决的土坝渗流问题是探查坝体渗水部位电特性异常的变化异常部位的位置、埋深、走向及规模。通过对坝体重点部位的密集测量即可了解坝体中上述土壤电磁特性的变化，经过计算以及经验判别可了解坝体内部水文地质特征及物理性态，进行坝体地质填图。

探查工作分为野外作业和室内作业。

对于欲探查水库大坝存在的问题，首先与水库管理部门取得联系，根据管理部门对于大坝存在问题的介绍，初步了解水库大坝的坝型、坝高、枢纽的各个建筑物所处的地质年代、地层的岩性等，以及大坝坝体存在问题的性质、时间、坝体病害异常的表现等。进而通过大坝建坝初期的地质勘探资料以及管理部门对大坝的长年观测资料了解坝体填筑材料的岩性、坝基的地质年代、坝址区是否存在断裂带等地质情况。

根据欲探查水库大坝存在的问题，确定大坝的探查区域，制定探查方案。在探查区域内布置数条与坝轴线平行的测线，测线长度一般长于探查区域的长度。由于水库大坝的横断面呈梯形，测线布置要包括上游坡、坝顶和下游坡。根据探查目标的大小，选择相应的测线间距，在各测线上以相同的间距布设测站，测站的距离可根据探查精度来确定疏密，由2米至10米、20米等自行确定。在探查区域内布置测网，测网的各结点处将是测量点。在一些情况下，测站也可以非等间距布设，例如遇有建筑物时。

探查时将发射线圈与接收线圈的中点置于测网的结点处，发射线圈与接收线圈均采用垂直耦极方式，即线圈呈水平放置，且两线圈用水平尺校正。线圈的间距为一般在测深不超过20m时选用10m的线圈间距。沿测线方向移动，对测网的结点逐个进行测量。

***工作时，打开接收机、计算机电源，运行计算机软件，打开发射机。发射机向发射线圈提供占空比为1∶1的双极性矩形脉冲电流，即d／T=1／4。在双极性矩形脉冲的下沿提供一脉冲同步信号，通过电缆输送到计算机A／D板的外触发电路，启动数据采集程序。由于电流关断后至反向工作之前采集到的才是有效的二次场信号，因此，数据采集时间窗仅为发射机工作的1／4周期。数据采集程序以100KHz的速率高速全曲线采集数据，A／D转换时间为10．6μs。

然后对所采集的曲线进行叠加平均处理，处理是对各条曲线逐点进行的，即：求各条曲线上对应同一时刻的采样值的平均值 x和相对偏差d，根据干扰程度选择剔除系数k，以x±k·d为上下限，与每个采样值进行比较，将其中超差的剔除，并记录被剔除的个数，将未超差的采样值取平均后存入计算机，接着再处理各条曲线上下一时刻的采样值，直至全曲线上所有点均处理完毕，从而得到叠加平均后的二次磁场全曲线。在取得数据后，即可在笔记本电脑屏幕上绘出二次磁场的衰变曲线，判断此次采样的正确性，当出现强干扰时，可重复测量，以取得正确的数据。一个结点测量结束后，无需关机，即可移到测线的下一结点，进行同样的测量过程。测量一个结点仅需1～2分钟。

四．探查数据的分析与解释

时域电磁法中，资料解释的主要依据是瞬变场的时间谱及空间分布特性，以及测区的地质和地球物理特征。电磁测深曲线的定量解释方法目前有三种：量板法(曲线对比法)，数字解释法和经验判别法。我们主要采用后两种方法。

首先对探查区域中各测站野外原始观测资料，用三点自相关滤波公式进行滤波计算，绘制时间谱曲线(滤波后的数据)，并绘编成册。

然后将测线上各测站的电磁数据经数据处理，生成该测线的二次电磁响应层析成像的三维视图通过各测线生成的三维视图，可直观得到坝体中电磁异常部位的位置、规模、强度及分布情况。综合各测线二次电磁响应中异常的分布情况，找出各测线间的异常的有机联系，在探查区域圈定异常的规模及走向。对于各测线出现的异常划分出明显异常、一般异常及弱异常。对明显异常的部位计算其所在位置的深度。由于地质异常有其多解性，一般单一的方法并不能确定地质异常。

最后要根据探查所得到的坝体电磁异常并综合地质资料、管理部门的多年观测资料，对坝体电磁异常进行解释。

五．本发明技术的优点

本技术是将原地球物理勘探的瞬变电磁法移植到水利工程的大坝病害隐患的探查，国内外并无先例。本***经山东省尼山水库、河北省岳城水库、山西省漳泽水库现场应用，结果表明本***具有如下优点：

1．高灵敏度。含饱和水的土的电导率比金属矿床的电导率小许多。与地质勘探用TEM***比较，不但异常体电阻率与覆盖层电阻率的比值较小，而且发射矩和接收矩均小102-103倍，探测的难度较大，因而要求***有很高的灵敏度。本***接收机的信号分辨率为0．5μv。

2．测深分辨率高。商用TEM***由于受用途及技术的限制，一般最小测深大于50m。然而大多数土坝坝高在50m以下，有的只有20m-30m。显然，一般TEM***不能用于土坝渗流探测。本***的最小测深为5m，可以满足土坝渗流探测的要求。由于***采用高速A／D转换器(10μs)，并开发了数据采集处理软件，数据传输采用DMA方式，首先将一批数据存入RAM，再进行数据处理。由于使得数据采集的速率较之以往的TEM***的数据采集速度提高了许多倍，可以10μs的等间隔时间高速、全曲线采集二次电磁数据，得到以往难以获得的早期电磁数据，这正是探查浅层地质隐患所需要的。

3．位置分辨率高。土坝的边坡比较陡峭，不能采用大线圈***。本***的发射线圈和接收线圈均采用1m×1m的小线圈，移动灵活，可布置很多测量点，因而可获得较高的位置分辨率。

4．现场数据处理能力强。***采用486型笔记本式微机和便携式喷墨打印机，具有丰富的数据处理软件，可在现场打印输出多种二维和三维图表。极大地方便了用户，提高效率，节省大量的时间。

5．灵活方便。本***的发射机、接收机和微机均采用蓄电池供电，体积较小，便于在水库大坝及水库边坡上移动操作。

6．速度快。一个测站的采样时间仅需1-2分钟。采样速度快。由于采用486型微机，运行速度快，数据采集软件执行时间小于1μs。采样速度主要取决于A／D转换时间。考虑到成本问题，我们采用转换时间为10μs的12位A／D转换器。一次采样总时间为10．6μs。因而，探测的最浅深度可小到5m左右。满足了较低坝高土坝的探测要求。

7．TEM***的灵敏度与发射天线和接收天线的面积成正比。为了提高信噪比，有的***采用大发射线圈，边长达几百米甚至上千米。发射线圈面积达10⁴-10⁶m²。本***采用移动小线圈，即保证了***灵敏度，又适合大坝坝坡上的探查需要。

Claims (4)

1．一种土坝渗流通道及水库大坝地质隐患探查装置，分为发射部分和接收部分，其特征在于：

发射部分由发射机、发射线圈和蓄电池组成，接收部分由接收机、接收线圈和计算机组成；

发射机的输出接发射线圈，发射机发出的同步信号通过电缆送计算机；

接收线圈的输出送接收机，接收机的输出接计算机；

发射线圈和接收线圈均为可移动小线圈。

2．如权利要求1所述的土坝渗流通道及水库大坝地质隐患探查装置，其特征在于：

所述发射机由同步信号电路、晶体振荡器、分频器、时序电路、两路触发器、可控硅全桥及其关断电路和过流保护电路构成，晶振的输出经分频器分频后送入同步信号电路和时序电路，时序电路产生的两列脉冲分别经两路触发器交替触发可控硅全桥，可控硅全桥输出的电流送到发射线圈；

所述接收机由程控放大器、增益控制、放大器、高通滤波、50HZ干扰信号陷波器、低通滤波、模数转换诸单元依次串接而成，模数转换的输出接入所述计算机，所述接收线圈的输出送程控放大器，程控放大器由所述计算机控制；

接收机中还设置同步信号转换电路，发射机中同步信号电路的输出经电缆送至接收机中的同步信号转换电路，该转换电路的输出接模数转换的外触发端。

3．如权利要求1或2所述的土坝渗流通道及水库大坝地质隐患探查装置，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈均为1米×1米矩形线圈。

4．一种土坝渗流通道及水库大坝地质隐患的探查方法，其步骤为：

(1)布置测网

首先在待查区域内布置数条与坝轴线平行的测线，在各测线上布置测站，形成测网，以测网的各结点处为测量点；

然后将发射线圈与接收线圈的中点置于测量点处，发射线圈与接收线圈均采用垂直耦极方式；

(2)结点测量

首先使发射机周期性地发射正负交替的方波脉冲，用接收机在发射机的正向电流关断后至反向工作之前多次采集从地面至预定探测深度的二次磁场信号；

然后对所采集的曲线进行叠加平均处理，处理是对各条曲线逐点进行的，即：求各条曲线上对应同一时刻的采样值的平均值x和相对偏差d，根据干扰程度选择剔除系数k，以 x±k·d为上下限，与每个采样值进行比较，将其中超差的剔除，并记录被剔除的个数，将未超差的采样值取平均后存入计算机，接着再处理各条曲线上下一时刻的采样值，直至全曲线上所有点均处理完毕，从而得到叠加平均后的二次磁场全曲线；

然后在计算机屏幕上绘出此二次磁场的全曲线，判断此次采样的正确性，当出现强干扰时，可重复测量；

一个结点测量结束后，移到测线的下一结点，进行同样的测量过程；

(3)分析解释测量数据

首先对探查区域中各测站野外原始观测资料，用三点自相关滤波公式进行滤波计算，绘制时间谱曲线并绘编成册；

然后将测线上各测站的电磁数据经数据处理，生成该测线的二次电磁响应层析成像的三维视图，通过各测线生成的三维视图，得到坝体中电磁异常部位的位置、规模、强度及分布情况，综合各测线二次电磁响应中异常的分布情况，找出各测线间的异常的有机联系，在探查区域圈定异常的规模及走向，对于各测线出现的异常划分出明显异常、一般异常及弱异常，对明显异常的部位计算其所在位置的深度；

最后根据探查所得到的坝体电磁异常并综合地质资料、管理部门的多年观测资料，对坝体电磁异常进行解释。

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