納米瞬變電磁法在渠堤隱患探測中的應用研究★

劉現鋒 毋光榮 張 騰 郭良春

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

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納米瞬變電磁法在渠堤隱患探測中的應用研究★

劉現鋒 毋光榮 張 騰 郭良春

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

介紹了納米瞬變電磁法探測技術的原理，并通過工程勘察實例，闡述了“偶極裝置+小線框”的納米瞬變電磁法探測技術在渠堤隱患探測中的應用，指出該探測技術具有數據采集速度快、分辨率高等優點，應用前景廣闊。

渠堤，納米瞬變電磁，偶極裝置，小線框

0 引言

南水北調工程是事關國家經濟社會發展全局的重大民生工程，它不僅與國家的利益有著密切的聯系，而且更是關系到沿線人民群眾的生產和生活能否順利發展。由于許多渠堤為高填方和半挖半填工程，部分渠段甚至為“地上河”，因此渠堤的質量便成為施工和日常監控的重點。然而，隨著工程運行時間的加長，渠堤內部的裂隙、不均勻沉降等隱患也在不斷增加，而這些隱患的發展將會導致渠堤表面局部出現裂縫、塌陷等質量缺陷。

目前，無損探測技術在堤防隱患探測應用方面主要有瞬變電磁法、探地雷達法、直流電阻率法和地震勘探等手段。而瞬變電磁法因具有分辨率高、檢測速度快、操作簡便，沒有插入地下電極等優點，適合于渠堤隱患探測的特殊要求。

本文在前人研究基礎上，利用NANOTEM在南水北調工程某渠堤裂縫發育段，采用“偶極裝置+小線框+小采樣間隔+相對合理的小電流”的技術[1]，壓制干擾、突出異常信號，取得了良好的探測效果。

1 納米瞬變電磁探測原理

瞬變電磁法(簡稱TEM)是應用不接地回線向地下發送一脈沖信號，通過在一次場間歇期間利用另一回線接收測量由地下介質產生的二次場隨時間衰減的規律來推測目標地質體的空間賦存狀況[2](見圖1)。

TEM的數學物理基礎是根據導電介質在呈階躍變化狀態下的激勵磁場激發下所引起的渦流場的問題，其由一次場所激發的二次場信號的表達式為:

(1)

由此得到視電阻率計算公式為：

(2)

其中，ρ為地層電阻率,Ω·m；M為發送線圈的磁矩,A·m2；μ0為磁導率,H/m；t為時間,s；q為接收線圈的等效面積,m2。從式(1)和式(2)可以明顯看出，二次場信號與電阻率ρ、時間t成反比，即二次場信號的強弱是由地質目標體的賦存狀態及物理性質所決定的。由信號的時間特性可知，早期信號一般反映淺層地質信息，而晚期信號則反映深層的地質信息[3]。

一般情況下，由于常規瞬變電磁法的發射線框的半徑較大,因此關斷時間較長，瞬變響應的衰減較慢,導致早期電磁信號的損失，致使常規瞬變電磁技術在解決淺層地質問題時存在一定深度的盲區，難以滿足淺層小型目標地質體的探測需要。要提高瞬變電磁法探測淺埋地質體時的分辨率、減小探測盲區，最好的方法就是減小發射線框邊長的同時減小關斷時間[4]，這樣不但異常信號會落在晚期上，而且受發射電流關斷時間的影響也小。一般來說，二次場從開始到結束的時間是非常短暫的，想要探測淺部較小的目標物，不但采樣延遲時間要小，而且要有較高的采樣率，很小的采樣間隔，以便分辨出較小的地質目標體，這也是納米瞬變電磁法產生的原因[5]。納米瞬變電磁法的最大特點在于實現了發射電流的快速關斷、二次場信號的快速取樣,而且發射和接收線框較小，與常規瞬變電磁法相比其關斷時間和采樣間隔更短、更小，在對淺層目標地質體的探測上具有更好的縱向分辨率，這樣便能采集到更多淺層的地質信息,以便達到探測淺層目標地質體的目的。

2 實例分析

2.1 測區工程概況及地球物理特征

測區為南水北調工程某渠堤頂部道路裂縫發育段。該段為高填方渠段，全長約800 m，地形平坦開闊，下部砂性土層含水較豐、具中等透水性。渠堤填筑高度為6 m～11 m，設計斷面采用“金包銀”填筑形式，即內側填筑弱膨脹土、外包水泥摻量為5%的水泥改性土保護層，厚度為1 m。渠道外坡比為1∶2，堤頂寬5 m，堤頂為瀝青鋪設路面。在南水北調工程干渠運行期間，該段右岸渠堤堤頂道路右側出現一條平行于道路走向的裂縫，裂縫最寬處約2 cm。渠堤斷面圖如圖2所示。

瞬變電磁法探測的地球物理前提是地質目標體與周圍介質之間存在較大的電導率差異。通常情況下，對于一段渠堤,填筑材料就近取土,土質可以近似認為是均勻的,因而各處的電導率也是均勻的。當其中某些部位存在缺陷時,該處的電導率就會出現異常。通過探測電導率異常區,就可以發現隱患,并確定其部位。就本次探測堤段而言，當裂縫無水分充填時，其導電率相比周圍介質偏低，電阻率也就偏高；相反，當裂縫有水分充填時，其導電率就比周圍介質偏高，電阻率也就偏低。基于上述理論分析，指導對本次裂縫發育堤段進行探測研究。

2.2 方法技術選擇

瞬變電磁法常用的工作裝置包括：偶極裝置、中心回線裝置、重疊回線裝置、大定源回線裝置等[6]。偶極裝置具有一次場影響較小、探測分辨能力較強、輕便靈活等特點，其可以在不同位置和方向上去激發信號及觀測多個分量，對地質目標體具有較好的分辨能力。根據現場場地條件和地球物理特征，本次裂縫探測選擇偶極裝置并采用小線框發射接收。發射和接收線框尺寸均為1 m×1 m，發送電流根據測區地形地質條件確定為4A，采樣間隔1.2 μs，測點點距0.2 m，線距10 m，測線垂直裂縫發育方向布置，測線布置圖見圖3。

2.3 資料解釋與分析

電阻率斷面圖。

從圖4中可以明顯看出，在該測線水平距離2.6m處存在一高阻區域，根據電阻率等值線特征和地質資料，推測裂縫為向右下方傾斜發育，最大發育深度為1.6m。經開挖驗證，實際情況與探測結果非常吻合。

綜上分析，判定探測段道路裂縫為內側填筑的膨脹土遇水膨脹、失水收縮引起的反復變形造成渠堤邊坡失穩，引發的渠堤路面張裂。

3 結語

“偶極裝置+小線框+小采樣間隔+相對合理的小電流”的納米瞬變電磁法探測技術在道路裂縫探測方面不失為一種快捷、精細、先進并行之有效的方法。通過多年來的實踐和應用，證明納米瞬變電磁法結合小線框探測技術憑借其重量輕、攜帶方便、數據采集速度快、分辨率高等特點，不僅在堤防隱患探測方面具有廣泛的應用前景,而且還可以解決許多特殊的淺層地質問題，應用前景廣闊。

[1] 包乃利，劉鴻福.納米瞬變電磁法在探測淺層鐵礦采空區的實驗研究[J]．地球物理學進展，2013，28(2):952-957.

[2] 郭玉松.TEM法在工程勘察中的研究與應用[J].工程勘察,1998(1):70-72.

[3] 李 巍,王信文,曾方祿,等.瞬變電磁法探測復雜地形不積水采空區的應用[J].CT理論與應用研究,2013,22(3):455-462.

[4] 于生寶，王 忠，嵇艷鞠，等．瞬變電磁法淺層探測技術[J]．電波科學學報，2006，21(2)：284-287．

[5] 田從斌，張國鴻，黃高元，等．納米瞬變電磁法在淺層巖溶勘查中的應用[J]．安徽地質，2010，20(4)：277-278．

[6] 李洪嘉，閆紹波，張 超，等．綜合物探技術在煤礦采空區探測中的應用研究[J]．工程地球物理學報，2014,11(5):714-720.

On application of NanoTEM in detection of troubles in canal banks★

Liu Xianfeng Wu Guangrong Zhang Teng Guo Liangchun

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou450003,China)

The paper introduces the principle for the NanoTEM techniques, illustrates the technique of “depole device+ small coil” in the detection of troubles in canal banks, and points out the detection technique is featured with speedy data collection and high resolution, so it has boarder application.

canal bank, NanoTEM, dipole device, small coil

1009-6825(2016)32-0223-02

2016-09-02★：水利部“948”項目(項目編號：201506)資助

劉現鋒(1985- )，男，工程師

P631.325

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