基于拖曳式瞬變電磁法的渠堤工程快速檢測技術研究

郭士明，謝向文，廖 先

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003； 2.重慶大學 電氣工程學院，重慶 400030）

1 引 言

渠堤工程（南水北調中線、堤防工程等）的內部隱患主要包括洞穴、裂縫、滲漏等，為了了解隱患分布情況，一般采用人工巡檢、地質鉆探或者地球物理方法進行探測。 人工巡檢往往只能發現渠道表觀缺陷，巡查線路長、效率低，地質鉆探具有局部性和破壞力且不滿足快捷、精細的要求，地球物理方法因高效、無損的特點而被廣泛應用。 黃河水利委員會基于國家“八五”重點科技攻關課題，全面開展了堤防隱患探測技術研究［1］。 1998 年特大洪水過后，國家防總和水利部在湖南益陽組織了大規模的堤防隱患探測儀器測評，對比各種儀器方法發現，應用良好的方法有高密度電法、瞬變電磁法、瞬態面波法和地質雷達法［2］。 隨著時代的發展，這些傳統方法的探測效率已經無法滿足大規模建成運行渠堤工程的檢測需求，解決該問題有兩個途徑：一是將探測技術和監測技術相融合，形成地球物理監測體系，實時動態完成探測任務；二是采用拖曳式探測儀器系統，大幅提高探測效率。

針對渠堤工程快速檢測及搶險需求，郭玉松等［3-4］針對探測技術只能在問題出現后進一步確定隱患部位及通道，而不能提前預報險情出現的時間、地點及可能出現的概率，提出了從隱患探測到監測的研究思路。 劉潤澤等［5］對監測方案及技術進行了探討，引入動態監測的理念。 李文忠等［6］探討了時移高密度電阻率法的有效性、可行性，但只是簡單應用2 次探測資料進行對比，其使用的儀器設備并不具備數據4G傳輸、遠程控制、云平臺實時處理預警等功能。 地球物理監測系統真正投入應用還需要開展大量的研究工作。

從快速檢測、隱患普查的角度講，拖曳式探測儀器具有良好的應用前景，其中拖曳式探地雷達主要解決城市道路及渠堤淺部裂縫、脫空問題［7-8］，配合多天線的多點同步聯合掃描和測量，有效探測深度可以達到5 m、寬度達3.75 m。 拖曳式面波可以用于軟弱層隱患探測，其采用陸地式可拖曳電纜，節省了大量時間［9-10］。 拖曳式瞬變電磁法針對3 ～30 m 范圍內的滲漏問題是最為理想的普查手段，但關于其淺部盲區和信號質量問題，目前研究及應用存在空白區。 為了全面、快速檢測渠堤工程內部隱患分布情況，宜采用拖曳式瞬變電磁法及探地雷達法進行隱患普查，圈定存在問題的渠堤段，在詳查階段采用三維高密度電法及連續源面波等方法，結合普查資料，形成綜合檢測技術方案，從而完成地下三維空間隱患形態及展布探測。

瞬變電磁法是一種時間域電磁感應類探測方法，其工作原理是介質在一次電流脈沖激發下產生渦流場，在脈沖的間隔時間利用不接地回線等方式接收二次感應磁場，二次磁場隨時間的衰減規律與地下良導體的導電性、規模、埋深及發射電流的形態和頻率相關［11-13］。 鑒于其對低阻導體反應的靈敏性，在地下水資源、金屬礦探測及工程滲漏檢測等方面應用廣泛［14-16］。

拖曳式瞬變電磁法是根據航空瞬變電磁法的研究思路發展起來的一種陸地快速探測方法［17-18］，是瞬變電磁法的一種全新應用。 它與傳統瞬變電磁法最大的區別在于數據的快速采集。 工程領域典型淺部勘探設備包括美國nanoTEM、加拿大PROTEM 系列，由于瞬變電磁法測量的是二次感應場，需要對一次場進行關斷，因此其設備采用小電流（1～5 A）減小關斷時間，從而減少淺部探測盲區；為了滿足探測需要往往采用小回線（正方形邊長5 ～20 m），同時為了增強信號的幅值，會采用多匝線圈來增大磁矩，但互感問題導致數據穩定性差，需要進行多次疊加，單點采樣時間超過30 s，在后期還需要校正處理。 基于上述問題，傳統瞬變電磁設備難以滿足拖曳式采樣的需求。 丹麥奧胡斯大學水文地球物理研究中心研發了一套適用于淺部工程勘探的拖曳式瞬變電磁系統（見圖1），其核心在于超高發射頻率及快速關斷液冷系統，并采用低頻及高頻兩套發射線圈進行數據采集，保證深部多次疊加，而淺部數據質量較高。 但該系統并不是最理想的裝置選擇：①其通過數十倍于傳統儀器的發射頻率實現拖曳模式，減少數據疊加需要的時間，原始數據質量沒有根本性提高；②高頻和低頻數據需要進行融合，在該過程中數據存在誤差。 基于上述研究現狀，筆者研制了YREC-P10 高精度拖曳式瞬變電磁系統。

圖1 奧胡斯拖曳式瞬變電磁系統工作示意

2 YREC-P10 高精度拖曳式瞬變電磁系統

2.1 系統組成

YREC-P10 高精度拖曳式瞬變電磁系統由發射采集主機、工控機、21 V 鋰電池、可拖曳發射接收一體化線圈、發射接收一體化電纜線、RTK 高精度差分定位系統組成。 系統通過工控機采集軟件設置采集參數，通過USB3.0 對主機進行控制及數據傳輸，通過藍牙連接工控機傳輸GPS 信息，最終在拖曳過程中數據被實時處理，并動態顯示電阻率—深度剖面，系統示意見圖2。

圖2 YREC-P10 高精度拖曳式瞬變電磁系統示意

2.2 參數選擇

為了確保原始數據的質量，同時實現拖曳式數據采集，對瞬變電磁系統的參數需求進行了分析。 該系統的主要任務是3 ～30 m 范圍內的隱患快速探測，考慮到探測效率，需要拖曳速度為5 ～10 km／h。 為了實現該目標，采用與奧胡斯拖曵式瞬變電磁系統不同的設計理念，具體技術參數見表1。

表1 YREC-P10 拖曳式瞬變電磁系統技術參數

2.3 高速關斷及跨環削耦技術

傳統瞬變電磁法為了提高信號信噪比，往往需要多次疊加來抑制噪聲，但該方法犧牲了采集時間。 為了解決該問題，有以下2 個方案：①提高發射頻率，從而在相同時間提高疊加次數，保證信號信噪比；②增大發射磁矩，從而提高原始信號質量。 增加磁矩有增大單匝線圈面積、增大發射電流、增加發射線圈匝數3 種方式，根據需求，該系統采用了后兩種方式，即使用60 A大電流及43 匝發射線圈，從而使發射磁矩達到1 650 A·m2。 采用該方案的缺點是增加了發射電流關斷延時，導致早期場盲區較大。 為了盡可能減小淺部盲區，采用了恒壓鉗位技術及跨環削耦技術，將關斷延時控制在30 μs［19］。

高速關斷技術：基本原理是在發射電流關斷期間，使負載兩端的電壓鉗位在幅值較高的電壓源上。 可實現發射電流下降的目的，從而最大限度縮短關斷延時，減少淺部盲區。

一體化弱耦合線圈：強烈的一次場響應通過發送線圈與接收線圈的互感混入探測信號，在接收線圈的過渡過程作用下信號的一次場響應將持續到關斷時間早期。 為保護接收機和保障運算放大器，接收機對幅值過高的信號實施削波處理，導致有效采樣時刻后延，損失了早期信號。 因此，由一次場導致的信號畸變是瞬變電磁法出現淺層探測盲區的主要原因。 對于小回線系統而言，發送、接收線圈互感問題更為嚴重。 從接收信號中剔除一次場是較為困難的，設計弱耦合的一體化線圈是小回線瞬變電磁的關鍵。 在航空瞬變電磁探測、礦井瞬變電磁探測及小回線拖曳式瞬變系統等淺層探測領域，多使用發射—接收一體化線圈，由于線圈的相對位置是固定的，因此可以通過特殊的布置方式降低線圈的互感，稱為弱耦合結構。

2.4 數據處理解釋

根據設計，拖曳式瞬變電磁系統探測速度為1.3 ～2.7 m／s，為了在巡檢過程中快速發現隱患，系統需要對數據進行疊加、磁場計算、加窗處理及煙圈成像來實現成果快速處理。 上述流程中涉及的算法主要有RTK 坐標位置格式轉換、電動勢轉換為磁場、視電阻率計算等。 其中：RTK 坐標位置格式轉換需要將得到的經緯度格式數據轉換為對應的平面坐標；電動勢轉換為磁場是根據采集的電動勢數據進行計算，得到對應的磁場數據；視電阻率計算是根據計算得到的加窗磁場數據進行煙圈成像，快速得到對應的視電阻率與深度，實現動態快速成像的目的。 數據處理流程見圖3。

圖3 數據處理流程

3 適用性研究

3.1 系統穩定性測試

為了驗證拖曳模式下采集的原始數據的質量，在南水北調中線某挖方段測試了高壓線干擾及不同疊加次數對數據的影響，測試結果見圖4。

圖4 南水北調中線某段系統穩定性測試結果

南水北調中線渠道沿線普遍存在30 kV 高壓線，為了評估本文拖曳式瞬變電磁系統在該工程中的適用性，采用點測模式在測段進行了不同時間的信號采集。采樣參數為：發射頻率32 Hz，電流60 A，疊加次數200次。 通過實測資料分析發現，30 kV 高壓線對瞬變電磁數據干擾不明顯，在衰減曲線全區不存在畸變現象，并且數據在一定時間內保持了良好的穩定性。

考慮到橫向分辨率，需要對拖曳過程中2 m 行進距離的數據進行疊加，根據最大拖曳速度10 km／h，在最低16 Hz 的發射頻率下每個測點共有5 個采樣點數據，因此設計了從5 次到200 次不同的疊加次數，測試點測模式和拖曳模式對數據的影響。 根據測試結果（見圖4（b）），早期不同疊加次數的數據呈現良好的一致性，晚期因本身數據的信噪比而造成了一定的誤差，但不存在畸變，與疊加次數關聯度不高，拖曳模式下數據的質量與疊加采樣點位置地電條件關系更大，采用10 km／h 的拖曳速度具有可行性。

3.2 拖曳模式測試

在某已知金屬管線區域垂直于管線布置1 條測線，進行拖曳探測。 發射頻率32 Hz、電流60 A、探測速度1.5 m／s，采用2 m 間隔進行數據疊加，最后經煙圈成像完成數據的快速解譯，見圖5。 該管線埋深1 m，管徑未知，由于埋深較淺，因此其異常響應明顯，用拖曳式采集很快確定了該管線的位置在15 m 測線處。

圖5 某管線探測成果

4 應用實例

拖曳式瞬變電磁法勘探的主要依據是渠堤隱患與周圍土體間的電阻率差異。 渠堤工程中滲漏問題往往出現在堤身松散體及含砂層位置，這些區域含水率低、電阻率高，遇水后堤身土體中的大量細顆粒在孔隙通道中移動被帶出，形成滲漏通道。 該過程從物性特征上反映為土體含水率逐步升高，電阻率逐步降低，從而與周圍土體形成明顯的電阻率差異，這種差異為瞬變電磁法提供了應用條件。 由于含水率達到一定程度的飽和土電阻率與滲漏通道的電阻率差異較小，因此在渠堤工程中該方法適用于非飽和土介質中的滲漏探測。

4.1 堤防工程應用實例

堤防工程汛期搶險時需要采用快速有效的手段判斷可能存在集中滲漏的堤段，基于滲漏通道低電阻率特征及瞬變電磁法對低阻體的敏感性，采用拖曳式瞬變電磁系統可以迅速圈定異常區域，為封堵處理贏得寶貴的時間。 黃河大堤某段存在一個埋深超過7 m 的排污管道，管徑60 cm，視為集中滲漏通道，采用YRECP10 拖曳式瞬變電磁系統在堤頂路面進行拖曳探測，探測速度為2 m／s，對測試數據經過成像處理，得到探測成果，如圖6 所示。 可見，在12 ～17 m 測線之間存在明顯低阻異常，深度為8 m 左右，推斷為排污管，經查勘驗證，其與實際排污管位置相符。

圖6 黃河大堤某排污管探測成果

4.2 南水北調中線一期工程應用實例

南水北調中線一期工程進入運行管理階段后，集中滲漏是其內部隱患突出問題之一。 為了測試拖曳式瞬變電磁系統在該工程中能否應用于滲漏問題的巡檢，在鄭州段某穿渠排水倒虹吸位置的二級馬道上進行了探測。 該處屬于半挖半填段，地下水位較低，地層主要為填土、粉土和黏土。 表層一般為雜填土和素填土，下部為黏質粉土和粉質黏土，穿渠倒虹吸深度約為15 m，孔數為3 孔，均為滿水情況，孔口尺寸為3.5 m×3.5 m（寬×高），與周圍介質存在明顯電阻率差異。 在以往工作中，采用高密度電法、面波法、探地雷達法進行了探測，但鑒于倒虹吸深度及方法適用性問題，未能成功找到穿渠位置。 采用YREC-P10 拖曳式瞬變電磁系統，探測速度為2 m／s，采用1 m 間距進行數據疊加，探測結果見圖7。 可見，該段存在2 處異常：28 ～31 m測線處存在一個低阻異常，深度為8 m，現場確認發現，造成該異常的原因是橫穿馬道的排水管深度較淺，煙圈成像算法縱向分辨率不足，造成了深度誤差；58～74 m 測線處存在較大規模低阻異常，異常頂界面深度15 m、寬度15 m 左右，通過查勘驗證發現，該位置與3 孔穿渠倒虹吸位置相符，反映了倒虹吸的規模和深度，在該測線其他位置未發現明顯低阻異常，電阻率比較均一，沒有表現出集中滲漏問題。 對南水北調中線一期工程滲漏問題的探測表明，該方法較傳統物探手段具有明顯優勢。

圖7 南水北調中線一期工程某渠段探測成果

5 結 論

根據渠堤工程內部隱患巡檢及搶險的需求，開展了高精度拖曳式瞬變電磁系統的研制，并通過適用性及應用試驗，展示了該方法在滲漏探測方面的優勢。瞬變電磁法尤其是小回線瞬變電磁法，其方法理論并不成熟，正演模擬誤差較大，導致其往往能夠在橫向上精確判斷異常位置，而在縱向深度上無法對隱患埋深進行精確解釋；快速成像算法的深度解釋需要依靠大量已知隱患的探測成果得到經驗系數，從而進行系數調整，因此該方法適用于滲漏通道的快速巡檢，初步判斷隱患位置。

鑒于在推廣示范應用后，拖曳探測數據量龐大，因此在今后的研究中，考慮采用人工智能的手段建立數據庫，通過訓練形成不同渠段正常探測樣本和異常樣本，進而對異常樣本進行特征提取，智能識別并圈定存在問題的渠堤段，最終采用精細的資料處理技術進行二次數據分析，得到精確探測成果。