纳米瞬变电磁法在渠堤隐患探测中的应用研究★

刘现锋 毋光荣 张 腾 郭良春

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)



纳米瞬变电磁法在渠堤隐患探测中的应用研究★

刘现锋 毋光荣 张 腾 郭良春

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

介绍了纳米瞬变电磁法探测技术的原理，并通过工程勘察实例，阐述了“偶极装置+小线框”的纳米瞬变电磁法探测技术在渠堤隐患探测中的应用，指出该探测技术具有数据采集速度快、分辨率高等优点，应用前景广阔。

渠堤，纳米瞬变电磁，偶极装置，小线框

0 引言

南水北调工程是事关国家经济社会发展全局的重大民生工程，它不仅与国家的利益有着密切的联系，而且更是关系到沿线人民群众的生产和生活能否顺利发展。由于许多渠堤为高填方和半挖半填工程，部分渠段甚至为“地上河”，因此渠堤的质量便成为施工和日常监控的重点。然而，随着工程运行时间的加长，渠堤内部的裂隙、不均匀沉降等隐患也在不断增加，而这些隐患的发展将会导致渠堤表面局部出现裂缝、塌陷等质量缺陷。

目前，无损探测技术在堤防隐患探测应用方面主要有瞬变电磁法、探地雷达法、直流电阻率法和地震勘探等手段。而瞬变电磁法因具有分辨率高、检测速度快、操作简便，没有插入地下电极等优点，适合于渠堤隐患探测的特殊要求。

本文在前人研究基础上，利用NANOTEM在南水北调工程某渠堤裂缝发育段，采用“偶极装置+小线框+小采样间隔+相对合理的小电流”的技术[1]，压制干扰、突出异常信号，取得了良好的探测效果。

1 纳米瞬变电磁探测原理

瞬变电磁法(简称TEM)是应用不接地回线向地下发送一脉冲信号，通过在一次场间歇期间利用另一回线接收测量由地下介质产生的二次场随时间衰减的规律来推测目标地质体的空间赋存状况[2](见图1)。

TEM的数学物理基础是根据导电介质在呈阶跃变化状态下的激励磁场激发下所引起的涡流场的问题，其由一次场所激发的二次场信号的表达式为:

(1)

由此得到视电阻率计算公式为：

(2)

其中，ρ为地层电阻率,Ω·m；M为发送线圈的磁矩,A·m2；μ0为磁导率,H/m；t为时间,s；q为接收线圈的等效面积,m2。从式(1)和式(2)可以明显看出，二次场信号与电阻率ρ、时间t成反比，即二次场信号的强弱是由地质目标体的赋存状态及物理性质所决定的。由信号的时间特性可知，早期信号一般反映浅层地质信息，而晚期信号则反映深层的地质信息[3]。

一般情况下，由于常规瞬变电磁法的发射线框的半径较大,因此关断时间较长，瞬变响应的衰减较慢,导致早期电磁信号的损失，致使常规瞬变电磁技术在解决浅层地质问题时存在一定深度的盲区，难以满足浅层小型目标地质体的探测需要。要提高瞬变电磁法探测浅埋地质体时的分辨率、减小探测盲区，最好的方法就是减小发射线框边长的同时减小关断时间[4]，这样不但异常信号会落在晚期上，而且受发射电流关断时间的影响也小。一般来说，二次场从开始到结束的时间是非常短暂的，想要探测浅部较小的目标物，不但采样延迟时间要小，而且要有较高的采样率，很小的采样间隔，以便分辨出较小的地质目标体，这也是纳米瞬变电磁法产生的原因[5]。纳米瞬变电磁法的最大特点在于实现了发射电流的快速关断、二次场信号的快速取样,而且发射和接收线框较小，与常规瞬变电磁法相比其关断时间和采样间隔更短、更小，在对浅层目标地质体的探测上具有更好的纵向分辨率，这样便能采集到更多浅层的地质信息,以便达到探测浅层目标地质体的目的。

2 实例分析

2.1 测区工程概况及地球物理特征

测区为南水北调工程某渠堤顶部道路裂缝发育段。该段为高填方渠段，全长约800 m，地形平坦开阔，下部砂性土层含水较丰、具中等透水性。渠堤填筑高度为6 m～11 m，设计断面采用“金包银”填筑形式，即内侧填筑弱膨胀土、外包水泥掺量为5%的水泥改性土保护层，厚度为1 m。渠道外坡比为1∶2，堤顶宽5 m，堤顶为沥青铺设路面。在南水北调工程干渠运行期间，该段右岸渠堤堤顶道路右侧出现一条平行于道路走向的裂缝，裂缝最宽处约2 cm。渠堤断面图如图2所示。

瞬变电磁法探测的地球物理前提是地质目标体与周围介质之间存在较大的电导率差异。通常情况下，对于一段渠堤,填筑材料就近取土,土质可以近似认为是均匀的,因而各处的电导率也是均匀的。当其中某些部位存在缺陷时,该处的电导率就会出现异常。通过探测电导率异常区,就可以发现隐患,并确定其部位。就本次探测堤段而言，当裂缝无水分充填时，其导电率相比周围介质偏低，电阻率也就偏高；相反，当裂缝有水分充填时，其导电率就比周围介质偏高，电阻率也就偏低。基于上述理论分析，指导对本次裂缝发育堤段进行探测研究。

2.2 方法技术选择

瞬变电磁法常用的工作装置包括：偶极装置、中心回线装置、重叠回线装置、大定源回线装置等[6]。偶极装置具有一次场影响较小、探测分辨能力较强、轻便灵活等特点，其可以在不同位置和方向上去激发信号及观测多个分量，对地质目标体具有较好的分辨能力。根据现场场地条件和地球物理特征，本次裂缝探测选择偶极装置并采用小线框发射接收。发射和接收线框尺寸均为1 m×1 m，发送电流根据测区地形地质条件确定为4A，采样间隔1.2 μs，测点点距0.2 m，线距10 m，测线垂直裂缝发育方向布置，测线布置图见图3。

2.3 资料解释与分析

电阻率断面图。

从图4中可以明显看出，在该测线水平距离2.6m处存在一高阻区域，根据电阻率等值线特征和地质资料，推测裂缝为向右下方倾斜发育，最大发育深度为1.6m。经开挖验证，实际情况与探测结果非常吻合。

综上分析，判定探测段道路裂缝为内侧填筑的膨胀土遇水膨胀、失水收缩引起的反复变形造成渠堤边坡失稳，引发的渠堤路面张裂。

3 结语

“偶极装置+小线框+小采样间隔+相对合理的小电流”的纳米瞬变电磁法探测技术在道路裂缝探测方面不失为一种快捷、精细、先进并行之有效的方法。通过多年来的实践和应用，证明纳米瞬变电磁法结合小线框探测技术凭借其重量轻、携带方便、数据采集速度快、分辨率高等特点，不仅在堤防隐患探测方面具有广泛的应用前景,而且还可以解决许多特殊的浅层地质问题，应用前景广阔。

[1] 包乃利，刘鸿福.纳米瞬变电磁法在探测浅层铁矿采空区的实验研究[J]．地球物理学进展，2013，28(2):952-957.

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

[3] 李 巍,王信文,曾方禄,等.瞬变电磁法探测复杂地形不积水采空区的应用[J].CT理论与应用研究,2013,22(3):455-462.

[4] 于生宝，王 忠，嵇艳鞠，等．瞬变电磁法浅层探测技术[J]．电波科学学报，2006，21(2)：284-287．

[5] 田从斌，张国鸿，黄高元，等．纳米瞬变电磁法在浅层岩溶勘查中的应用[J]．安徽地质，2010，20(4)：277-278．

[6] 李洪嘉，闫绍波，张 超，等．综合物探技术在煤矿采空区探测中的应用研究[J]．工程地球物理学报，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”项目(项目编号：201506)资助

刘现锋(1985- )，男，工程师

P631.325

A