瞬变电磁法在变电站地质物探中的应用

范亚浩， 吴 晟， 曹 敏， 李 川

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院,云南 昆明 650500；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南 昆明 650217)

瞬变电磁法在变电站地质物探中的应用

范亚浩1， 吴 晟1， 曹 敏2， 李 川1

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院,云南 昆明 650500；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南 昆明 650217)

在电力系统地质探测方面，为了查明引发滑坡的地质形态特征，简要介绍了瞬变电磁法(TEM)的工作原理及其探测方法，并以滇东北区某变电站周边边坡进行探测为例，通过对视电阻率成像图进行分析，得到了视深断面图的地形特征，总结了地质形态的分布情况。与传统的电阻率法相比，瞬变电磁法能够高效、简便地运用在山地环境的地质物探中。

山地变电站； 边坡稳定性； 地质物探； 瞬变电磁法； 视电阻率

0 引 言

边坡稳定性对于电力系统的安全和可靠运行起到重要作用。由于长期降雨等作用，地下渗水的流动易引起边坡失稳滑动，造成电力铁塔变形，严重威胁着电力系统的稳定运行。影响边坡稳定性的重要因素是滑动面的摩擦系数，由于滑动面上的摩擦系数是不能直接测量的，只能由滑动面上的含水量来推算，而含水量的大小直接影响滑动面的视电阻率。通过测量视电阻率的大小进而能间接得到滑动面上摩擦系数等信息[1]。

据此，国际国内对于引发滑坡的地质形态特征进行了深入研究，并形成了一系列探测方法。目前，已从理论上提出的地质特征的研究探测方法[2]主要有电法、磁法、遥感、雷达等技术，其中，电法是种类最多、应用面最广、适应性最强的一类方法，采用工程物探技术进行地质探测研究更容易追踪识别。针对各种类型的地质岩体，选取合适的物探技术至关重要。

瞬变电磁法又称时间域电磁法[3], 是一种先进的地球物理勘探方法，近年来其应用范围越来越广泛, 对近地表的岩溶、破碎带等相对较大的目标体的勘查有良好的效果，对地质形态特征的探测有其独特的优势，已有效应用于浅部工程探测。本文以瞬变电磁法在滇东北区某山地变电站周边边坡的应用为例,通过采集地下地质体形成高低阻涡流回路产生的感应信号，经过数据处理快速成像[4]，获得边坡地质形态的分布特征，并对滑坡的可能性提供参考，取得了较好的效果。说明瞬变电磁法可以在浅层地质物探中发挥显著作用[5]。

1 瞬变电磁法原理[5]

瞬变电磁法(TEM),它是建立在电磁感应原理基础上的时间或者人工源电磁探测的一种方法。其工作方法是利用不接地回线向地下发送一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场的间歇期间, 利用另一回线或探头接收由地下地质体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场(按指数规律衰减)。二次场的大小与地下地质体的电性有关：低阻地质体感应二次场衰减速度较慢,二次场电压较大； 高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征,通过对相应信息的提取与分析，可以判断地下异常地质体的电性、性质、规模和产状等，从而可以解决如地下空洞、深部水体、断裂破碎带等地质问题。瞬变电磁法工作原理如图1。

图1 瞬变电磁仪野外工作原理Fig 1 Field working principle of transient electromagnetic device

瞬变电磁法中心回线方式下，接收线圈中心处的二次场垂向分量随时间的变化率∂Bz/∂t和二次场垂向分量Bz可表示为

(1)

(2)

图2 核函数曲线变化特征Fig 2 Curve variation feature of kernel function

视电阻率可表示为

(3)

视电阻率是用来反映岩石和矿石导电性的变化的参数，是对地下电性不均匀体和地形起伏的一种综合反映。在电磁探测中，利用视电阻率大小可以判断地质体的形态分布情况。

2 瞬变电磁法在山地变电站边坡探测中的应用

2.1 试验区概况

本文选定某220 kV山地变电站作为应用试点站。变电站地处滇东北区。此地区属于滇东高原向四川盆地的过度地带，地面坡度大，河流侵蚀与分割强烈，地表破碎，崎岖不平，是以深切割的侵蚀中的石灰岩山地相间分布的地貌形态。气候环境多变，冬夏降雨量分布差异大，是导致此地区变电站周边坡体滑坡发生的最主要的诱发因素。

考虑到此地区的特定地形等因素，同时为提高瞬变电磁法对地下岩体的探测分辨能力，在为变电站拟建铁塔选址时，查明铁塔边坡区域地质体的发育情况至关重要。特别是在灰岩地区，岩溶、溶蚀等地质构造比较发育，采用瞬变电磁法进行探测 ,为变电站拟建铁塔选址提供了充分的设计依据。

实验前勘查了变电站周围的地形及地质概况，根据变电站周围土质坡的发育走向和分布划定了测区和测线，实验对象为一个山地变电站周边铁塔的边坡，如图3所示。

图3 选址布置图Fig 3 Figure of site layout

在布置测线时,沿铁塔坡体向下作为测线，设计了测线1条，测点19个，测道40个，测点间距10 m。实验装置采用LTEM—1瞬变电磁仪，线圈采用中心回线方式[6]，发射线圈半径0.75 m，接收线圈半径0.75 m，发射机关断时间160～170 μs，发射电流11～12 A，采样间隔10 μs，采样时间5 ms。从铁塔下方为起始测点，测线方向为下坡方向，测点1～9之间坡度为20°～30°左右，测点10～19地势较平整，坡度较小。

2.2 实验探测步骤[7]

1)布置:将发射线圈和接收线圈平放于地面上,并且使两者距离发射机大致在5～6 m左右,避免由于距离太近,一次场对接收线圈产生影响。数据采集布置如图4所示。

2)接线:将发射机、发射线圈、接收机、接收线圈用各自特定的线连接好。

3)检查:检查发射机和接收机工作是否正常,并检查各个按钮是否在初始位置。

4)设定测量参数:主要包括发射电流、发射线圈面积、重复频率、测线测点设定、采样时间等。

5)测量:点击测量按钮,开始探测。

6)移至下一个测点,进行下一测点探测。待全部测点探测完成后,测量完毕。

7)数据传输:将接收机中测量的数据输入计算机进行处理。

图4 数据采集布置图Fig 4 Figure of data acquisition layout

2.3 数据处理与分析

根据测量数据，计算出每个测点的视电阻率[8]，实测视电阻率曲线图如图5。

图5 实测视电阻率曲线Fig 5 Measured apparent resistivity curve

利用Surfer工具，对视电阻率成等值线图。其视电阻率拟断面图如图6所示。

图6 视电阻率拟断面图Fig 6 Figure of apparent resistivity pseudo section

由视电阻率拟断面图可以看出:在测线下方为第四纪土质覆盖，探测范围内出现高阻体和低阻体。红色线圈出的位置为高阻区，经查阅地质资料[9]和岩体视电阻率范围，推测该高阻体可能为二叠纪玄武岩岩体，在平面150～180 m，深度40～70 m之间。在探测起始位置，视深35 m左右同样出现了该岩体。黄色线圈出的位置为低阻区，位于平面40～70 m，深度15 m左右，可能为软质泥岩体，也可能与岩石破碎后含水有关,一般来说含水量越大,视电阻率相对越小。通常云南旱季雨季交替，强降雨易破坏边坡土质层与岩石层的稳定性，由于滑坡体成因相对复杂，此次探测地质体特征可为滑坡可能性提供部分参考。由此可见,瞬变电磁法的探测效果是明显的，推断成果是可信的。

通过对视电阻率图像进行分析，可有效地分析出变电站周边边坡地质体分布特征。同时，基于本文所提的瞬变电磁探测方法操作简单，探测时间短，可节省大量人力、物力及财力。

3 结 论

本文提出了一种瞬变电磁探测边坡地质的方法。该方法在地面上施加一个斜阶跃关断的脉冲信号，通过对地下地质体感应信号的检测，反演计算视电阻率并快速成像，从视电阻率断面图中直观判断地下地质体的情况。可以看出:瞬变电磁探测方法对近地表的电性变化信息有一定反映，准确反映了地下浅层岩体的信息。同时考虑到现场探测时干扰信号多而强，采用小波变换滤掉了探测数据中的干扰信号。变电站边坡探测实例表明，该方法探测结果准确，滤波效果良好，可用于工程实际。

[1] 高大维,柳建新.瞬变电磁法在滑坡预警应用中的研究[J].中国地球物理,2011,10:773.

[2] 袁桂琴,熊盛青.地球物理勘查技术与应用研究[J].地质学报，2011,85(11):1745-1758.

[3] 牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南大学出版社,2007.

[4] Efthimios T,Michael S Z,Kazushige W,et al.Fast imaging of TDEM data based on S-inversion[J].Journal of Applied Geophysics,2000(4):15-32.

[5] 于生宝.瞬变电磁法浅层探测技术[J].电波科学学报,2006，21(2):284-286.

[6] Yu C G,Fu Z H,Zhang H Q,et al.Transient process and optimal design of receiver coil for small-loop[J].Geophysical Prospecting,2014,62(2):377-384.

[7] 代 刚.全空间瞬变电磁法及其在地下工程探水中的运用[D].成都:西南交通大学,2003:16-17.

[8] 付志红,孙天财,陈清礼,等.斜阶跃场源瞬变电磁法的全程视电阻率数值计算[J].电工技术学报,2008，23(11):16-20.

[9] 王声跃.云南地理[M].昆明：云南民族出版社,2002:34-64.

Application of transient electromagnetic method in geophysical prospecting in transformer substation

FAN Ya-hao1, WU Sheng1, CAO Min2, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.Yunnan Electric Power Test&Research Institute Group Co Ltd.Test&Research Institute,Kunming 650217,China)

In power system geological survey,in order to find out geological characteristics of landslide,briefly introduce working principle of transient electromagnetic method(TEM)and its detecting method,taking a substation in the northeast of Yunnan Province as an example,by analysis on apparent resistivity imaging map,topographic features of apparent deep cross section are obtained,and the distribution of the geological forms is summarized.Compared with traditional resistivity method,transient electromagnetic method can be used in geological environment of the geophysical exploration.

mountain substation; slope stability; geological geophysical; transient electromagnetic method(TEM); apparent resistivity

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0158—03

2015—10—29

P 631.3

A

1000—9787(2016)07—0158—03

范亚浩(1990-)，男，河南叶县人，硕士研究生，主要研究方向为图像处理与识别的研究。