基于拖曳式瞬变电磁法的渠堤工程快速检测技术研究

郭士明，谢向文，廖 先

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003； 2.重庆大学 电气工程学院，重庆 400030）

1 引 言

渠堤工程（南水北调中线、堤防工程等）的内部隐患主要包括洞穴、裂缝、渗漏等，为了了解隐患分布情况，一般采用人工巡检、地质钻探或者地球物理方法进行探测。 人工巡检往往只能发现渠道表观缺陷，巡查线路长、效率低，地质钻探具有局部性和破坏力且不满足快捷、精细的要求，地球物理方法因高效、无损的特点而被广泛应用。 黄河水利委员会基于国家“八五”重点科技攻关课题，全面开展了堤防隐患探测技术研究［1］。 1998 年特大洪水过后，国家防总和水利部在湖南益阳组织了大规模的堤防隐患探测仪器测评，对比各种仪器方法发现，应用良好的方法有高密度电法、瞬变电磁法、瞬态面波法和地质雷达法［2］。 随着时代的发展，这些传统方法的探测效率已经无法满足大规模建成运行渠堤工程的检测需求，解决该问题有两个途径：一是将探测技术和监测技术相融合，形成地球物理监测体系，实时动态完成探测任务；二是采用拖曳式探测仪器系统，大幅提高探测效率。

针对渠堤工程快速检测及抢险需求，郭玉松等［3-4］针对探测技术只能在问题出现后进一步确定隐患部位及通道，而不能提前预报险情出现的时间、地点及可能出现的概率，提出了从隐患探测到监测的研究思路。 刘润泽等［5］对监测方案及技术进行了探讨，引入动态监测的理念。 李文忠等［6］探讨了时移高密度电阻率法的有效性、可行性，但只是简单应用2 次探测资料进行对比，其使用的仪器设备并不具备数据4G传输、远程控制、云平台实时处理预警等功能。 地球物理监测系统真正投入应用还需要开展大量的研究工作。

从快速检测、隐患普查的角度讲，拖曳式探测仪器具有良好的应用前景，其中拖曳式探地雷达主要解决城市道路及渠堤浅部裂缝、脱空问题［7-8］，配合多天线的多点同步联合扫描和测量，有效探测深度可以达到5 m、宽度达3.75 m。 拖曳式面波可以用于软弱层隐患探测，其采用陆地式可拖曳电缆，节省了大量时间［9-10］。 拖曳式瞬变电磁法针对3 ～30 m 范围内的渗漏问题是最为理想的普查手段，但关于其浅部盲区和信号质量问题，目前研究及应用存在空白区。 为了全面、快速检测渠堤工程内部隐患分布情况，宜采用拖曳式瞬变电磁法及探地雷达法进行隐患普查，圈定存在问题的渠堤段，在详查阶段采用三维高密度电法及连续源面波等方法，结合普查资料，形成综合检测技术方案，从而完成地下三维空间隐患形态及展布探测。

瞬变电磁法是一种时间域电磁感应类探测方法，其工作原理是介质在一次电流脉冲激发下产生涡流场，在脉冲的间隔时间利用不接地回线等方式接收二次感应磁场，二次磁场随时间的衰减规律与地下良导体的导电性、规模、埋深及发射电流的形态和频率相关［11-13］。 鉴于其对低阻导体反应的灵敏性，在地下水资源、金属矿探测及工程渗漏检测等方面应用广泛［14-16］。

拖曳式瞬变电磁法是根据航空瞬变电磁法的研究思路发展起来的一种陆地快速探测方法［17-18］，是瞬变电磁法的一种全新应用。 它与传统瞬变电磁法最大的区别在于数据的快速采集。 工程领域典型浅部勘探设备包括美国nanoTEM、加拿大PROTEM 系列，由于瞬变电磁法测量的是二次感应场，需要对一次场进行关断，因此其设备采用小电流（1～5 A）减小关断时间，从而减少浅部探测盲区；为了满足探测需要往往采用小回线（正方形边长5 ～20 m），同时为了增强信号的幅值，会采用多匝线圈来增大磁矩，但互感问题导致数据稳定性差，需要进行多次叠加，单点采样时间超过30 s，在后期还需要校正处理。 基于上述问题，传统瞬变电磁设备难以满足拖曳式采样的需求。 丹麦奥胡斯大学水文地球物理研究中心研发了一套适用于浅部工程勘探的拖曳式瞬变电磁系统（见图1），其核心在于超高发射频率及快速关断液冷系统，并采用低频及高频两套发射线圈进行数据采集，保证深部多次叠加，而浅部数据质量较高。 但该系统并不是最理想的装置选择：①其通过数十倍于传统仪器的发射频率实现拖曳模式，减少数据叠加需要的时间，原始数据质量没有根本性提高；②高频和低频数据需要进行融合，在该过程中数据存在误差。 基于上述研究现状，笔者研制了YREC-P10 高精度拖曳式瞬变电磁系统。

图1 奥胡斯拖曳式瞬变电磁系统工作示意

2 YREC-P10 高精度拖曳式瞬变电磁系统

2.1 系统组成

YREC-P10 高精度拖曳式瞬变电磁系统由发射采集主机、工控机、21 V 锂电池、可拖曳发射接收一体化线圈、发射接收一体化电缆线、RTK 高精度差分定位系统组成。 系统通过工控机采集软件设置采集参数，通过USB3.0 对主机进行控制及数据传输，通过蓝牙连接工控机传输GPS 信息，最终在拖曳过程中数据被实时处理，并动态显示电阻率—深度剖面，系统示意见图2。

图2 YREC-P10 高精度拖曳式瞬变电磁系统示意

2.2 参数选择

为了确保原始数据的质量，同时实现拖曳式数据采集，对瞬变电磁系统的参数需求进行了分析。 该系统的主要任务是3 ～30 m 范围内的隐患快速探测，考虑到探测效率，需要拖曳速度为5 ～10 km／h。 为了实现该目标，采用与奥胡斯拖曵式瞬变电磁系统不同的设计理念，具体技术参数见表1。

表1 YREC-P10 拖曳式瞬变电磁系统技术参数

2.3 高速关断及跨环削耦技术

传统瞬变电磁法为了提高信号信噪比，往往需要多次叠加来抑制噪声，但该方法牺牲了采集时间。 为了解决该问题，有以下2 个方案：①提高发射频率，从而在相同时间提高叠加次数，保证信号信噪比；②增大发射磁矩，从而提高原始信号质量。 增加磁矩有增大单匝线圈面积、增大发射电流、增加发射线圈匝数3 种方式，根据需求，该系统采用了后两种方式，即使用60 A大电流及43 匝发射线圈，从而使发射磁矩达到1 650 A·m2。 采用该方案的缺点是增加了发射电流关断延时，导致早期场盲区较大。 为了尽可能减小浅部盲区，采用了恒压钳位技术及跨环削耦技术，将关断延时控制在30 μs［19］。

高速关断技术：基本原理是在发射电流关断期间，使负载两端的电压钳位在幅值较高的电压源上。 可实现发射电流下降的目的，从而最大限度缩短关断延时，减少浅部盲区。

一体化弱耦合线圈：强烈的一次场响应通过发送线圈与接收线圈的互感混入探测信号，在接收线圈的过渡过程作用下信号的一次场响应将持续到关断时间早期。 为保护接收机和保障运算放大器，接收机对幅值过高的信号实施削波处理，导致有效采样时刻后延，损失了早期信号。 因此，由一次场导致的信号畸变是瞬变电磁法出现浅层探测盲区的主要原因。 对于小回线系统而言，发送、接收线圈互感问题更为严重。 从接收信号中剔除一次场是较为困难的，设计弱耦合的一体化线圈是小回线瞬变电磁的关键。 在航空瞬变电磁探测、矿井瞬变电磁探测及小回线拖曳式瞬变系统等浅层探测领域，多使用发射—接收一体化线圈，由于线圈的相对位置是固定的，因此可以通过特殊的布置方式降低线圈的互感，称为弱耦合结构。

2.4 数据处理解释

根据设计，拖曳式瞬变电磁系统探测速度为1.3 ～2.7 m／s，为了在巡检过程中快速发现隐患，系统需要对数据进行叠加、磁场计算、加窗处理及烟圈成像来实现成果快速处理。 上述流程中涉及的算法主要有RTK 坐标位置格式转换、电动势转换为磁场、视电阻率计算等。 其中：RTK 坐标位置格式转换需要将得到的经纬度格式数据转换为对应的平面坐标；电动势转换为磁场是根据采集的电动势数据进行计算，得到对应的磁场数据；视电阻率计算是根据计算得到的加窗磁场数据进行烟圈成像，快速得到对应的视电阻率与深度，实现动态快速成像的目的。 数据处理流程见图3。

图3 数据处理流程

3 适用性研究

3.1 系统稳定性测试

为了验证拖曳模式下采集的原始数据的质量，在南水北调中线某挖方段测试了高压线干扰及不同叠加次数对数据的影响，测试结果见图4。

图4 南水北调中线某段系统稳定性测试结果

南水北调中线渠道沿线普遍存在30 kV 高压线，为了评估本文拖曳式瞬变电磁系统在该工程中的适用性，采用点测模式在测段进行了不同时间的信号采集。采样参数为：发射频率32 Hz，电流60 A，叠加次数200次。 通过实测资料分析发现，30 kV 高压线对瞬变电磁数据干扰不明显，在衰减曲线全区不存在畸变现象，并且数据在一定时间内保持了良好的稳定性。

考虑到横向分辨率，需要对拖曳过程中2 m 行进距离的数据进行叠加，根据最大拖曳速度10 km／h，在最低16 Hz 的发射频率下每个测点共有5 个采样点数据，因此设计了从5 次到200 次不同的叠加次数，测试点测模式和拖曳模式对数据的影响。 根据测试结果（见图4（b）），早期不同叠加次数的数据呈现良好的一致性，晚期因本身数据的信噪比而造成了一定的误差，但不存在畸变，与叠加次数关联度不高，拖曳模式下数据的质量与叠加采样点位置地电条件关系更大，采用10 km／h 的拖曳速度具有可行性。

3.2 拖曳模式测试

在某已知金属管线区域垂直于管线布置1 条测线，进行拖曳探测。 发射频率32 Hz、电流60 A、探测速度1.5 m／s，采用2 m 间隔进行数据叠加，最后经烟圈成像完成数据的快速解译，见图5。 该管线埋深1 m，管径未知，由于埋深较浅，因此其异常响应明显，用拖曳式采集很快确定了该管线的位置在15 m 测线处。

图5 某管线探测成果

4 应用实例

拖曳式瞬变电磁法勘探的主要依据是渠堤隐患与周围土体间的电阻率差异。 渠堤工程中渗漏问题往往出现在堤身松散体及含砂层位置，这些区域含水率低、电阻率高，遇水后堤身土体中的大量细颗粒在孔隙通道中移动被带出，形成渗漏通道。 该过程从物性特征上反映为土体含水率逐步升高，电阻率逐步降低，从而与周围土体形成明显的电阻率差异，这种差异为瞬变电磁法提供了应用条件。 由于含水率达到一定程度的饱和土电阻率与渗漏通道的电阻率差异较小，因此在渠堤工程中该方法适用于非饱和土介质中的渗漏探测。

4.1 堤防工程应用实例

堤防工程汛期抢险时需要采用快速有效的手段判断可能存在集中渗漏的堤段，基于渗漏通道低电阻率特征及瞬变电磁法对低阻体的敏感性，采用拖曳式瞬变电磁系统可以迅速圈定异常区域，为封堵处理赢得宝贵的时间。 黄河大堤某段存在一个埋深超过7 m 的排污管道，管径60 cm，视为集中渗漏通道，采用YRECP10 拖曳式瞬变电磁系统在堤顶路面进行拖曳探测，探测速度为2 m／s，对测试数据经过成像处理，得到探测成果，如图6 所示。 可见，在12 ～17 m 测线之间存在明显低阻异常，深度为8 m 左右，推断为排污管，经查勘验证，其与实际排污管位置相符。

图6 黄河大堤某排污管探测成果

4.2 南水北调中线一期工程应用实例

南水北调中线一期工程进入运行管理阶段后，集中渗漏是其内部隐患突出问题之一。 为了测试拖曳式瞬变电磁系统在该工程中能否应用于渗漏问题的巡检，在郑州段某穿渠排水倒虹吸位置的二级马道上进行了探测。 该处属于半挖半填段，地下水位较低，地层主要为填土、粉土和黏土。 表层一般为杂填土和素填土，下部为黏质粉土和粉质黏土，穿渠倒虹吸深度约为15 m，孔数为3 孔，均为满水情况，孔口尺寸为3.5 m×3.5 m（宽×高），与周围介质存在明显电阻率差异。 在以往工作中，采用高密度电法、面波法、探地雷达法进行了探测，但鉴于倒虹吸深度及方法适用性问题，未能成功找到穿渠位置。 采用YREC-P10 拖曳式瞬变电磁系统，探测速度为2 m／s，采用1 m 间距进行数据叠加，探测结果见图7。 可见，该段存在2 处异常：28 ～31 m测线处存在一个低阻异常，深度为8 m，现场确认发现，造成该异常的原因是横穿马道的排水管深度较浅，烟圈成像算法纵向分辨率不足，造成了深度误差；58～74 m 测线处存在较大规模低阻异常，异常顶界面深度15 m、宽度15 m 左右，通过查勘验证发现，该位置与3 孔穿渠倒虹吸位置相符，反映了倒虹吸的规模和深度，在该测线其他位置未发现明显低阻异常，电阻率比较均一，没有表现出集中渗漏问题。 对南水北调中线一期工程渗漏问题的探测表明，该方法较传统物探手段具有明显优势。

图7 南水北调中线一期工程某渠段探测成果

5 结 论

根据渠堤工程内部隐患巡检及抢险的需求，开展了高精度拖曳式瞬变电磁系统的研制，并通过适用性及应用试验，展示了该方法在渗漏探测方面的优势。瞬变电磁法尤其是小回线瞬变电磁法，其方法理论并不成熟，正演模拟误差较大，导致其往往能够在横向上精确判断异常位置，而在纵向深度上无法对隐患埋深进行精确解释；快速成像算法的深度解释需要依靠大量已知隐患的探测成果得到经验系数，从而进行系数调整，因此该方法适用于渗漏通道的快速巡检，初步判断隐患位置。

鉴于在推广示范应用后，拖曳探测数据量庞大，因此在今后的研究中，考虑采用人工智能的手段建立数据库，通过训练形成不同渠段正常探测样本和异常样本，进而对异常样本进行特征提取，智能识别并圈定存在问题的渠堤段，最终采用精细的资料处理技术进行二次数据分析，得到精确探测成果。