堤防管涌通道微弱磁场信号检测技术

周华敏,邬爱清,肖国强,宋俊磊,周黎明,唐鑫达

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010;2.中国地质大学(武汉) 自动化学院,武汉 430074)

0 引 言

堤防工程是抵御洪水、保护人民生命财产安全的重要挡水建筑物,我国堤防主要为由不透水覆盖层与透水的砂砾石、细沙层组成的二元结构型式[1]。渗流管涌是二元结构堤防最常见的破坏形式,是受渗透性、地层结构及其厚度等影响,在堤防两侧水头差作用下,堤防土体发生的浑水集中涌出现象[2]。据统计,2020年夏汛期我国长江流域管涌渗漏险情占比达80%,管涌险情多发于堤基条件薄弱堤段,渗流场分布是管涌发生和演变的重要基础[3]。但由于堤基地质结构复杂等影响,传统管涌查险方法难以准确查明管涌通道分布情况[4]。

地球物理法是堤防管涌通道无损探测的最佳方法,目前已发展了自然电场法[5]、高密度电法[6]、瞬变电磁法[7]、地质雷达法[8]、流场法[9-10]、地面核磁共振法[11]、同位素示踪法[12]等探测技术。由于单一物探方法具有局限性和多解性,影响探测精度,因此,普遍采用综合物探方法进行管涌探测[13]。此外,关于堤防土体土力学参数与地球物理参数的相关关系和渗水前后物性参数变化特征也是研究热点[14-15]。在管涌探测仪器研制方面,我国曾开展不少研发工作,包括：山东黄河河务局开发的ZDT-I型和FD2000型智能堤坝隐患综合探测仪、黄河水利科学研究院开发的JT-1型聚束直流电阻率探测系统[16]、中国水利水电科学研究院研制的系列SDC型堤坝渗漏瞬变电磁仪[17]、中南大学基于“流场法”原理研发的DB和DP型堤坝管涌检测仪[18]等。总体而言,当前用于堤防管涌渗漏探测的技术装备均存在一定不足,例如：瞬变电磁法难以有效识别浅表层渗漏隐患;高密度电法纵向分辨率不高;流场法不能确定渗漏水在堤内的通道和流向。如何快速有效探查堤防管涌渗流通道,有的放矢进行除险加固,是我国防洪减灾技术发展和保障堤防工程安全的迫切需求及发展趋势。

磁电阻率(Magnetometric Resistivity,MMR)法,即磁电法,是在地面测量磁场的传导类电法勘探方法[19],通过检测一次感应磁场推断地下电导率分布情况。Jakosky[20]于1933年在专利中首次提出通过分析磁场空间变化,研究地下电阻率变化,从而达到勘探目的。随后,Edwards等[21-22]利用磁电法开展了断层接触构造勘探研究。早期磁电法在美国、加拿大等应用较多,主要用于地面、海洋、井下等的地质构造和矿产资源勘查领域[23]。21世纪初期,磁电法被认为是水污染监测、地下水资源勘查等工程勘察领域的新技术[24]。Goldman等[25]证明磁电法能有效探查地下水分布特征和水量情况。Kulessa等[26]通过室内试验表明磁电法能有效查找地下水溶质的分布及其迁移运输情况。近年来,磁电法也被用于水文地质与水环境勘察领域,美国Willowstick公司通过磁电法对地下水流向进行精确模拟,并从理论证明该技术对解决水坝、环境监测及垃圾沥滤场等领域探测难题的有效性[27-28]。国内,傅良魁[29]最先开展磁电法理论研究,随后,磁电法被应用于海洋勘探[30]、污染物运移监测[31]等领域,相比传统电法勘探,磁电法受覆盖层影响小,场强随深度衰减比电场更慢[32],具有明显优势。但磁电法的感应磁场能量微弱,通常为nT级甚至更低,微弱磁场信号的检测能力是制约该技术发展的重要因素,因此,本文也称这种方法为弱磁检测技术。

针对弱磁场检测问题,前期研究主要集中在弱磁场特征正演分析[33]、弱磁场地形校正[34]、信号电流漂移校正[35]、三维反演计算[36]等。随着技术的发展,Willowstick公司于2011年研发了三分量磁测仪,分辨率达0.012 5 nT,成功应用于查找水库大坝、堤防渗漏点[37]。

基于堤防管涌渗流水的良导电性,本文提出堤防管涌通道磁电法检测技术,分析管涌渗流导电回路引起的异常磁场分布特征;围绕弱磁信号检测难题,提出基于锁相放大法的弱磁能量增强技术;针对检测磁场噪声干扰问题,提出激励电流漂移校正方法和导线源同频干扰磁场校正方法,增强有效弱磁场信号能量。在鄱阳湖流域管涌险情段,开展管涌通道弱磁检测现场试验,验证本文所提堤防管涌通道微弱磁场信号检测技术的有效性。

1 基于磁电法的堤防管涌检测技术

1.1 基本原理

基于磁电法的堤防管涌检测技术是利用管涌通道中渗流水的良导电性特点,在管涌口和堤外疑似进水口附近的江水中放置人工供电电极,通过信号发送机向两个供电电极施加低频激励电流,管涌水流与周围堤防土体之间的明显导电性差异,使得管涌通道与供电导线形成电流优先回路,并产生能量微弱的低频一次感应磁场,通过在堤防表面测量不同测点的磁场空间变化研究地下电导率变化,进而判识堤防管涌通道分布情况(如图1所示)。

图1 基于磁电法的堤防管涌探测技术原理示意图

不同于测量电位差的电阻率探测法,基于磁电法的管涌通道检测技术利用了导电水溶液形成的电流优先路径拟合管涌通道中的渗流水流向,由于管涌导电回路产生了一次感应磁场信号,通过测量磁场强度空间变化分析研究管涌分布特征。由于电场和一次感应磁场为非耦合状态,降低了堤防自身物理特性对磁场的影响,提高管涌通道的可探测性。

建立简化模型(如图2所示)：O1O2为管涌通道,通道长度为a,假设管涌通道为垂直堤防走向的直线型通道,坐标原点为管涌入水口,以垂直堤防走向方向为x轴方向,以堤防走向方向为坐标系y轴方向,z轴为垂直指向地面方向。设流经管涌通道的电流为I,Q点为堤顶测量点,角度φ1、φ2分别为OO1、OO2与O1O2点的夹角,r0为管涌通道O1O2与观测点Q的距离,h0为管涌通道埋藏深度。

图2 管涌通道导电回路感应磁场矢量图

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：μ为磁导率,管涌通道内电流产生的磁场可类比载流直导线产生的磁场,因此,采用磁场水平分量能更准确表示管涌通道水平空间分布特征,且垂直管涌通道的y分量精度更高[35]。根据坐标关系,磁场强度Ba水平y分量By可表示为

式中θ为Ba与y方向的夹角。

由式(5)可知,当x为常数时,y分量磁场强度By在y=0,即在管涌通道正上方堤顶测得的磁场值最大,并沿管涌两侧呈近似正态分布,逐渐减小。

1.2 管涌通道弱磁场分布特征

为研究管涌通道导电回路激发的微弱磁场强度水平分量By的分布特征,开展含平直、空间弯曲管涌通道堤防模型的弱磁探测数值计算。如图3所示,长方体代表堤防,以堤防走向为y轴方向。堤防土体为黏土介质,相对磁导率为4.5,电导率为4 mS/m,管涌通道中的渗流水相对磁导率为1,电导率为5.5 mS/m。电流为0.5 A,激励信号频率为380 Hz。

图3 堤防管涌通道模型试验

图3(a)为利用Comsol建立的圆柱状平直管涌通道模型及其水平切面y方向异常磁场等值线图。可见,通道电流正上方的y方向磁场等值线图(即沿着堤防方向)可刻画管涌通道的水平投影,椭圆等值线的长轴方向反映了地下管涌路径的位置。图3(b)为空间弯曲管涌通道模型及其y方向磁场等值线图,磁场等值线的长轴方向与呈“V”字形的等值线尖端构成的连线与地下管涌路径的水平投影形态相似。

由此可见,磁电法检测的一次感应磁场y分量能较好反映堤防管涌水流路径的位置。通过观测磁场等值线的椭圆长轴方向和“V”字形尖端连线能较好刻画管涌通道的形态和位置。

2 管涌探测弱磁信号处理方法

2.1 基于锁相放大法的弱磁信号能量增强技术

堤防管涌通道弱磁探测中,待测磁场频率远小于激励场频率,来自管涌通道的感应磁场为低频微弱磁场信号,通常为0.1～0.01 nT级。检测信号除待测有效弱信号外,还包含地磁场、同频干扰磁场等。如何在强噪声背景下,检测微弱特征信号一直是制约该技术发展的重要难题。

锁相放大技术是基于相关法的弱信号检测技术,具有很强噪声抑制能力,可在相位未知情况下,准确检测弱信号幅值。弱磁场信号B(t)可表示为

B(t)=Vscos(ω0t+θ) 。

(6)

式中：Vs是微弱信号的幅值;ω0是信号的角频率;θ是弱信号与参考信号的相位差。正交矢量型锁相放大技术是采用2个正交的参考信号与弱信号进行相关运算,即

(7)

如图4所示,在对信号进行正交矢量相关计算后,对Vpsd1和Vpsd2进行适当截止频率的低通滤波,可有效滤除高频干扰信号,则正交锁相系统的同相输出X和Y分别为

X=0.5Vscosθ,Y=0.5Vssinθ。

(8)

图4 锁相放大技术原理

通过式(9)可得待测信号幅值与相位差。

(9)

从式(9)可看出,正交锁相放大技术在弱磁信号相位θ未知的情况下,能准确检测出已知频率信号的幅值Vs和相位θ。

通过随机噪声干扰试验对锁相放大技术的精度和有效性进行测试,第1组试验是输入纯净的380 Hz正弦信号作为待测信号,改变输入信号幅值,记录该信号经锁相放大处理后的输出值。第2组试验是在正弦信号中叠加随机噪声信号作为待测信号,保持噪声信号幅值是有效正弦信号的4.7倍,获得信噪比为1∶2时,经锁相放大处理后的输出值,两组试验结果如图5所示。

图5 系统的输入与输出相关曲线

由图5可见,经锁相放大技术处理后,输出磁场与输入磁场幅值相关系数高达0.998,显示出良好线性关系,且输出信号对输入待测信号具有12倍放大效果。这表明,采用锁相放大技术能较好增强弱有效信号的能量强度,对弱磁场具有较高分辨能力,激励信号的相位和频率可控,抗干扰能力强。

2.2 导线源同频干扰磁场校正

在堤防管涌通道探测过程中,还面临着由激励导线同频电流所激发的同频干扰磁场Bw,即竖直段激励导线对感应磁场水平分量的干扰,该干扰信号难以通过选频或滤波手段加以消除。

如图2所示,假设产生干扰的两段竖直导线深度分别为h1和h2,当回路中激励电流为I时,埋深h1的导线在地面测点Q处激发的干扰磁场为Bw1。以竖直段激励导线与地面交点作为坐标原点,由式(2)可得h1激励导线源在测点Q处干扰场为

(10)

式中：μ0为背景磁导率;x1、y1分别为竖直导线端点Q1的横、纵坐标值,取该磁感应强度的y分量Bwy1为

(11)

式中φ为测点O与导线端点的连线与导线的夹角。

同理,对于h2激励导线源在测点Q处所激发的干扰场强Bwy2为

(12)

式中x2、y2分别为竖直导线端点Q2的横、纵坐标值。

导线源的同频干扰磁场校正方法是在磁场测量结果减去干扰量,即

By′=By-Bwy1-Bwy2。

(13)

式中By′为校正后的磁场y分量。为突出异常磁场特征,通常对磁场强度进行归一化处理,计算校正后的观测磁场值与背景理论磁场的比值,以反映感应磁场异常程度,即

(14)

式中：η为磁场比率响应因子,该因子去除了背景磁场的影响,突出了有效观测磁场的异常程度,能更直观判断堤防是否存在管涌通道。此外,由于背景场和测量磁场均随地形变化,通过比率响应因子还能有效消除地形因素对管涌通道检测的影响。

3 堤防管涌探测现场试验

3.1 试验概况

2020年7月初,鄱阳湖流域古埠联圩堤段江水位不断抬升,并发生管涌险情,图6中电极处为管涌出水点并不断有水冒出,图中白色沙袋堆积部位为应急抢险的管涌出险段。经初步调研,图中蓝色虚线为该堤段引水闸门旧址地,原用于河道引水灌溉,现已废弃填埋。为检验堤防管涌通道微弱磁场信号检测技术的有效性和先进性,在此堤段利用弱磁探测仪,开展管涌通道探测试验研究,为该堤段的除险加固提供技术指导。

图6 古埠联圩管涌探测场地概况

3.2 试验观测系统布置

试验前,根据探测区域的堤顶宽度、堤防内外侧斜坡宽度、堤底平面宽度等测量结果和管涌出水口位置,布设激励源、激励线、测线。本次试验观测系统采用梯形布置方式,激励线缆呈半方框形绕开探测目标区域,以减少供电导线磁场影响(如图7所示)。在堤防内侧坡底选择一个相对较大的管涌出水口放置供电电极(见图6),将钢钎电极插入管涌口约1 m深,在堤防外侧将激励电极置于江水中。激励导线沿堤防走向靠近水面布置,长度为100 m;在堤防内侧,激励线布置在堤坡底农田边缘,激励线总长261 m,共布置9条测线,每条测线11个测点,点间距2 m,线间距6 m,共采集107个测点的磁场数据。电流源放置在距离测区100 m的位置,激励频率为380 Hz,电流为0.5 A。为监测回路电流漂移情况,将0.5 Ω的取样电阻串接入回路,并用电压表监测电阻两端电压变化。

图7 堤防管涌探测布置示意图

3.3 试验结果分析

试验结果显示,现场观测磁场(图8)存在磁场强度明显增大区域,显示良导电性。该观测结果中还包含导线源激发的干扰磁场,即图6中位于测区边缘的2 m长激励导线距离测区较近,该段导线产生的磁场水平分量会影响待测异常磁场。

图8 实测磁场等值线

图9 导线源干扰示意图

当电流方向如图9所示时,导线源激发的磁场水平分量By与地面下方管涌通道中电流激发的磁场水平分量Bs方向相反,小段导线源激发磁场使得测量结果偏小。当电流反向时,该结论依然成立。根据接地导线源干扰校正方法,可计算出小段导线源的干扰大小,并得到导线源干扰校正结果,如图10所示,磁场最大值出现在电极附近。

图10 导线源干扰校正后的磁场等值线

为有效反演渗漏通道水平位置,采用背景场进行电极效应校正,消除因电极摆放位置造成的影响。背景场只受电流的幅度和相位、电极位置、地形和介质磁导率影响,根据图7模型和观测参数,磁导率μ设为1,背景磁场如图11所示。

图11 背景磁场等值线

利用导线源干扰校正后的磁场测量值和背景场值,按式(14)计算得到比率响应,如图12所示。比率响应图消除了堤身地形引起的误差,突出了异常场的位置。图12中,圈出的区域a和区域b的弱磁场比率响应值相对较小,表明该区域的电流密度较小,即导电性相对较差。因此,图中磁场比率响应值较高的区域就代表高电导率区域,连接磁场等值线的长轴方向,得到3个主要的电流路径,图中标注1、2、3为推断的管涌通道。

图12 弱磁场比率响应

结合该堤段地质背景概况,对探测结果进行地质解译,推测得到疑似的管涌通道路径,并与现场航拍的区域地形影像图对比,从而获得该管涌通道分布图。由图13可见,红色线表示推断管涌路径,黑色线为磁场等值线。图中管涌水流路径1与该区的引水河道旧址接近,管涌水流向外汇入图13中右下角的灌溉排水沟处,即图12右下角的高磁场强度区域。电极所处的渗漏出水口,在图12中也反映出磁场异常,推测渗出水来自于路径2和路径3。实际开挖揭露显示,区域a和区域b无管涌或排水沟。

图13 堤防管涌通道地质解译

根据磁电法检测结果,结合引水闸门旧址和排水沟以及渗漏出水口的位置关系,推断该堤段堤基土体相对松散。在洪水期,随着水头差增大,地层土性发生变化,形成集中水流或管涌通道。水流沿着集中水流通道或原河道方向流动,遇到的阻力更小,从而更容易使老的管涌口复活。同时在抢险倒滤堆措施作用下,渗漏水以新的薄弱部位为突破口,形成新的管涌路径,导致该区出现多个管涌口。本次试验结果有效揭示了地下潜在管涌路径的水平位置,为管涌险情的除险加固提供有力技术支撑。

4 结 论

管涌通道的高效高精度检测对研究堤防管涌演变规律和汛期堤防除险加固具有重要意义,本文提出基于磁电法的堤防管涌通道检测技术及其微弱磁场信号处理技术,利用管涌通道渗流水的良导电性特征,在堤防表面测量不同测点的磁场空间变化,分析研究地下电导率变化,进而推断堤防管涌通道的水平空间分布位置。

(1)基于弱磁场数值模拟,分析不同形态管涌通道的弱磁场空间分布特征。数值试验表明,采用沿堤防方向的弱磁场观测值能更准确反映管涌的分布特征,其等值线的长轴方向或长轴方向与等值线“V”字形的尖端连线方向与管涌通道的水平投影形态更相似,从而可准确地刻画管涌通道的水平位置分布特征。

(2)管涌通道的一次感应弱磁场为低频微弱信号,通常为0.1～0.01 nT级。针对强噪声背景下的微弱特征信号检测难题,提出了基于锁相放大法的堤防管涌弱磁信号能量增强技术。数值试验表明,该技术对待测信号具有12倍的放大效果,对弱磁场有较高的分辨能力,即使在干扰噪声情况下,也能准确检测微弱信号。针对弱磁信号成分复杂问题,提出采用激励电流漂移校正方法、导线源同频干扰磁场校正方法提取有效信号,确保接收弱磁场信号是来自管涌通道导电回路的感应弱磁场。通常,堤防管涌通道电流密度相对较小,异常弱磁场与背景磁场的差异较小,难以准确刻画异常特征。为此,提出了基于比率响应因子的归一化磁场校正方法,有效消除堤防起伏地形影响,突出感应磁测异常程度。

(3)依托2020年汛期鄱阳湖流域堤防管涌险情开展管涌通道弱磁探测现场试验,及时查明地下潜在管涌路径的水平位置,证明了本文所提堤防管涌通道微弱磁场信号检测方法的有效性和准确性。

(4)本文提出的基于磁电法的堤防管涌通道微弱磁场信号检测方法也存在一定局限性,现有研究成果能准确检测出管涌通道水平的分布形态,但无法准确获取管涌通道的埋藏深度。后续还需进一步开展磁电法反演成像方法研究,结合三维非线性反演技术,提高弱磁场的深度分辨能力。

(5)针对堤防管涌通道探测精度低的技术难题,吸收相关领域的磁电法探测技术优势,研究提出基于磁电法的堤防管涌通道微弱磁场信号检测技术,有效查明探测堤防管涌入水口、管涌通道位置、分布形态特征及其演变过程,为防汛抢险新技术开发提供了方向与思路。不同于传统的堤防隐患物探方法,该技术现场实施具有无接地电极、抗现场干扰能力强、探测效率高等优势,对背景电阻率相对较低的堤防土体具有更好的适应性。该技术装备可成为未来我国堤防管涌快速探测或渗漏通道探测的主要设备系统之一,可为堤防“体检”提供有效手段,应用前景好,值得进一步开展研究和应用推广。