基于电极瞬变电磁响应的故县大坝渗漏检测

2023-10-17祝肖林沈建国沈永进

长江科学院院报 2023年10期

祝肖林,沈建国,沈永进

(1.天津大学微电子学院,天津 300072; 2.北京华晖探测科技股份有限公司,北京 100083)

0 引言

水利大坝在建设和存续过程中,坝体或混凝土防渗墙发生渗漏会对人员生命财产安全产生威胁。准确定位坝体渗漏的位置,对保证大坝安全至关重要。目前坝体渗漏的探测技术包括直流电法[1-2],探地雷达法[3-4],自然电场法[5]等。近几年,多种方法联合的综合探测方法[6-9]以准确、高效等优点被广泛应用。

渗漏检测中常用的直流电法检测一般只采集稳定直流场的电位信息。但在供电电极导通或关断的瞬间,接地电极还可以接收到电极在介质中激发的瞬态响应,其中包含地层电导率引起的涡流场信息。瞬变电磁法[10-11]利用激励源在介质中激发电磁信号,通过观测接收装置接收到的电磁响应来获取电阻率信息达到探测目的。工程存在渗漏时,渗漏位置的介质电阻率将发生改变,对瞬变电磁信号有很大影响。采用电极激发瞬变电磁响应,观测响应信号的规律和特征,从测量得到的异常信号中分析出地下不均匀物质的导电性能和位置,可以推断矿体、地下水、地质灾害等地下目标体的分布特征。本文基于这个理论,对故县大坝进行渗漏检测。

本文提出的检测方法在传统直流电法检测的基础上增加了检测电极瞬态响应的采集和分析。检测电极的瞬态响应在直流电法检测过程中可同时进行采集,检测信号对渗漏异常位置敏感,检测速度快。瞬变电磁信号的频率成分十分丰富,在地质或坝体检测中所获得的不同频率的瞬变电磁信号满足瞬变电磁能量在边界上的反射和透射特征,以不同的方式携带更为丰富的渗漏信息,有利于准确判断坝体情况,具有较高的研究价值和应用价值[12]。另外该方法采用棒状聚焦电极进行测量,所激发的瞬变电磁信号分辨率较高,探测范围较大,适用于地面或水下检测,施工便利,且不会损坏被检测物本身。

本文提出的检测方法与传统直流电法检测相比,在施工过程不变,检测效率基本不变的情况下,通过改进检测设备中的激发方式和采集方式,保留了原来的自然电位和人工电位的数据,同时通过瞬态波形提供了更多信息,有助于提高渗漏位置判断的准确性。

1 电极激发的瞬变电磁响应

给电极施加激励后,电极激发的瞬变电磁响应中的电流从电极所在位置向外流动呈放射状。电极激发的瞬变电磁场是轴对称的。介质中产生的磁场与电场方向垂直,总的磁场沿圆周方向呈闭合的圆环,在柱坐标系(r,φ,z)中,电矢势只有圆周方向的分量。在激发频谱为V(ω)时,电极激发的响应可以用推迟势描述,其等势面是球面,势函数Fφ(ω)可以表示为

(1)

(2)

式(2)的左端是解析解,右端是积分解,进行无穷积分可以将球面波转化为一系列柱面波的叠加。最后得到电极激发响应的电矢势为

(3)

式(3)可以看作是关于r的函数与z的函数的乘积。在r不同的边界上满足边界条件(电场强度切向z连续、磁场强度切向φ连续)即可进行响应的计算。

(5)

利用阶跃电流给电极施加激励,在激励导通瞬间,介质中产生瞬变电磁响应,瞬变电磁响应结束后达到稳定状态,形成稳定电流场。图1是电极激发的瞬变响应在导通时刻附近随时间的变化曲线。响应在电极导通瞬间迅速增大然后减小。随着电导率的增加,响应峰值减小,且峰值出现的时间较晚。

图1 不同电导率介质中电极激发的瞬变响应Fig.1 Transient response of electrode excitation in different conductivity media

图2是瞬变响应的峰值随介质电导率的变化曲线。在高阻介质中,响应峰值较大。

图2 响应峰值随电导率的变化曲线Fig.2 Response peak of electrode excitation as a function of conductivity

当激励信号的变化为正向导通-正向关断-反向导通-反向关断,电极激发的响应实测波形如图3所示,在通以电流的瞬间,接收电极检测到的信号有一个响应尖峰,该响应尖峰是电极激发的瞬变电磁响应,包含介质的电导率信息。

图3 廊道和水下探测电极布置示意图Fig.3 Schematic diagram of corridor and underwater detection electrode layout

与稳定电流场相比,瞬变电磁响应的幅度衰减较快。但是,电极导通和关断瞬间有很大的电流冲击(激发瞬变电磁场),所激发的瞬变电磁场幅度大,强度高,响应幅度随时间的变化过程还包含介质电导率信息。利用该信息能够有效实现坝体的渗漏检测。

2 故县大坝渗漏检测

故县大坝位于河南故县,始建成于20世纪90年代,该大坝对于黄河下游的防洪工程起着重要作用。故县大坝是混凝土实体重力坝,最大坝高125 m,总库容11.75亿m3,坝顶高程553 m,坝顶宽9 m,坝顶长315 m,共由21个坝段组成。

故县大坝在存续过程中,年久失修。高程520 m廊道2#—3#、3#—4#、6#—7#、10#—11#、13#—14#这5条大坝横缝存在较严重渗水情况、高程494m廊道在5#—6#、6#—7#坝段横缝存在渗水情况、高程440 m廊道在距5#—6#坝段横缝4.9 m处存在环缝渗水情况。通过近几年巡查发现,渗水量在不断增大,推断在这些廊道内的大坝横缝周边破损,同时与大坝横缝存在裂缝连通,坝体内渗水通道裂缝在不断扩张。

本文针对坝体高程为520 m的廊道,位于2#—3#、3#—4#坝段的横缝处展开检测。

2.1 廊道发射-水中接收

为了确定渗漏的具体位置信息,采用电极探测系统对坝体展开渗漏检测。所采用的检测方案一是发射电极在高程520 m的廊道内发射信号,接收电极在水中接收信号。

将发射电极放置在520 m廊道中的不同横缝处,并将多个接收电极置于水中采集电磁信号。发射电极在廊道内对应4#—5#缝向5#—6#缝偏移6 m、4#—5#缝向5#—6#缝偏移3 m、4#—5#缝、4#—5#缝向3#—4#缝偏移3 m、4#—5#缝向3#—4#缝偏移6 m的5个位置发射电磁信号。实验过程中供电电源提供200 V的直流电压。接收电极在坝体垂直墙面附近的水库中进行响应信号的采集,垂直分布于在高程为508～522 m之间。发射电极在廊道中的布置以及水中接收电极的布置如图3所示。

探测过程中移动水下接收电极探头,使其先后对应发射电极所在的5个位置采集响应信号。在正对3#—4#缝的水库放置参考和回路电极,距离坝体面2 m。参考和回路电极的高程分别为515m和520 m时,响应信号的等值线彩色平面图如图4所示。

图4 不同回路电极高程的廊道发射-水中接收的信号等值线Fig.4 Contours of signals of corridor-based transmission and underwater-based reception with different elevations of electrode

当参考和回路电极高程为515 m(图4(a))时,在4#—5#缝正对的位置512～520 m区域内,电压值较小,主要受参考和回路电极位置的影响。在同一个高程观察信号, 图中左侧部分(4#—5#缝向5#—6#缝偏移6 m到4#—5#缝之间)的信号值小于右侧部分(4#—5#缝向3#—4#缝偏移6 m到3#—4#缝之间)的信号值。图中右侧区域尤其是3#—4#缝附近508～514 m的高程范围内则出现了明显的高电位异常,电压范围在0.65～0.7 V之间。该位置的电信号透射传播至大坝墙体外被水下电极接收,推断该区域可能存在渗漏异常。

当参考和回路电极在高程520 m位置(图4(b))时,图中电压范围为0～0.3 V的区域主要分布在图的左半部分,即4#—5#缝向5#—6#缝偏移6 m到4#—5#缝之间,该区域信号数值较小,表明该区域内供电后所激发的电信号几乎没有被水坝墙体外的水下电极接收,高阻墙体阻碍了电信号的传播,该位置不存在疑似渗漏。图中右半部分(4#—5#缝到3#—4#缝)则出现了明显的高电位异常,电压范围在0.4～0.7 V之间,说明该区域存在渗漏异常。高异常电位的深度范围集中在508～514 m,且越靠近图像右下角电位异常数值越大。

综合2个信号检测结果,可以判定检测范围内渗漏异常区间为水平方向3#—4#缝附近,深度范围为高程508～514 m区间。在3#—4#缝的右侧偏向2#—3#缝的区域可能也存在异常,接下来需要对3#—4#缝至1#—2#缝的区域展开检测。

2.2 水中发射-廊道台阶接收

检测方案二采用在水中发射-廊道接收的方式,在大坝内部3#—4#缝至1#—2#缝的区域有2个不同高程的廊道,见图5。图5中白色区域为520 m廊道,绿色区域为494 m廊道,2个廊道被楼梯连接。为进一步明确渗漏的具体位置,采用在水中发射-廊道台阶接收响应信号。水中发射电极分别放置在1#—2#缝至2#—3#缝之间、2#—3#缝,2#—3#缝至3#—4#缝之间和3#—4#缝四个位置进行信号发射。供电电压为200V,参考和回路电极放置在与2#—3#缝对应的下游坝体斜坡上。接收电极摆放在1#—2#缝与3#—4#缝之间的上行台阶上进行信号接收,第一组接收电极在上游靠坝体墙面一侧成一排摆放,第二组接收电极在下游靠斜坡一侧成一排摆放。