周華敏,鄔愛清,肖國強,宋俊磊,周黎明,唐鑫達

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室,武漢 430010;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 自動化學(xué)院,武漢 430074)

0 引 言

堤防工程是抵御洪水、保護人民生命財產(chǎn)安全的重要擋水建筑物,我國堤防主要為由不透水覆蓋層與透水的砂礫石、細沙層組成的二元結(jié)構(gòu)型式[1]。滲流管涌是二元結(jié)構(gòu)堤防最常見的破壞形式,是受滲透性、地層結(jié)構(gòu)及其厚度等影響,在堤防兩側(cè)水頭差作用下,堤防土體發(fā)生的渾水集中涌出現(xiàn)象[2]。據(jù)統(tǒng)計,2020年夏汛期我國長江流域管涌滲漏險情占比達80%,管涌險情多發(fā)于堤基條件薄弱堤段,滲流場分布是管涌發(fā)生和演變的重要基礎(chǔ)[3]。但由于堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等影響,傳統(tǒng)管涌查險方法難以準確查明管涌通道分布情況[4]。

地球物理法是堤防管涌通道無損探測的最佳方法,目前已發(fā)展了自然電場法[5]、高密度電法[6]、瞬變電磁法[7]、地質(zhì)雷達法[8]、流場法[9-10]、地面核磁共振法[11]、同位素示蹤法[12]等探測技術(shù)。由于單一物探方法具有局限性和多解性,影響探測精度,因此,普遍采用綜合物探方法進行管涌探測[13]。此外,關(guān)于堤防土體土力學(xué)參數(shù)與地球物理參數(shù)的相關(guān)關(guān)系和滲水前后物性參數(shù)變化特征也是研究熱點[14-15]。在管涌探測儀器研制方面,我國曾開展不少研發(fā)工作,包括：山東黃河河務(wù)局開發(fā)的ZDT-I型和FD2000型智能堤壩隱患綜合探測儀、黃河水利科學(xué)研究院開發(fā)的JT-1型聚束直流電阻率探測系統(tǒng)[16]、中國水利水電科學(xué)研究院研制的系列SDC型堤壩滲漏瞬變電磁儀[17]、中南大學(xué)基于“流場法”原理研發(fā)的DB和DP型堤壩管涌檢測儀[18]等?？傮w而言,當前用于堤防管涌滲漏探測的技術(shù)裝備均存在一定不足,例如：瞬變電磁法難以有效識別淺表層滲漏隱患;高密度電法縱向分辨率不高;流場法不能確定滲漏水在堤內(nèi)的通道和流向。如何快速有效探查堤防管涌滲流通道,有的放矢進行除險加固,是我國防洪減災(zāi)技術(shù)發(fā)展和保障堤防工程安全的迫切需求及發(fā)展趨勢。

磁電阻率(Magnetometric Resistivity,MMR)法,即磁電法,是在地面測量磁場的傳導(dǎo)類電法勘探方法[19],通過檢測一次感應(yīng)磁場推斷地下電導(dǎo)率分布情況。Jakosky[20]于1933年在專利中首次提出通過分析磁場空間變化,研究地下電阻率變化,從而達到勘探目的。隨后,Edwards等[21-22]利用磁電法開展了斷層接觸構(gòu)造勘探研究。早期磁電法在美國、加拿大等應(yīng)用較多,主要用于地面、海洋、井下等的地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源勘查領(lǐng)域[23]。21世紀初期,磁電法被認為是水污染監(jiān)測、地下水資源勘查等工程勘察領(lǐng)域的新技術(shù)[24]。Goldman等[25]證明磁電法能有效探查地下水分布特征和水量情況。Kulessa等[26]通過室內(nèi)試驗表明磁電法能有效查找地下水溶質(zhì)的分布及其遷移運輸情況。近年來,磁電法也被用于水文地質(zhì)與水環(huán)境勘察領(lǐng)域,美國Willowstick公司通過磁電法對地下水流向進行精確模擬,并從理論證明該技術(shù)對解決水壩、環(huán)境監(jiān)測及垃圾瀝濾場等領(lǐng)域探測難題的有效性[27-28]。國內(nèi),傅良魁[29]最先開展磁電法理論研究,隨后,磁電法被應(yīng)用于海洋勘探[30]、污染物運移監(jiān)測[31]等領(lǐng)域,相比傳統(tǒng)電法勘探,磁電法受覆蓋層影響小,場強隨深度衰減比電場更慢[32],具有明顯優(yōu)勢。但磁電法的感應(yīng)磁場能量微弱,通常為nT級甚至更低,微弱磁場信號的檢測能力是制約該技術(shù)發(fā)展的重要因素,因此,本文也稱這種方法為弱磁檢測技術(shù)。

針對弱磁場檢測問題,前期研究主要集中在弱磁場特征正演分析[33]、弱磁場地形校正[34]、信號電流漂移校正[35]、三維反演計算[36]等。隨著技術(shù)的發(fā)展,Willowstick公司于2011年研發(fā)了三分量磁測儀,分辨率達0.012 5 nT,成功應(yīng)用于查找水庫大壩、堤防滲漏點[37]。

基于堤防管涌滲流水的良導(dǎo)電性,本文提出堤防管涌通道磁電法檢測技術(shù),分析管涌滲流導(dǎo)電回路引起的異常磁場分布特征;圍繞弱磁信號檢測難題,提出基于鎖相放大法的弱磁能量增強技術(shù);針對檢測磁場噪聲干擾問題,提出激勵電流漂移校正方法和導(dǎo)線源同頻干擾磁場校正方法,增強有效弱磁場信號能量。在鄱陽湖流域管涌險情段,開展管涌通道弱磁檢測現(xiàn)場試驗,驗證本文所提堤防管涌通道微弱磁場信號檢測技術(shù)的有效性。

1 基于磁電法的堤防管涌檢測技術(shù)

1.1 基本原理

基于磁電法的堤防管涌檢測技術(shù)是利用管涌通道中滲流水的良導(dǎo)電性特點,在管涌口和堤外疑似進水口附近的江水中放置人工供電電極,通過信號發(fā)送機向兩個供電電極施加低頻激勵電流,管涌水流與周圍堤防土體之間的明顯導(dǎo)電性差異,使得管涌通道與供電導(dǎo)線形成電流優(yōu)先回路,并產(chǎn)生能量微弱的低頻一次感應(yīng)磁場,通過在堤防表面測量不同測點的磁場空間變化研究地下電導(dǎo)率變化,進而判識堤防管涌通道分布情況(如圖1所示)。

圖1 基于磁電法的堤防管涌探測技術(shù)原理示意圖

不同于測量電位差的電阻率探測法,基于磁電法的管涌通道檢測技術(shù)利用了導(dǎo)電水溶液形成的電流優(yōu)先路徑擬合管涌通道中的滲流水流向,由于管涌導(dǎo)電回路產(chǎn)生了一次感應(yīng)磁場信號,通過測量磁場強度空間變化分析研究管涌分布特征。由于電場和一次感應(yīng)磁場為非耦合狀態(tài),降低了堤防自身物理特性對磁場的影響,提高管涌通道的可探測性。

建立簡化模型(如圖2所示)：O1O2為管涌通道,通道長度為a,假設(shè)管涌通道為垂直堤防走向的直線型通道,坐標原點為管涌入水口,以垂直堤防走向方向為x軸方向,以堤防走向方向為坐標系y軸方向,z軸為垂直指向地面方向。設(shè)流經(jīng)管涌通道的電流為I,Q點為堤頂測量點,角度φ1、φ2分別為OO1、OO2與O1O2點的夾角,r0為管涌通道O1O2與觀測點Q的距離,h0為管涌通道埋藏深度。

圖2 管涌通道導(dǎo)電回路感應(yīng)磁場矢量圖

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：μ為磁導(dǎo)率,管涌通道內(nèi)電流產(chǎn)生的磁場可類比載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場,因此,采用磁場水平分量能更準確表示管涌通道水平空間分布特征,且垂直管涌通道的y分量精度更高[35]。根據(jù)坐標關(guān)系,磁場強度Ba水平y(tǒng)分量By可表示為

式中θ為Ba與y方向的夾角。

由式(5)可知,當x為常數(shù)時,y分量磁場強度By在y=0,即在管涌通道正上方堤頂測得的磁場值最大,并沿管涌兩側(cè)呈近似正態(tài)分布,逐漸減小。

1.2 管涌通道弱磁場分布特征

為研究管涌通道導(dǎo)電回路激發(fā)的微弱磁場強度水平分量By的分布特征,開展含平直、空間彎曲管涌通道堤防模型的弱磁探測數(shù)值計算。如圖3所示,長方體代表堤防,以堤防走向為y軸方向。堤防土體為黏土介質(zhì),相對磁導(dǎo)率為4.5,電導(dǎo)率為4 mS/m,管涌通道中的滲流水相對磁導(dǎo)率為1,電導(dǎo)率為5.5 mS/m。電流為0.5 A,激勵信號頻率為380 Hz。

圖3 堤防管涌通道模型試驗

圖3(a)為利用Comsol建立的圓柱狀平直管涌通道模型及其水平切面y方向異常磁場等值線圖?？梢?通道電流正上方的y方向磁場等值線圖(即沿著堤防方向)可刻畫管涌通道的水平投影,橢圓等值線的長軸方向反映了地下管涌路徑的位置。圖3(b)為空間彎曲管涌通道模型及其y方向磁場等值線圖,磁場等值線的長軸方向與呈“V”字形的等值線尖端構(gòu)成的連線與地下管涌路徑的水平投影形態(tài)相似。

由此可見,磁電法檢測的一次感應(yīng)磁場y分量能較好反映堤防管涌水流路徑的位置。通過觀測磁場等值線的橢圓長軸方向和“V”字形尖端連線能較好刻畫管涌通道的形態(tài)和位置。

2 管涌探測弱磁信號處理方法

2.1 基于鎖相放大法的弱磁信號能量增強技術(shù)

堤防管涌通道弱磁探測中,待測磁場頻率遠小于激勵場頻率,來自管涌通道的感應(yīng)磁場為低頻微弱磁場信號,通常為0.1～0.01 nT級。檢測信號除待測有效弱信號外,還包含地磁場、同頻干擾磁場等。如何在強噪聲背景下,檢測微弱特征信號一直是制約該技術(shù)發(fā)展的重要難題。

鎖相放大技術(shù)是基于相關(guān)法的弱信號檢測技術(shù),具有很強噪聲抑制能力,可在相位未知情況下,準確檢測弱信號幅值。弱磁場信號B(t)可表示為

B(t)=Vscos(ω0t+θ) 。

(6)

式中：Vs是微弱信號的幅值;ω0是信號的角頻率;θ是弱信號與參考信號的相位差。正交矢量型鎖相放大技術(shù)是采用2個正交的參考信號與弱信號進行相關(guān)運算,即

(7)

如圖4所示,在對信號進行正交矢量相關(guān)計算后,對Vpsd1和Vpsd2進行適當截止頻率的低通濾波,可有效濾除高頻干擾信號,則正交鎖相系統(tǒng)的同相輸出X和Y分別為

X=0.5Vscosθ,Y=0.5Vssinθ。

(8)

圖4 鎖相放大技術(shù)原理

通過式(9)可得待測信號幅值與相位差。

(9)

從式(9)可看出,正交鎖相放大技術(shù)在弱磁信號相位θ未知的情況下,能準確檢測出已知頻率信號的幅值Vs和相位θ。

通過隨機噪聲干擾試驗對鎖相放大技術(shù)的精度和有效性進行測試,第1組試驗是輸入純凈的380 Hz正弦信號作為待測信號,改變輸入信號幅值,記錄該信號經(jīng)鎖相放大處理后的輸出值。第2組試驗是在正弦信號中疊加隨機噪聲信號作為待測信號,保持噪聲信號幅值是有效正弦信號的4.7倍,獲得信噪比為1∶2時,經(jīng)鎖相放大處理后的輸出值,兩組試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的輸入與輸出相關(guān)曲線

由圖5可見,經(jīng)鎖相放大技術(shù)處理后,輸出磁場與輸入磁場幅值相關(guān)系數(shù)高達0.998,顯示出良好線性關(guān)系,且輸出信號對輸入待測信號具有12倍放大效果。這表明,采用鎖相放大技術(shù)能較好增強弱有效信號的能量強度,對弱磁場具有較高分辨能力,激勵信號的相位和頻率可控,抗干擾能力強。

2.2 導(dǎo)線源同頻干擾磁場校正

在堤防管涌通道探測過程中,還面臨著由激勵導(dǎo)線同頻電流所激發(fā)的同頻干擾磁場Bw,即豎直段激勵導(dǎo)線對感應(yīng)磁場水平分量的干擾,該干擾信號難以通過選頻或濾波手段加以消除。

如圖2所示,假設(shè)產(chǎn)生干擾的兩段豎直導(dǎo)線深度分別為h1和h2,當回路中激勵電流為I時,埋深h1的導(dǎo)線在地面測點Q處激發(fā)的干擾磁場為Bw1。以豎直段激勵導(dǎo)線與地面交點作為坐標原點,由式(2)可得h1激勵導(dǎo)線源在測點Q處干擾場為

(10)

式中：μ0為背景磁導(dǎo)率;x1、y1分別為豎直導(dǎo)線端點Q1的橫、縱坐標值,取該磁感應(yīng)強度的y分量Bwy1為

(11)

式中φ為測點O與導(dǎo)線端點的連線與導(dǎo)線的夾角。

同理,對于h2激勵導(dǎo)線源在測點Q處所激發(fā)的干擾場強Bwy2為

(12)

式中x2、y2分別為豎直導(dǎo)線端點Q2的橫、縱坐標值。

導(dǎo)線源的同頻干擾磁場校正方法是在磁場測量結(jié)果減去干擾量,即

By′=By-Bwy1-Bwy2。

(13)

式中By′為校正后的磁場y分量。為突出異常磁場特征,通常對磁場強度進行歸一化處理,計算校正后的觀測磁場值與背景理論磁場的比值,以反映感應(yīng)磁場異常程度,即

(14)

式中：η為磁場比率響應(yīng)因子,該因子去除了背景磁場的影響,突出了有效觀測磁場的異常程度,能更直觀判斷堤防是否存在管涌通道。此外,由于背景場和測量磁場均隨地形變化,通過比率響應(yīng)因子還能有效消除地形因素對管涌通道檢測的影響。

3 堤防管涌探測現(xiàn)場試驗

3.1 試驗概況

2020年7月初,鄱陽湖流域古埠聯(lián)圩堤段江水位不斷抬升,并發(fā)生管涌險情,圖6中電極處為管涌出水點并不斷有水冒出,圖中白色沙袋堆積部位為應(yīng)急搶險的管涌出險段。經(jīng)初步調(diào)研,圖中藍色虛線為該堤段引水閘門舊址地,原用于河道引水灌溉,現(xiàn)已廢棄填埋。為檢驗堤防管涌通道微弱磁場信號檢測技術(shù)的有效性和先進性,在此堤段利用弱磁探測儀,開展管涌通道探測試驗研究,為該堤段的除險加固提供技術(shù)指導(dǎo)。

圖6 古埠聯(lián)圩管涌探測場地概況

3.2 試驗觀測系統(tǒng)布置

試驗前,根據(jù)探測區(qū)域的堤頂寬度、堤防內(nèi)外側(cè)斜坡寬度、堤底平面寬度等測量結(jié)果和管涌出水口位置,布設(shè)激勵源、激勵線、測線。本次試驗觀測系統(tǒng)采用梯形布置方式,激勵線纜呈半方框形繞開探測目標區(qū)域,以減少供電導(dǎo)線磁場影響(如圖7所示)。在堤防內(nèi)側(cè)坡底選擇一個相對較大的管涌出水口放置供電電極(見圖6),將鋼釬電極插入管涌口約1 m深,在堤防外側(cè)將激勵電極置于江水中。激勵導(dǎo)線沿堤防走向靠近水面布置,長度為100 m;在堤防內(nèi)側(cè),激勵線布置在堤坡底農(nóng)田邊緣,激勵線總長261 m,共布置9條測線,每條測線11個測點,點間距2 m,線間距6 m,共采集107個測點的磁場數(shù)據(jù)。電流源放置在距離測區(qū)100 m的位置,激勵頻率為380 Hz,電流為0.5 A。為監(jiān)測回路電流漂移情況,將0.5 Ω的取樣電阻串接入回路,并用電壓表監(jiān)測電阻兩端電壓變化。

圖7 堤防管涌探測布置示意圖

3.3 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果顯示,現(xiàn)場觀測磁場(圖8)存在磁場強度明顯增大區(qū)域,顯示良導(dǎo)電性。該觀測結(jié)果中還包含導(dǎo)線源激發(fā)的干擾磁場,即圖6中位于測區(qū)邊緣的2 m長激勵導(dǎo)線距離測區(qū)較近,該段導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場水平分量會影響待測異常磁場。

圖8 實測磁場等值線

圖9 導(dǎo)線源干擾示意圖

當電流方向如圖9所示時,導(dǎo)線源激發(fā)的磁場水平分量By與地面下方管涌通道中電流激發(fā)的磁場水平分量Bs方向相反,小段導(dǎo)線源激發(fā)磁場使得測量結(jié)果偏小。當電流反向時,該結(jié)論依然成立。根據(jù)接地導(dǎo)線源干擾校正方法,可計算出小段導(dǎo)線源的干擾大小,并得到導(dǎo)線源干擾校正結(jié)果,如圖10所示,磁場最大值出現(xiàn)在電極附近。

圖10 導(dǎo)線源干擾校正后的磁場等值線

為有效反演滲漏通道水平位置,采用背景場進行電極效應(yīng)校正,消除因電極擺放位置造成的影響。背景場只受電流的幅度和相位、電極位置、地形和介質(zhì)磁導(dǎo)率影響,根據(jù)圖7模型和觀測參數(shù),磁導(dǎo)率μ設(shè)為1,背景磁場如圖11所示。

圖11 背景磁場等值線

利用導(dǎo)線源干擾校正后的磁場測量值和背景場值,按式(14)計算得到比率響應(yīng),如圖12所示。比率響應(yīng)圖消除了堤身地形引起的誤差,突出了異常場的位置。圖12中,圈出的區(qū)域a和區(qū)域b的弱磁場比率響應(yīng)值相對較小,表明該區(qū)域的電流密度較小,即導(dǎo)電性相對較差。因此,圖中磁場比率響應(yīng)值較高的區(qū)域就代表高電導(dǎo)率區(qū)域,連接磁場等值線的長軸方向,得到3個主要的電流路徑,圖中標注1、2、3為推斷的管涌通道。

圖12 弱磁場比率響應(yīng)

結(jié)合該堤段地質(zhì)背景概況,對探測結(jié)果進行地質(zhì)解譯,推測得到疑似的管涌通道路徑,并與現(xiàn)場航拍的區(qū)域地形影像圖對比,從而獲得該管涌通道分布圖。由圖13可見,紅色線表示推斷管涌路徑,黑色線為磁場等值線。圖中管涌水流路徑1與該區(qū)的引水河道舊址接近,管涌水流向外匯入圖13中右下角的灌溉排水溝處,即圖12右下角的高磁場強度區(qū)域。電極所處的滲漏出水口,在圖12中也反映出磁場異常,推測滲出水來自于路徑2和路徑3。實際開挖揭露顯示,區(qū)域a和區(qū)域b無管涌或排水溝。

圖13 堤防管涌通道地質(zhì)解譯

根據(jù)磁電法檢測結(jié)果,結(jié)合引水閘門舊址和排水溝以及滲漏出水口的位置關(guān)系,推斷該堤段堤基土體相對松散。在洪水期,隨著水頭差增大,地層土性發(fā)生變化,形成集中水流或管涌通道。水流沿著集中水流通道或原河道方向流動,遇到的阻力更小,從而更容易使老的管涌口復(fù)活。同時在搶險倒濾堆措施作用下,滲漏水以新的薄弱部位為突破口,形成新的管涌路徑,導(dǎo)致該區(qū)出現(xiàn)多個管涌口。本次試驗結(jié)果有效揭示了地下潛在管涌路徑的水平位置,為管涌險情的除險加固提供有力技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

管涌通道的高效高精度檢測對研究堤防管涌演變規(guī)律和汛期堤防除險加固具有重要意義,本文提出基于磁電法的堤防管涌通道檢測技術(shù)及其微弱磁場信號處理技術(shù),利用管涌通道滲流水的良導(dǎo)電性特征,在堤防表面測量不同測點的磁場空間變化,分析研究地下電導(dǎo)率變化,進而推斷堤防管涌通道的水平空間分布位置。

(1)基于弱磁場數(shù)值模擬,分析不同形態(tài)管涌通道的弱磁場空間分布特征。數(shù)值試驗表明,采用沿堤防方向的弱磁場觀測值能更準確反映管涌的分布特征,其等值線的長軸方向或長軸方向與等值線“V”字形的尖端連線方向與管涌通道的水平投影形態(tài)更相似,從而可準確地刻畫管涌通道的水平位置分布特征。

(2)管涌通道的一次感應(yīng)弱磁場為低頻微弱信號,通常為0.1～0.01 nT級。針對強噪聲背景下的微弱特征信號檢測難題,提出了基于鎖相放大法的堤防管涌弱磁信號能量增強技術(shù)。數(shù)值試驗表明,該技術(shù)對待測信號具有12倍的放大效果,對弱磁場有較高的分辨能力,即使在干擾噪聲情況下,也能準確檢測微弱信號。針對弱磁信號成分復(fù)雜問題,提出采用激勵電流漂移校正方法、導(dǎo)線源同頻干擾磁場校正方法提取有效信號,確保接收弱磁場信號是來自管涌通道導(dǎo)電回路的感應(yīng)弱磁場。通常,堤防管涌通道電流密度相對較小,異常弱磁場與背景磁場的差異較小,難以準確刻畫異常特征。為此,提出了基于比率響應(yīng)因子的歸一化磁場校正方法,有效消除堤防起伏地形影響,突出感應(yīng)磁測異常程度。

(3)依托2020年汛期鄱陽湖流域堤防管涌險情開展管涌通道弱磁探測現(xiàn)場試驗,及時查明地下潛在管涌路徑的水平位置,證明了本文所提堤防管涌通道微弱磁場信號檢測方法的有效性和準確性。

(4)本文提出的基于磁電法的堤防管涌通道微弱磁場信號檢測方法也存在一定局限性,現(xiàn)有研究成果能準確檢測出管涌通道水平的分布形態(tài),但無法準確獲取管涌通道的埋藏深度。后續(xù)還需進一步開展磁電法反演成像方法研究,結(jié)合三維非線性反演技術(shù),提高弱磁場的深度分辨能力。

(5)針對堤防管涌通道探測精度低的技術(shù)難題,吸收相關(guān)領(lǐng)域的磁電法探測技術(shù)優(yōu)勢,研究提出基于磁電法的堤防管涌通道微弱磁場信號檢測技術(shù),有效查明探測堤防管涌入水口、管涌通道位置、分布形態(tài)特征及其演變過程,為防汛搶險新技術(shù)開發(fā)提供了方向與思路。不同于傳統(tǒng)的堤防隱患物探方法,該技術(shù)現(xiàn)場實施具有無接地電極、抗現(xiàn)場干擾能力強、探測效率高等優(yōu)勢,對背景電阻率相對較低的堤防土體具有更好的適應(yīng)性。該技術(shù)裝備可成為未來我國堤防管涌快速探測或滲漏通道探測的主要設(shè)備系統(tǒng)之一,可為堤防“體檢”提供有效手段,應(yīng)用前景好,值得進一步開展研究和應(yīng)用推廣。