瞬变电磁法在堤坝渗漏隐患探测中的应用

孙忠，冀振亚，王德荣，胡博，刘学城，周荣海

(1.长春国地探测仪器工程技术股份有限公司，长春 130000；2.水利部长春机械研究所，长春 130012)

0 引言

时间域电磁法(TEM)也称为瞬变电磁法，是近年来发展较快的一种探测方法。瞬变电磁法具有组合方式多样、异常响应强、分辨率高、工作效率高、对探测区域没有损害等诸多优点。国内的一些单位将瞬变电磁法应用于堤坝上进行渗漏隐患探测[1]，均取得了良好的效果；还有单位对瞬变电磁法应用于堤坝探测中存在的技术问题进行了探索[2]，说明瞬变电磁法是解决堤坝渗漏探测问题的行之有效的方法之一。作者在前人经验的基础上，采用国家地球物理探测仪器工程技术研究中心自主研发的MiniTEM-II型浅层瞬变电磁探测系统对吉林省长春市净月潭水库大坝、新立城水库大坝和石头口门水库大坝进行了勘探实验，通过与现有地质资料比对，验证了瞬变电磁法在渗漏隐患探测中具有良好的应用效果。

1 方法原理与仪器系统

瞬变电磁法是利用不同接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，在一次电磁场发射间歇，用线圈或接地电极接收由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次场，通过观测二次场空间和时间的分布规律，解决有关地质问题的时间域电磁法。本次探测采用磁源做为激励场源，通过分离回线，中心回线和重叠回线三种回线方式的比较[3]，确认采用中心回线装置。该回线装置的特点是与目标耦合紧密、异常幅度大、横向分辨率高，在良导体分布较多区域比重叠回线装置具有更优质的数据。

瞬变电磁探测系统主要包括3部分：①发射系统：包括发电装置、发射机、一定长度的发射线圈，发射线圈通常为正方形；发射机由12 V的电瓶供电，发射机产生一定强度的电流供给发射线圈，从而在地下建立起一次场。②接收系统：由数据采集装置和感应线圈组成，主机的功能是对信号进行放大、模数转换、采样和存储，线圈采用面积11.8 m2的圆形多匝线圈；在本次勘探实验中，选用的仪器是国家地球物理探测仪器工程技术研究中心生产的MiniTEM-II型浅层瞬变电磁探测系统，该仪器性能稳定、接收发射装置精巧、施工方便快捷、探测盲区小，用于接受垂直感应磁场。③同步系统：用于发射系统与接受系统之间的同步，接收机通过同步系统控制发射系统供电和断电的时间，保证信号的采样是在断电后一定时间延迟时刻开始，本次通过GPS天线进行同步。

2 数据采集

2.1 净月潭水库堤坝的数据采集

本次探测工作的工区位于长春市净月开发区内的净月潭水库，目的是通过物探手段了解水库堤坝内部是否存在渗漏隐患及其位置。净月潭工区地貌以丘陵为主，库区周围地形起伏较大，最大高差50 m 左右，坝体结构为均质土坝，符合均匀层状介质的假设。地势开阔，通视状况良好，地下、地表情况较为复杂，行走车辆等干扰源也同时分布在测区周围，不利于地球物理探测的展开，对实际测量的结果会造成一定影响。

基于上述因素，本工程为冬季施工，便于尽量减少外界因素对数据采集的干扰。鉴于测区环境复杂，为在复杂的情况下得到可信的结果，本测区采取了浅层瞬变电磁方法的测量，在现有条件下得出可信物探结论，为甲方今后的管理提供参考依据。根据此次地质任务的需求，在堤坝顶部布置了两条平行测线，长度均为200 m，两条线高差为40 m，分别位于堤坝顶部和堤坝背水面中部顶部，如图1所示。

图1 测线布置图

根据现场施工和地质情况，使用参数如下：①瞬变电磁发射机工作电压12 V；②发射线圈边长10 m；③发射电流为中频跃阶电流(15 A，25 Hz)；④中心线圈接收方式，线圈有效面积11.8 m2；⑤接收叠加次数为1024次；⑥点距20 m，线距10 m。

为了获得高质量的数据，针对此次施工制定了如下要求：①施工人员严格执行相关技术规范；②接收机进行重复实验，保证采集到的数据误差在要求范围内；③施工人员每一次测量前应检查接收和发射线圈的摆放和位置，合格后方可进行观测；④关注数据采集过程，接收或发射端出现问题时应及时检查，解决问题并重新测量；⑤各个测点的坐标与参数准确对应，采集完成及时保存；⑥采集完成后查看数据质量，不符合要求要重新采集，保证数据质量。

物探资料的反演与解释就是根据实际物探工作所取得的相关数据，形成地下岩体的数据模型，然后通过数学手段，将数据模型转化为地质模型，进而推测出地层构造的发育情况，并对相关地质任务做出最终研判。数据反演基于纳比吉安的烟圈理论计算的视电阻率和视深度，理论计算得到的反演结果能够有效地显示数据设定的地电模型的大致形态，而且计算简单、快速。根据实测数据的反演结果，基于烟圈理论的数据反演可以快速地了解探测区域的地电结构，并有助于提高实际反演解释工作的准确性[4]。最后用相关成图软件，绘制视电阻率断面图。根据采集的数据，通过一维反演得到两条视电阻率断面图，如图2和图3所示。横坐标代表测点位置，共200 m，纵坐标代表视深度。

图2 水坝顶部(测线1)断面图

图3 水坝中部(测线2)断面图

通过对断面图、现场情况以及地质资料的分析，得到的结论是两条测线所反应出的坝体内部结构的电阻率未见异常，在勘测范围内坝体内部无异常低阻带，其内部结构均匀，坝体内部无渗漏。为了对勘探结果进行验证，与水库管理方进行了资料互通，证实该坝体无渗漏，与反演结果吻合。

2.2 石头口门水库堤坝探测

长春市石头口门水库地处饮马河中游，位于长春市东约30 km，水库以防洪除涝、供水灌溉为主，始建于1958年6月，1965年10月项目竣工。总库容12.64亿立方米，日供水量占长春市日供水量的70%。该水库控制流域面积约4944 km2，为低山丘陵台地[5]，坝体结构为均质土坝。

根据地质任务，在坝体背水面及堤坝顶部布设2条测线，测线编号分别为SX1和SX2。SX1线处于背水面斜坡上，采用边长为10 m的矩形线圈，沿倾斜面布置；SX2线由于受堤坝顶部宽度限制，在保证探测深度和信号强度的前提下，采用边长为5 m的矩形发射线圈。测线位置如图4所示。

图4 石头口门水库测线位置图

为了减小地形影响和各类干扰，提高信噪比，在技术上采用多次叠加技术，增大发射电流，提高信噪比；同时，精确计算线框面积，保证参数准确。本次采用的参数如下：① 瞬变电磁发射机工作电压12 V；②发射电流为中频跃阶电流(11 A，12.5 Hz)；③中心线圈接收方式，线圈有效面积11.8 m2；④接收叠加次数为512次。

施工按照相关技术规范执行，保证数据质量，与净月潭水库技术要求一致。数据反演基于纳比吉安的烟圈理论计算的视电阻率和视深度，确保反演结果具有很高的准确性。图5和图6为SX1、SX2视电阻率断面图，横坐标代表测点位置，纵坐标代表视深度。其中SX1线东起130 m处存在一处高阻异常，视深度为20～27 m处；SX2线东起110 m处存在异常，视深度7～12 m处，两线互相印证后，异常位置对应准确。该测线整体电阻率分布表现为表层相对高阻，底层相对低阻，整体分层清晰明显，表明坝体及其底部地层结构完整。通过和现有地质资料进行对比，考虑高阻异常为不规则石块可能性较大。

为了对物探结果进行验证，选定SX2线22测点处进行钻孔验证，结果在其下发现石块，位置处于距坝顶12 m处。

图5 SX1线视电阻率断面图

图6 SX2线视电阻率断面图

2.3 新立城水库堤坝探测

长春市新立城水库位于长春市东南方向16 km处，是伊通河流域最大的水利枢纽工程，位于流域中上游。水库总库容5.92亿立方米 (加固后库容)，控制流域面积8255 km2，工程是以城市供水为主，并兼备防洪、灌溉、渔业和旅游等功能。水库由土坝、溢洪道和输水洞等建筑物组成。2007年大坝安全鉴定后建议进行除险加固，经加固后坝基渗水问题已经得到解决[6]。坝体结构为亚黏土均质坝，坝顶高程为224 m，坝长2680 m，顶宽8 m，最大坝高18.15 m。

通过对大坝的充分了解和以往资料的收集整理，对比高密度电法、探地雷达等其他探测手段，确定此次渗漏隐患探测采用瞬变电磁法的中心回线布置方式，其优点是布置方式灵活，对路面无损伤，并且能够快速、有效、准确地得到探测结果，对大坝的管理和问题治理起到帮助。根据地质任务，测线布置在坝顶。由于坝顶铺设了沥青道路，早晚来往车辆密集，所以选择上午10点至下午4点进行勘探工作。在数据正式采集前，对设备进行测试调整，确保合理的参数设定；在数据采集的过程中，距发射线圈两旁20 m处设立禁止通行标志，保证采集过程中受到的干扰最小；实时监控设备工作状态，出现问题重新采集，保证数据质量；施工严格按照相关技术标准执行。

经过现场实验，本次勘探最佳参数如下：①瞬变电磁发射机工作电压12 V；②发射电流为中频跃阶电流(12 A，12.5 Hz)；③中心线圈接收方式，线圈有效面积11.8 m2；④接收叠加次数为512次；⑤采用10 m边长的矩形线圈。

数据反演基于纳比吉安的烟圈理论计算的视电阻率和视深度，可以快速、准确地得到坝体的地下电性结构。由于是分段测量，现选取其中有异常显示的测线视电阻率断面图，如图7所示。横坐标代表测点位置，纵坐标代表视深度。

图7 大坝某段测线视电阻率断面图

图中红色圈出的位置有明显的高阻异常，其位置位于测线上170 m处，距坝顶15 m左右，通过现场验证和地质资料的比对，确定其为水位观测孔。其他测区坝体电性结构均匀，无明显渗漏隐患存在。

3 结语

瞬变电磁法经过半个多世纪的发展，仪器精度不断提高，资料处理技术快速发展，其应用范围正逐步扩大。本研究使用性能稳定、精度高的新型浅层瞬变电磁设备，在多个水库堤坝上进行了实验。为了取得良好的效果，实验从方案设计、仪器参数选择、施工过程、数据处理与解释、地质资料的验证等方面均有严格的要求，使每个环节都准确合理。结果表明，采用浅层瞬变电磁探测系统中心回线装置进行探测可以查明堤坝渗漏隐患，其应用前景十分广阔。当然，由于物探结果存在多解性，可以采用综合物理探测，联合多种物探方法互相验证，对勘探工区情况进行充分了解，并借鉴专家的经验和意见，以提高解释结果的准确度。

参考文献：

[1] 陈清礼, 严良俊, 胡文宝,等. 瞬变电磁法探测水库坝基溶洞的效果[J]. 长江大学学报(自科版), 2005, 2(7):201-203.

[2] 房纯纲, 葛怀光, 贾永梅,等. 瞬变电磁法用于堤防渗漏隐患探测的技术问题[J]. 水电与抽水蓄能, 2001, 25(5):21-24.

[3] 刘英. 浅析瞬变电磁法不同回线装置的优缺点[J]. 物探装备, 2009,19(5):325-327+345.

[4] 李锋平, 杨海燕, 邓居智, 等. 地面瞬变电磁法一维烟圈反演技术研究[J]. 地球物理学进展, 2016,31(2):688-694.

[5] 肖桂义, 陆继龙, 蔡波,等.长春市石头口门水库水质演变及对策[J]. 地质与勘探, 2003,39(6):61-63.

[6] 焦景辉, 陆文婷, 赵宪女. 长春市新立城水库除险加固工程土坝基础防渗处理浅析[J]. 长春工程学院学报(自然科学版), 2014,15(2):73-75+116.