專利名稱：土壩滲流通道及水庫大壩地質(zhì)隱患探查系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壩滲流通道及水庫大壩地質(zhì)隱患探查裝置和方法。
土壩的安全運行，主要取決于防滲體系的鞏固，該體系由筑壩材料、壩基巖性、防滲護坡等因素構(gòu)成。土石壩的主要筑壩材料是土壤、砂礫石等材料，其防滲體系在長期工作中，諸多因素會產(chǎn)生一系列的變化。壩體的不規(guī)則沉降、壩體內(nèi)的軟弱夾層以及施工質(zhì)量的低劣均會給壩體帶來的種種隱患。防滲護坡的斷裂破碎、壩內(nèi)管涌所形成的滲流通道是威脅著土壩安全運行最嚴重、最危險的隱患之一。各國專家對此十分重視。國際大壩委員會失事統(tǒng)計委員會(ICOLD Ad HocCommittee on Statistical Interpretation of Dam Failure)對截止1987年24個國家的142座失事大壩原因進行統(tǒng)計分析，其中混凝土壩及其基礎(chǔ)16件，土石壩及其基礎(chǔ)104件，土石壩失事占總數(shù)的73％。在失事的土石壩中，由于壩體滲漏造成失事的共24座，占失事土石壩的28％，比例相當高。由此可見，滲漏是造成土石壩失事的主要原因之一。
滲流通道是土壩最嚴重、最危險的隱患之一，它威脅著大壩的安全運行。嚴重的滲漏大大減小了水庫的效益。幾十年來各國的工程師們經(jīng)過不斷努力，已發(fā)明采用了十幾種方法進行土壩滲流研究。然而，沒有一種方法能對土壩的滲流進行普查并準確定位。有些土壩經(jīng)過修補和加固后滲流現(xiàn)象仍然十分嚴重，其主要原因之一在于沒有找到滲漏的準確位置。
我國已建大壩8萬多座，其中大部分為土石壩，高50m以下的壩居多。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計，歷年來失事的大壩中，僅一座混凝土壩，其余全部是土石壩。為確保大壩的安全運行，加強大壩的安全監(jiān)測，特別是病、險壩的監(jiān)測和檢查十分必要。
目前國內(nèi)外最常用的探測土壩滲流通道的方法是自然電場法和激發(fā)極化法。然而這兩種方法具有下列局限性1.需要將電極插入地下，在有砌石護坡的壩坡上，插入電極相當困難；2.在進行水平剖面測量時，一對電極要水平移動，由于不同地層構(gòu)造及操作影響，電極接地電阻變化，影響測量；3.進行垂直剖面探測時由于電阻率法的電極間距一般應為探測深度的4-8倍，因而在探測范圍較小的飽和水區(qū)時，其靈敏度較低，空間分辨率也低；4.探測深度較小，一般為20～40m。5.一些自然現(xiàn)象產(chǎn)生的干擾難以排除，如大地自然電流，地下存在導電物體等；6.數(shù)據(jù)整理和解釋工作很復雜。
近十多年來，國內(nèi)外物探方法的發(fā)展中有一個引人注目的動向，就是瞬變電磁法的廣泛應用，且其領(lǐng)域不斷擴大，已用于固體礦產(chǎn)、油氣、地下水、地熱及構(gòu)造填圖等方面的勘查，但在土壩滲流通道探查方面尚未有人涉足。
瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Sounding)又稱時間域電磁測深法(Time Domain Electromagnetic Sounding)，簡稱TEM法。它利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次磁場間歇期間，用同一回線或另一回線接收感應二次磁場，該二次磁場是由地下導電地質(zhì)體受激勵引起的渦流所誘發(fā)的非穩(wěn)磁場。
TEM法采用發(fā)射和接收天線，沒有插入地下的部件，因而沒有接地電阻的干擾問題。其操作簡便，探測速度快，可布置很多測點，以獲得較高的位置分辨率。對于土壩滲流通道和含水基巖裂縫探測，這一優(yōu)點是十分重要的。可探測上千米深度，這是一突出優(yōu)點。但受其設備性能的限制，目前國際上商業(yè)產(chǎn)品受到一個最小探測深度的限制，這個最小探測深度取決于大地電阻率、發(fā)射機關(guān)斷后沿持續(xù)時間及儀器的最早采樣時間。電阻率低、關(guān)斷后沿持續(xù)時間短以及首次采樣時間早，可使最小探測深度較淺。近地表大部分物質(zhì)的最低電阻率為1-100Ω·m，很多儀器的首次采樣時間為50μs。在這種情況下，最小測量深度約為10-100m。
大多數(shù)土壤和巖石都是具有非常高電阻率的電的絕緣體，完全干燥的粘土也是絕緣體，但是水分的介入則使其成為導體。土壤的導電性與土壤類型、粘土的含量、深度、孔隙率、孔隙含水程度、水質(zhì)、含鹽量、溫度等諸多因素有關(guān)。
庫水經(jīng)壩體裂縫或軟弱夾層形成透水帶在下游坡滲出，在透水通路上其含水量要高于其它部位，由于含水使此部位的導電性增強。壩體及壩基的空洞則呈現(xiàn)絕緣態(tài)，而飽和含水的壩體及壩基充滿水的空洞則呈為良導電體。
由于水庫大壩均為人工填筑而成的，水庫筑壩材料的類型基本一致，在不同位置的填料應視為比較均勻。一般情況下，庫水質(zhì)也是比較均勻的。在以上前提下，排除壩體中已知高電導物體引起的異常后，可以認為壩體電導率高的部位是由于含水量高引起的。但由于壩體的電導率與筑壩材料的電導率、水質(zhì)和含水量等因素有關(guān)，因而，壩體的含水量的確定是一個相當復雜的問題，不能由電導率直接計算出粘土的含水量。
土壩滲流通道的探查因深度變化范圍大，從幾米到幾十米，飽和含水區(qū)小，最大測深一般不超過100m，壩體填筑材料電導率變化范圍較小，一般在10～100mS/m之間，對儀器要求很高，難度很大。國內(nèi)外已有的瞬變電磁測深系統(tǒng)的最小探測深度為25～50m，對大多數(shù)壩高只有20～30m的土壩而言，國內(nèi)外現(xiàn)有的TEM系統(tǒng)是不適用的。更由于壩坡陡峭，大線圈系統(tǒng)無法工作。
鑒于瞬變電磁測深法比傳統(tǒng)的自然電場法、激發(fā)極化法有許多明顯的優(yōu)點，而國內(nèi)外尚無人采用TEM法探測土壩滲流通道，本發(fā)明的目的是提供一種土壩滲流通道及水庫大壩地質(zhì)隱患探查裝置和方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種土壩滲流通道及水庫大壩地質(zhì)隱患探查裝置，分為發(fā)射和接收部分，發(fā)射部分由發(fā)射機、發(fā)射線圈和蓄電池組成，接收部分由接收機、接收線圈和計算機組成；發(fā)射機的輸出接發(fā)射線圈，發(fā)射機發(fā)出的同步信號通過電纜送計算機；接收線圈的輸出送接收機，接收機的輸出接計算機；發(fā)射線圈和接收線圈均為可移動小線圈。
一種土壩滲流通道及水庫大壩地質(zhì)隱患的探查方法，其步驟為(1)布置測網(wǎng)首先在待查區(qū)域內(nèi)布置數(shù)條與壩軸線平行的測線，在各測線上布置測站，形成測網(wǎng)，以測網(wǎng)的各結(jié)點處為測量點；然后將發(fā)射線圈與接收線圈的中點置于測量點處，發(fā)射線圈與接收線圈均采用垂直耦極方式；(2)結(jié)點測量首先使發(fā)射機周期性地發(fā)射正負交替的方波脈沖，用接收機在發(fā)射機的正向電流關(guān)斷后至反向工作之前多次采集二次磁場的全曲線信號；然后對所采集的曲線進行疊加平均處理，處理是對各條曲線逐點進行的，即求各條曲線上對應同一時刻的采樣值的平均值x和相對偏差d，根據(jù)干擾程度選擇剔除系數(shù)k，以x±k·d為上下限，與每個采樣值進行比較，將其中超差的剔除，并記錄被剔除的個數(shù)，將未超差的采樣值取平均后存入計算機，接著再處理各條曲線上下一時刻的采樣值，直至全曲線上所有點均處理完畢，從而得到疊加平均后的二次磁場全曲線；然后在計算機屏幕上繪出此二次磁場的全曲線，判斷此次采樣的正確性，當出現(xiàn)強干擾時，可重復測量；一個結(jié)點測量結(jié)束后，移到測線的下一結(jié)點，進行同樣的測量過程；(3)分析解釋測量數(shù)據(jù)首先對探查區(qū)域中各測站野外原始觀測資料，用三點自相關(guān)濾波公式進行濾波計算，繪制時間譜曲線并繪編成冊；然后將測線上各測站的電磁數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理，生成該測線的二次電磁響應層析成像的三維視圖，通過各測線生成的三維視圖，得到壩體中電磁異常部位的位置、規(guī)模、強度及分布情況，逐測線生成二次電磁響應層析成像的三維視圖，綜合各測線二次電磁響應中異常的分布情況，找出各測線間的異常的有機聯(lián)系，在探查區(qū)域圈定異常的規(guī)模及走向，對于各測線出現(xiàn)的異常劃分出明顯異常、一般異常及弱異常，對明顯異常的部位計算其所在位置的深度；最后根據(jù)探查所得到的壩體電磁異常并綜合地質(zhì)資料、管理部門的多年觀測資料，對壩體電磁異常進行解釋。
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作詳細說明。


圖1為TEM系統(tǒng)工作波形；圖2為感應電壓與時間的關(guān)系圖；圖3為本發(fā)明系統(tǒng)組成圖；圖4為發(fā)射機組成框圖；圖5為接收機組成框圖；圖6為主程序流程圖7為數(shù)據(jù)采集程序流程圖；圖8為可疑值判斷與剔除程序流程圖。
本發(fā)明稱為SDC-1型瞬變電磁測深系統(tǒng)，它包括探查裝置和探查方法。
一.本系統(tǒng)的理論依據(jù)使用電磁測深法探查土壩滲流通道及水庫大壩地質(zhì)隱患的可行性可借助于數(shù)學方法來證明。它源于宏觀電磁場的理論及電磁波的傳播和衰減規(guī)律，主要利用麥克斯韋方程組，即rotH=j+∋D∋t---------(1)]]>rotE=-∋B∋t---------(2)]]>divB＝0 (3)divD＝ρ (4)式中j為電流密度(A/m2)，D為電位移(C/m2)，H為磁場強度(A/m)，E為電場強度(V/m)，B為磁通密度(T)，ρ為電荷密度(C/m2)，t為時間(S)。
在電磁場理論中，介質(zhì)對電磁場有影響，在均勻各向同性介質(zhì)中，在基本矢量間存在以下關(guān)系D＝εE (5)B＝μH (6)j＝σE (7)式中ε、μ、σ分別為介質(zhì)的介質(zhì)常數(shù)、導磁率及導電率。
電磁波在通過一些介質(zhì)時發(fā)生衰減現(xiàn)象，與自由空間不同。因此有μo＝4×10-7H/m (8)εo＝8.85×10-12F/m (9)式中μ/μo為介質(zhì)的相對磁導率，ε/εo為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。ε最大正常值為水，ε/εo＝80；對于巖石，ε/εo＜10。在鐵磁性礦物中μ/μo＜3，一般巖石、礦物的μ/μo通常等于1。于是有ε≈10εo≈9×10-11F/m (10)μ≈μo≈1.3×10-6F/m(11)根據(jù)推算，若波沿Z軸傳播，XY平面為極化平面，可得到H＝Hoe-azcos(ωt-az) (12)TEM法作大地勘測時，一般在測量過程中將一個接收線圈沿測量線方向移動，以測量不同位置的二次磁場信號。發(fā)射線圈內(nèi)有一穩(wěn)定電流流動，并保持相當長的時間，在半空間形成一個磁場。而后這一穩(wěn)定電流突然關(guān)斷，關(guān)斷的方式是可以控制的。圖1a所示的關(guān)斷方式為線性斜波波形。依據(jù)法拉弟定律，發(fā)射線圈內(nèi)的電流急劇下降，會造成原磁場急劇減弱，從而會在附近的導體內(nèi)產(chǎn)生感生電動勢。感生電動勢的大小與原磁場強度隨時間的變化率成正比。因此，一般希望在短時間內(nèi)，將發(fā)射線圈內(nèi)的電流突然降至零，以便產(chǎn)生較大的感生電動勢，見圖1b。該感生電動勢在導體內(nèi)產(chǎn)生渦流。渦流的強度隨時間衰減，其衰減特性與該導體的電導率、大小和形狀有關(guān)，即與其時間常數(shù)有關(guān)。衰減的渦流產(chǎn)生一個與之成正比的二次磁場，見圖1c。二次磁場傳送到地面，在接收線圈內(nèi)產(chǎn)生一個電流，其強度與二次磁場時間變化率成比例。
對于一個均勻半空間，電磁場的傳播過程可以看作是一層一層向下傳播的。電磁場在往地深方向傳播時，其水平范圍也在擴大，類似于“煙圈”效應。
首先，考慮一個分層半空間模型。當發(fā)射線圈電流關(guān)斷時，最初感應電流集中在地表面，其值正比于地面地層的電導率，這是初始階段。在電磁波往深層傳播時，接收線圈上的感應電流正比于t-5/2和ρ-3/2(ρ為深層電阻率)，此階段稱為后期。由于TEM信號隨時間衰減太快，要求儀器有很寬的動態(tài)范圍。圖2繪出了感應電壓與時間的關(guān)系，圖中還繪出了二層模型結(jié)構(gòu)及相應的感應電壓比值。視在電阻率的計算公式如下ρa=μ4πt|2πμr2MrI5tV|2/3--------(13)]]>式中μ-導磁率；r-發(fā)射線圈半徑；Mr-接收矩(圈數(shù)×每圈面積)；I-發(fā)射線圈的電流強度；t-電流關(guān)斷后的時間；V-接收線圈上的感應電壓。實際上，發(fā)射線圈常使用矩形線圈，而計算時以相等面積圓線圈計算。
由圖2可知當?shù)刭|(zhì)異常的電阻率小于覆蓋層的電阻率時，感應電壓較高；反之，感應電壓較小。據(jù)此，可進行地質(zhì)填圖。
二次磁場的信號很弱，在強電磁噪聲影響下，系統(tǒng)將不能正常工作。為確保探查成功，在探查前進行信噪比計算是很重要的。接收線圈感應電壓是接收線圈矩(圈數(shù)×每圈面積)與垂直磁通密度時間變化率的乘積。一般情況下，電磁噪聲電平為10-9-10-10V/m2。即使在很寧靜的條件下，其噪聲電平也只能降至10-11V/m2。經(jīng)簡單計算，由式(1)可得V/Mr=2πr2μI5t|μ4πtρa|2/3=μMt5t|μ4πtρa|2/3---(14)]]>式中Mt是發(fā)射矩(Mt＝2πrI；方形線圈Mt＝L2I。r為圓線圈半徑；L為方線圈邊長)。
如果需要確定在一段特定時間內(nèi)，需要多大發(fā)射電流才能進行有效探測，首先從TEM響應曲線上找出t時刻所對應的ρa，再利用ρa、t和Mt計算出V/Mr值。將此值與本底電磁噪聲電平進行比較，如果信號大于噪聲，就可以進行探測。當然，采用多次采樣平均值的方法，可以減少噪聲水平。采樣N次取平均值時，噪聲水平降至 倍。
二.探查裝置的組成探查裝置分為發(fā)射機和接收機兩部分，請參閱圖3，發(fā)射機部分由發(fā)射機、發(fā)射線圈和蓄電池組成；接收部分由接收機、接收線圈、筆記本式486微型計算機及擴展箱組成。發(fā)射機的輸出接發(fā)射線圈，發(fā)射機發(fā)出的同步信號通過電纜送計算機；接收線圈的輸出送接收機，接收機的輸出接計算機；同步信號由發(fā)射機通過電纜送到計算機。
1.發(fā)射機請參閱圖4，發(fā)射機由同步信號電路、晶振、分頻器、時序電路、兩路觸發(fā)器、可控硅全橋及其關(guān)斷電路和過流保護電路構(gòu)成。3.9936MHz晶振電路的輸出信號經(jīng)分頻后，產(chǎn)生頻率為1040Hz、520Hz、260Hz、130Hz、65Hz等5種方波信號，以適應不同的探測要求，該方波信號被送入同步信號電路和時序電路。時序電路產(chǎn)生兩列脈沖，并分別經(jīng)觸發(fā)器1和觸發(fā)器2交替觸發(fā)可控硅全橋，采用可控硅全橋作為功率輸出級是為了方便地增大功率，本發(fā)射機最大輸出電流20A?？煽毓枞珮蜉敵龅碾娏髦苯铀偷桨l(fā)射線圈。由于當可控硅由直流電源作為陽極電壓源時，一旦導通，就不能關(guān)斷了，因而需要外接關(guān)斷電路。本發(fā)射機的關(guān)斷電路由大功率C-MOS場效應管及輔助電路構(gòu)成。為防止可控硅過流，還設置有過流保護電路。
2.接收機請參閱圖5，接收機由程控放大器、增益控制、放大器、高通濾波、50HZ陷波、低通濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換諸單元依次串接而成，模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出接人計算機，接收線圈的輸出送程控放大器，程控放大器由計算機控制。接收機中還設置同步信號轉(zhuǎn)換電路，發(fā)射機中同步信號電路的輸出經(jīng)電纜送至該同步信號轉(zhuǎn)換電路，該轉(zhuǎn)換電路的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換的外觸發(fā)端。
從發(fā)射機晶振電路的輸出中選擇一路頻率信號，經(jīng)同步信號電路送至接收機，作為微機采樣同步信號。同步信號電路采用RS-232C通信接口電路，可以傳送較遠距離。經(jīng)試驗，采用普通的信號電纜，波特率為300時，至少可以傳送300m。由發(fā)射機送來的RS—232C電平同步信號，經(jīng)同步信號轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為TTL電平，送到A/D轉(zhuǎn)換器的外觸發(fā)電路，作同步采樣觸發(fā)信號。
接收機的設計首先要考慮到二次場信號的特性。一般的TEM系統(tǒng)二次場信號具有下列特點1.信號弱晚期信號電平為10-7V數(shù)量級；
2.動態(tài)范圍大二次場強度從10-1V數(shù)量級變到10-7V數(shù)量級；3.頻帶寬n×103Hz～n×10Hz；作為土壩滲通道探測儀器，本系統(tǒng)還有第四個特點，即測深淺，要求盡可能早的檢測到數(shù)據(jù)。根據(jù)上述二次場信號的特點，要求接收機具有高靈敏度(分辨率高)、采樣速度快、動態(tài)范圍大、抗干擾能力強等特點。從微機技術(shù)考慮，分辨率、采樣速度和動態(tài)范圍這三項技術(shù)指標是很難做到同時提高的。若需要高分辨率和動態(tài)范圍大，應采用高位數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器，而A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，則轉(zhuǎn)換時間越長。就目前的微電子技術(shù)而言，16位A/D轉(zhuǎn)換時間約為50μs，而12位A/D轉(zhuǎn)換時間約為10μs或更短。
為解決上述技術(shù)難題，我們在設計時綜合考慮，兼顧幾方面的高要求高靈敏度要求接收機輸入端信號分辨率為0.5μV。12位A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓為±5V，A/D轉(zhuǎn)換最小位的電壓LSB為5V/212＝1.221mV，則有1221μV/0.5μV＝2441，即要求放大器放大倍數(shù)為2441倍。此處采用儀表用程控增益放大器AM-542，其最大放大倍數(shù)為1024倍，故后二級放大器的放大倍數(shù)為2.38。程控放大器AM-542具有低漂移(1μV/℃)、低增益溫度系數(shù)(±5ppm/℃)、高輸入阻抗(109Ω)和高共模抑制比(90dB)等優(yōu)點，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定，實現(xiàn)了高靈敏度的特點。
采樣速度快。由于采用486型微機，運行速度快，數(shù)據(jù)采集軟件執(zhí)行時間小于1μs。采樣速度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換時間。考慮到成本問題，我們采用轉(zhuǎn)換時間為10μs的12位A/D轉(zhuǎn)換器。一次采樣總時間為10.6μs。因而探測的最淺深度可小到5m左右。滿足了較低壩高土壩的探測要求。
動態(tài)范圍大。本接收機采用12位A/D轉(zhuǎn)換器和210倍程控放大器，因此，總的自動增益控制為222≈4.19×106，即約為6個半數(shù)量級。考慮到試驗調(diào)整方便，本機有人工衰減(1、1/2、1/5、1/10、1/20、1/50、1/100)，從而將動態(tài)范圍又擴大了兩個數(shù)量級。
抗干擾能力強。由于TEM系統(tǒng)測量的二次場在晚期時信號很微弱，因而提高系統(tǒng)的抗干擾能力顯得格外重要。系統(tǒng)提高抗干擾能力可從三方面考慮1.增加發(fā)射矩、濾波和數(shù)字處理技術(shù)。增加發(fā)射矩以提高信噪比是十分有效的，然而旨在作為土壩滲流通道探測的本系統(tǒng)而言，發(fā)射功率和發(fā)射線圈的尺寸與圈數(shù)均受到一定的限制，因而發(fā)射矩不可能很大(＜100Am2)。為此，我們在接收機的硬件和計算機軟件上采用下列有效措施2.發(fā)射機工作頻率為65Hz-1040Hz，設計了＞30Hz的高通濾波器和＜3000Hz的低通濾波器；為抑制現(xiàn)場電源線路干擾，設計了50Hz陷波器；3.在數(shù)據(jù)處理上采用了疊加平均、粗大誤差剔除及曲線平滑等措施。
3.天線瞬變電磁系統(tǒng)的靈敏度與發(fā)射天線和接收天線的面積成正比。為了提高信噪比，有的系統(tǒng)采用大發(fā)射線圈，邊長達幾百米甚至上千米。發(fā)射線圈面積達104-106m2。為使用方便和保證線圈有足夠的機械強度，本系統(tǒng)采用移動小線圈。發(fā)射線圈和接收線圈均為1m×1m矩形線圈。為了增加面積，只有增加線圈圈數(shù)。然而，圈數(shù)增加導致線圈電感量和時間常數(shù)增加，致使發(fā)射電流方波的下降沿變緩，即dI/dt減小，影響一次場強度。經(jīng)試驗，本系統(tǒng)發(fā)射線圈圈數(shù)采用24圈，線圈電感量為1.82mH。在系統(tǒng)工作頻率內(nèi)，可保證良好的發(fā)射信號波形。發(fā)射線圈采用較粗銅線，以減少電阻值，增加發(fā)射電流。增加接收線圈圈數(shù)，可以增加靈敏度，但不能改善信噪比，以保證足夠的靈敏度為準。本系統(tǒng)接收線圈也采用24圈。
目前本系統(tǒng)中兩線圈所采用的間距為40m、20m和10m三種，可根據(jù)探查目標的情況選用。對于壩高20m～30m的土壩，一般常選用線圈間距為10m。當壩高超過30m時，一般選用線圈間距為20m，需要時可選用40m的線圈間距。系統(tǒng)工作時，一般采用電激發(fā)方式，即兩線圈的法線垂直于地面(線圈平面與地面平行)。在不同測量點測量時，保持線圈間距不變，利用水平尺保證兩線圈平面相互平行。
4.微機及外圍設備計算機技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了486型筆記本式微機和筆記本式打印機，為現(xiàn)場的數(shù)據(jù)處理和輸出提供了良好的硬件環(huán)境?？紤]到降低成本，我們選用的Arima筆記本微機。25MHz主頻足夠快，對采樣速度影響很小。選用Arime微機的另一原因是微機可與該公司生產(chǎn)的擴展箱通過插頭座直接連接，不需要電纜，結(jié)構(gòu)緊湊，便于野外移動操作。
12位A/D轉(zhuǎn)換板安裝在擴展箱內(nèi)，通過PC總線與微機相連。A/D轉(zhuǎn)換時間為10μs。采用DMA方式。該板設有內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種啟動方式。本系統(tǒng)采用外觸發(fā)方式。由發(fā)射機送來的同步信號，經(jīng)接收機轉(zhuǎn)換電平后，送到外觸發(fā)接口電路。
系統(tǒng)配有Canon BJ-10SX型小型筆記本式噴墨打印機，可帶到現(xiàn)場，及時輸出各種圖表。系統(tǒng)除打印機外，采用12V蓄電池組作為電源。發(fā)射機部分和接收機部分分別供電，發(fā)射主回路單獨使用一個26A/H蓄電池。
本系統(tǒng)選用了小巧輕便的486微機及外圍設備，可在現(xiàn)場及時處理數(shù)據(jù)和得到有關(guān)圖表，以指導下一步的探測工作，這是探測技術(shù)的一大進步。
5.軟件設計目前本系統(tǒng)采用的筆記本微機CPU為486DX、主頻25MHz、內(nèi)存4Mbit、硬盤120Mbit。配有1.44Mbit軟盤驅(qū)動器一臺，液晶顯示器分辨率為1024×768。A/D轉(zhuǎn)換器置于微機擴展箱內(nèi)。配有筆記本式噴墨打印機。微機系統(tǒng)的如此配置為系統(tǒng)的開發(fā)帶來了很多便利和優(yōu)點，其中用高級語言和匯編語言的混編技術(shù)是系統(tǒng)的特色之一。應用C語言編寫主程序，用Quick BASIC編寫計算程序。用匯編語言實現(xiàn)速度快、時序準的控制和采樣及自檢。用Quick BASIC編制人機對話、完成打印、繪圖等功能。由于微機系統(tǒng)提供了良好的硬件環(huán)境，使系統(tǒng)可使用功能最強的科學圖形工具GRAFTOOL軟件處理檢測到的二次場信號。
5.1.主程序該部分采用C語言編寫，模塊化設計，人一機對話方式。使用者可通過計算機屏幕中文菜單選擇相應的功能模塊，完成相應的任務。系統(tǒng)軟件流程圖見圖6，它包括數(shù)據(jù)采集、屏幕繪圖、打印數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、系統(tǒng)自檢等模塊。
5.2.數(shù)據(jù)采集軟件程序流程圖見圖7，該部分是本系統(tǒng)的核心，采用匯編語言編寫。A/D板的數(shù)據(jù)采集是在發(fā)射機電流關(guān)斷后立即開始的。A/D板以相等的時間間隔高速采樣，并將數(shù)據(jù)置于內(nèi)存中，完成一個采樣周期。待下一個外啟動信號到來，再次采集數(shù)據(jù)。重復采樣8次，然后對8次采樣各點進行積分、平均值濾波和中值濾波后再次反復測量，直至完成預定的重復測量次數(shù)為止。
5.3.二次場數(shù)據(jù)采集時間窗發(fā)射機采用方波脈沖電流，為防止極化效應，應使其周期性地正、反向工作。這樣只有在電流關(guān)斷后至反向工作之前采集到的才是有效的二次場信號。因此，數(shù)據(jù)采集時間窗僅為發(fā)射機工作的1/4周期。對于土壩滲流探測，因最大探測深度一般只有幾十米，深度較淺，二次場將在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)。為適應不同的情況，發(fā)射機工作頻率設置了五擋即1040Hz、520Hz、260Hz、130Hz、65Hz。相應的時間窗為240μs、480μs、960μs、1.923ms、3.846ms。對于各時間窗，軟件設計了不同的采樣工作頻率和采樣點數(shù)。在工作頻率1040Hz、520Hz、260Hz時，采樣時間間隔為10μs，而在130Hz、65Hz時采樣時間間隔為100μs。在時間窗內(nèi)采集盡可能多的信息，以便對其進行進一步的分析、處理。
5.4.數(shù)學濾波與統(tǒng)計剔除軟件本系統(tǒng)的探查能力是以觀測到的異常值的信噪比的大小及分辨地層參數(shù)的能力確定的，也就是說，探查能力不僅與探查目標引起的異常值有關(guān)，同時還到受地質(zhì)噪聲、人文電磁噪聲及天電干擾等大小的限制。通常情況下為提高探查能力，可以1.增大發(fā)射矩；2.采用高次疊加(可達212次以上)平均取數(shù)的方法提高信噪比；3.設置濾波裝置。
對于二層斷面，瞬變電磁測深方法最大的探查深度與頂層電阻率ρ1、發(fā)射磁矩M及噪聲電平有關(guān)，可粗略用下式估計hmax≈0.32(Mρ1/RmN)1/5(15)式中Rm為所要求的最低限度信噪比；N為平均噪聲電平；乘積RmN得到最小可分辨信號電平。
在時間域電磁測深中由于二次場電信號十分微弱，同時又是在寬頻帶下測量，因此二次場信號幾乎被干擾噪聲所淹沒。為提取有用的信號，通常的作法是把接收信號相加或“疊加”，以提高信噪比。從多方面來看，信號的同步相加與濾波器相似。采用疊加技術(shù)，不相關(guān)的噪聲不能像相關(guān)信號那樣得到增強。這樣，對于N次采樣結(jié)果，當N很大時，信噪比大致提高了(N-1)1/2倍。
本系統(tǒng)采用了上述疊加平均技術(shù)，例如進行4096次重復測量，噪聲干擾將抑制
倍。顯然，疊加平均技術(shù)對提高信噪比是十分有效的。這里應考慮到重復測量的次數(shù)越多，則耗時越長。因此，應根據(jù)勘測現(xiàn)場噪聲水平的高低綜合考慮重復測量次數(shù)與所耗機時的關(guān)系。在保證有足夠大的信噪比的前提下，以最少的重復測量次數(shù)和最少的機時，取得最佳的測量效果。為此本軟件設計了人-機對話方式，由操作員實時選擇疊加平均的次數(shù)?？蛇x用的次數(shù)為64、512、1024、4096、8192、16384，操作員可通過微機屏幕菜單靈活地選用。
經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，由下式計算其算術(shù)平均值x-=Σi=1nxi/n---------(16)]]>式中x為信號算術(shù)平均值；xi為各次采樣值；n為采樣次數(shù)。采用標準偏差(即均方差)來估計采樣值的精度或離散性，如下式s=Σϵ2n-1=Σi-1n(xi-x)2n-1--------(17)]]>式中S為標準偏差或均方差；ε為或然誤差或偏差；n為采樣次數(shù)。在計算時，最常用的標準偏差，即均方差公式為s=nΣi=1nxi2-(Σi=1nxi)2n(n-1)--------(18)]]>下面討論可疑測定值的取舍問題。在進行電磁測量時，有時不可避免地要受到近場源的電磁干擾。該干擾是十分強烈的，有時可高出信號電平的幾個數(shù)量級。顯然，這樣的干擾將使信號疊加平均值遠遠偏離正常值。為此必須判斷測量值并剔除可疑值。
可疑值判斷剔除軟件流程圖如圖8所示。首先，按式(16)計算各次采樣值的平均值，然后，對測量數(shù)據(jù)排序并計算相對平均差值(相對平均偏差)ΔxiΔxi=|Σxi--xi|n=d--------(19)]]>取x±k·d為上、下限，與每個測量值進行比較。超過范圍的xi剔除掉。并將剔除的個數(shù)U記錄下來，最后將未超差的xi值取平均x-i=ΣxiN-U---------(20)]]>
此xi值為最后測量結(jié)果。當測量值較多時可采用2d法、3d法和4d法。k為剔除系數(shù)，視干擾程度而定，可在1、1.5、2、2.5、3之間選擇，選擇原則一般以(N-U)/N＞70％為準。此可疑值剔除程序設計符合數(shù)理統(tǒng)計理論，但必須有足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)量。這就需要計算機的內(nèi)存足夠大，并具有較高的運算速度。由于本系統(tǒng)選用了486型筆記本微機，據(jù)有4Mbit內(nèi)存、25MHz主頻， 因此完全可滿足數(shù)理統(tǒng)計的要求。實踐和理論都證明，對強干擾和信號極弱地區(qū)的探測，均可滿足探測精度要求。
三.系統(tǒng)工作步驟電磁測深法主要解決的土壩滲流問題是探查壩體滲水部位電特性異常的變化，異常部位的位置、埋深、走向及規(guī)模。通過對壩體重點部位的密集測量即可了解壩體中上述土壤電磁特性的變化，經(jīng)過計算以及經(jīng)驗判別可了解壩體內(nèi)部水文地質(zhì)特征及物理性態(tài)，進行壩體地質(zhì)填圖。
探查工作分為野外作業(yè)和室內(nèi)作業(yè)。
對于欲探查水庫大壩存在的問題，首先與水庫管理部門取得聯(lián)系，根據(jù)管理部門對于大壩存在問題的介紹，初步了解水庫大壩的壩型、壩高、樞紐的各個建筑物所處的地質(zhì)年代、地層的巖性等，以及大壩壩體存在問題的性質(zhì)、時間、壩體病害異常的表現(xiàn)等。進而通過大壩建壩初期的地質(zhì)勘探資料以及管理部門對大壩的長年觀測資料了解壩體填筑材料的巖性、壩基的地質(zhì)年代、壩址區(qū)是否存在斷裂帶等地質(zhì)情況。
根據(jù)欲探查水庫大壩存在的問題，確定大壩的探查區(qū)域，制定探查方案。在探查區(qū)域內(nèi)布置數(shù)條與壩軸線平行的測線，測線長度一般長于探查區(qū)域的長度。由于水庫大壩的橫斷面呈梯形，測線布置要包括上游坡、壩頂和下游坡。根據(jù)探查目標的大小，選擇相應的測線間距，在各測線上以相同的間距布設測站，測站的距離可根據(jù)探查精度來確定疏密，由2米至10米、20米等自行確定。在探查區(qū)域內(nèi)布置測網(wǎng)，測網(wǎng)的各結(jié)點處將是測量點。在一些情況下，測站也可以非等間距布設，例如遇有建筑物時。
探查時將發(fā)射線圈與接收線圈的中點置于測網(wǎng)的結(jié)點處，發(fā)射線圈與接收線圈均采用垂直耦極方式，即線圈呈水平放置，且兩線圈用水平尺校正。線圈的間距為一般在測深不超過20m時選用10m的線圈間距。沿測線方向移動，對測網(wǎng)的結(jié)點逐個進行測量。
系統(tǒng)工作時，打開接收機、計算機電源，運行計算機軟件，打開發(fā)射機。發(fā)射機向發(fā)射線圈提供占空比為1∶1的雙極性矩形脈沖電流，即d/T＝1/4。在雙極性矩形脈沖的下沿提供一脈沖同步信號，通過電纜輸送到計算機A/D板的外觸發(fā)電路，啟動數(shù)據(jù)采集程序。由于電流關(guān)斷后至反向工作之前采集到的才是有效的二次場信號，因此，數(shù)據(jù)采集時間窗僅為發(fā)射機工作的1/4周期。數(shù)據(jù)采集程序以100KHz的速率高速全曲線采集數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換時間為10.6μs。
然后對所采集的曲線進行疊加平均處理，處理是對各條曲線逐點進行的，即求各條曲線上對應同一時刻的采樣值的平均值x和相對偏差d，根據(jù)干擾程度選擇剔除系數(shù)k，以x±k·d為上下限，與每個采樣值進行比較，將其中超差的剔除，并記錄被剔除的個數(shù)，將未超差的采樣值取平均后存入計算機，接著再處理各條曲線上下一時刻的采樣值，直至全曲線上所有點均處理完畢，從而得到疊加平均后的二次磁場全曲線。在取得數(shù)據(jù)后，即可在筆記本電腦屏幕上繪出二次磁場的衰變曲線，判斷此次采樣的正確性，當出現(xiàn)強干擾時，可重復測量，以取得正確的數(shù)據(jù)。一個結(jié)點測量結(jié)束后，無需關(guān)機，即可移到測線的下一結(jié)點，進行同樣的測量過程。測量一個結(jié)點僅需1～2分鐘。
四.探查數(shù)據(jù)的分析與解釋時域電磁法中，資料解釋的主要依據(jù)是瞬變場的時間譜及空間分布特性，以及測區(qū)的地質(zhì)和地球物理特征。電磁測深曲線的定量解釋方法目前有三種量板法(曲線對比法)，數(shù)字解釋法和經(jīng)驗判別法。我們主要采用后兩種方法。
首先對探查區(qū)域中各測站野外原始觀測資料，用三點自相關(guān)濾波公式進行濾波計算，繪制時間譜曲線(濾波后的數(shù)據(jù))，并繪編成冊。
然后將測線上各測站的電磁數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理，生成該測線的二次電磁響應層析成像的三維視圖通過各測線生成的三維視圖，可直觀得到壩體中電磁異常部位的位置、規(guī)模、強度及分布情況。逐測線生成二次電磁響應層析成像的三維視圖。綜合各測線二次電磁響應中異常的分布情況，找出各測線間的異常的有機聯(lián)系，在探查區(qū)域圈定異常的規(guī)模及走向。對于各測線出現(xiàn)的異常劃分出明顯異常、一般異常及弱異常。對明顯異常的部位計算其所在位置的深度。由于地質(zhì)異常有其多解性，一般單一的方法并不能確定地質(zhì)異常。
最后要根據(jù)探查所得到的壩體電磁異常并綜合地質(zhì)資料、管理部門的多年觀測資料，對壩體電磁異常進行解釋。
五.本發(fā)明技術(shù)的優(yōu)點本技術(shù)是將原地球物理勘探的電磁測深法移植到水利工程的大壩病害隱患的探查，國內(nèi)外并無先例。本系統(tǒng)經(jīng)山東省尼山水庫、河北省岳城水庫、山西省漳澤水庫現(xiàn)場應用，結(jié)果表明本系統(tǒng)具有如下優(yōu)點1.高靈敏度。含飽和水的土的電導率比金屬礦床的電導率小許多。與地質(zhì)勘探用TEM系統(tǒng)比較，不但異常體電阻率與覆蓋層電阻率的比值較小，而且發(fā)射矩和接收矩均小102-103倍，探測的難度較大，因而要求系統(tǒng)有很高的靈敏度。本系統(tǒng)接收機的信號分辨率為0.5μv。
2.測深分辨率高。商用TEM系統(tǒng)由于受用途及技術(shù)的限制，一般最小測深大于50m。然而大多數(shù)土壩壩高在50m以下，有的只有20m-30m。顯然，一般TEM系統(tǒng)不能用于土壩滲流探測。本系統(tǒng)的最小測深為5m，可以滿足土壩滲流探測的要求。由于系統(tǒng)采用高速A/D轉(zhuǎn)換器(10μs)，并開發(fā)了數(shù)據(jù)采集處理軟件，數(shù)據(jù)傳輸采用DMA方式，首先將一批數(shù)據(jù)存入RAM，再進行數(shù)據(jù)處理。由于使得數(shù)據(jù)采集的速率較之以往的TEM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度提高了許多倍，可以10μs的等間隔時間高速、全曲線采集二次電磁數(shù)據(jù)，得到以往難以獲得的早期電磁數(shù)據(jù)，這正是探查淺層地質(zhì)隱患所需要的。
3.位置分辨率高。土壩的邊坡比較陡峭，不能采用大線圈系統(tǒng)。本系統(tǒng)的發(fā)射線圈和接收線圈均采用1m×1m的小線圈，移動靈活，可布置很多測量點，因而可獲得較高的位置分辨率。
4.現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理能力強。系統(tǒng)采用486型筆記本式微機和便攜式噴墨打印機，具有豐富的數(shù)據(jù)處理軟件，可在現(xiàn)場打印輸出多種二維和三維圖表。極大地方便了用戶，提高效率，節(jié)省大量的時間5.靈活方便。本系統(tǒng)的發(fā)射機、接收機和微機均采用蓄電池供電，體積較小，便于在水庫大壩及水庫邊坡上移動操作。
6.速度快。一個測站的采樣時間僅需1-2分鐘。采樣速度快。由于采用486型微機，運行速度快，數(shù)據(jù)采集軟件執(zhí)行時間小于1μs。采樣速度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換時間?？紤]到成本問題，我們采用轉(zhuǎn)換時間為10μs的12位A/D轉(zhuǎn)換器。一次采樣總時間為10.6μs。因而，探測的最淺深度可小到5m左右。滿足了較低壩高土壩的探測要求。
7.TEM系統(tǒng)的靈敏度與發(fā)射天線和接收天線的面積成正比。為了提高信噪比，有的系統(tǒng)采用大發(fā)射線圈，邊長達幾百米甚至上千米。發(fā)射線圈面積達104-106m2。本系統(tǒng)采用移動小線圈，即保證了系統(tǒng)靈敏度，又適合大壩壩坡上的探查需要。
權(quán)利要求
1.一種土壩滲流通道及水庫大壩地質(zhì)隱患探查裝置，分為發(fā)射部分和接收部分，其特征在于發(fā)射部分由發(fā)射機、發(fā)射線圈和蓄電池組成，接收部分由接收機、接收線圈和計算機組成；發(fā)射機的輸出接發(fā)射線圈，發(fā)射機發(fā)出的同步信號通過電纜送計算機；接收線圈的輸出送接收機，接收機的輸出接計算機；發(fā)射線圈和接收線圈均為可移動小線圈。
2.如權(quán)利要求1所述的土壩滲流通道及水庫大壩地質(zhì)隱患探查裝置，其特征在于所述發(fā)射機由同步信號電路、晶振、分頻器、時序電路、兩路觸發(fā)器、可控硅全橋及其關(guān)斷電路和過流保護電路構(gòu)成，晶振的輸出經(jīng)分頻器分頻后送入同步信號電路和時序電路，時序電路產(chǎn)生的兩列脈沖分別經(jīng)兩路觸發(fā)器交替觸發(fā)可控硅全橋，可控硅全橋輸出的電流送到發(fā)射線圈；所述接收機由程控放大器、增益控制、放大器、高通濾波、50HZ陷波、低通濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換諸單元依次串接而成，模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出接入所述計算機，所述接收線圈的輸出送程控放大器，程控放大器由所述計算機控制；接收機中還設置同步信號轉(zhuǎn)換電路，發(fā)射機中同步信號電路的輸出經(jīng)電纜送至接收機中的同步信號轉(zhuǎn)換電路，該轉(zhuǎn)換電路的輸出接模數(shù)轉(zhuǎn)換的外觸發(fā)端。
3.如權(quán)利要求1或2所述的土壩滲流通道及水庫大壩地質(zhì)隱患探查裝置，其特征在于所述發(fā)射線圈和接收線圈均為1米×1米矩形線圈。
4.一種土壩滲流通道及水庫大壩地質(zhì)隱患的探查方法，其步驟為(1)布置測網(wǎng)首先在待查區(qū)域內(nèi)布置數(shù)條與壩軸線平行的測線，在各測線上布置測站，形成測網(wǎng)，以測網(wǎng)的各結(jié)點處為測量點；然后將發(fā)射線圈與接收線圈的中點置于測量點處，發(fā)射線圈與接收線圈均采用垂直耦極方式；(2)結(jié)點測量首先使發(fā)射機周期性地發(fā)射正負交替的方波脈沖，用接收機在發(fā)射機的正向電流關(guān)斷后至反向工作之前多次采集二次磁場的全曲線信號；然后對所采集的曲線進行疊加平均處理，處理是對各條曲線逐點進行的，即求各條曲線上對應同一時刻的采樣值的平均值x和相對偏差d，根據(jù)干擾程度選擇剔除系數(shù)k，以x±k·d為上下限，與每個采樣值進行比較，將其中超差的剔除，并記錄被剔除的個數(shù)，將未超差的采樣值取平均后存入計算機，接著再處理各條曲線上下一時刻的采樣值，直至全曲線上所有點均處理完畢，從而得到疊加平均后的二次磁場全曲線；然后在計算機屏幕上繪出此二次磁場的全曲線，判斷此次采樣的正確性，當出現(xiàn)強干擾時，可重復測量；一個結(jié)點測量結(jié)束后，移到測線的下一結(jié)點，進行同樣的測量過程；(3)分析解釋測量數(shù)據(jù)首先對探查區(qū)域中各測站野外原始觀測資料，用三點自相關(guān)濾波公式進行濾波計算，繪制時間譜曲線并繪編成冊；然后將測線上各測站的電磁數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理，生成該測線的二次電磁響應層析成像的三維視圖，通過各測線生成的三維視圖，得到壩體中電磁異常部位的位置、規(guī)模、強度及分布情況，逐測線生成二次電磁響應層析成像的三維視圖，綜合各測線二次電磁響應中異常的分布情況，找出各測線間的異常的有機聯(lián)系，在探查區(qū)域圈定異常的規(guī)模及走向，對于各測線出現(xiàn)的異常劃分出明顯異常、一般異常及弱異常，對明顯異常的部位計算其所在位置的深度；最后根據(jù)探查所得到的壩體電磁異常并綜合地質(zhì)資料、管理部門的多年觀測資料，對壩體電磁異常進行解釋。
全文摘要
本發(fā)明的探查裝置分發(fā)射和接收部分,發(fā)射部分由發(fā)射機、發(fā)射線圈和蓄電池組成,接收部分由接收機、接收線圈和計算機組成;發(fā)射機發(fā)出的同步信號經(jīng)電纜送計算機;接收機的輸出接計算機;發(fā)射和接收線圈均為可移動小線圈。探查的步驟為:(1)布置測網(wǎng);(2)測量每個結(jié)點,對采樣值經(jīng)全曲線疊加平均處理后存入計算機;(3)分析解釋測量數(shù)據(jù)。本發(fā)明操作方便快速,可在地面自由移動,水平位置分辨率和垂直深度分辨率高。它在土壩隱患普查、滲流通道定位、灌漿加固效果檢驗和測壓管位置選擇等工程應用方面表現(xiàn)了極大的優(yōu)越性。
文檔編號G01N23/00GK1182212SQ9712160
公開日1998年5月20日 申請日期1997年11月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月5日
發(fā)明者房純鋼, 劉樹棠, 魯英, 葛懷光 申請人:中國水利水電科學研究院工程安全監(jiān)測中心