水库大坝并行电法和瞬变电磁技术联合诊断系统及方法

摘要

本发明公开了一种水库大坝并行电法和瞬变电磁技术联合诊断系统及方法，包括纵向探测系统，所述纵向探测系统包括并行电法探测装置和瞬变电磁探测装置，该并行电法探测装置包括在大坝坝顶中轴线或防渗端面上布设并行电法测线和并行电法仪器，所述并行电法测线包括相邻间隔插设在大坝上的铜棒以及与铜棒相连接的电缆线；所述瞬变电磁探测装置包括位于大坝两坝肩和/或坝顶硬化区域的坝顶中轴线或防渗断面上布设瞬变电磁测线和瞬变电磁仪器，所述瞬变电磁测线包括设置在测量点上的线圈以及与线圈连接的线圈电缆；所述电缆线和线圈电缆分别与并行电法仪器和瞬变电磁仪器连接；该并行电法仪器和瞬变电磁仪器用于与分析系统连接。

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程安全诊断技术领域，具体是水库大坝并行电法和瞬变电磁技术联合诊断系统及方法，该发明针对水库大坝渗漏隐患的空间位置信息多变，考虑到大坝绕坝渗漏及场地硬化等不利条件，提出了并行电法和瞬变电磁技术联合诊断水库大坝渗漏隐患的系统及方法。

背景技术

水库大坝渗漏问题的排查与防控是水利工程标准化管理的难点，补齐工程隐患的短板对保障基础设施安澜、水效益可持续发挥具有重要意义。土石坝是人工或机械分层碾压堆积形成的土石散粒体结构，渗流问题发生在水库的兴建、运行、维护等多个阶段，在不断解决工程系列异常渗流风险的过程中，研究学者对土石坝渗流机理的认识、渗流安全评价、渗漏隐患的查找以及安全整治等方面取得一定的成果，尤其随着高效、便捷、透视化无损诊断技术的快速发展，为实现对渗漏靶区的精准锁定提供了科学的依据。例如：实用新型专利CN 205538138 U授权了用于土石坝渗漏隐患探测及定向处理的探测设备，通过把并行电法探测技术引进到土石坝渗漏探测，并根据探测成果合理实施灌浆，实现了隐患的查漏与处理为一体，达到了快速定向处理的目的；发明专利CN 110082393 A公开了基于移动通信和高密度电法的堤坝实时监测系统及方法，可对堤坝的渗漏情况做实时监测和预警，实施简易，将数据结果的人工分析过程交由计算机完成，同时挖掘数据，提供更丰富的结论。但是水库渗漏是大坝内部异常渗流不断恶化、累积的结果，其具有病因不详、病灶不明、病症多样的特点，表现为空间位置信息复杂多变、多个隐患体交叉耦合，从而造成单一物探手段在识别隐患时出现误判、漏判的问题。

发明专利CN 109782357 A公开了一种地面磁共振法与高密度电法联合探测堤坝渗漏的方法，利用MRS法准确探明由高密度电法揭示的低阻异常区的渗漏隐患属性，通过优化线圈匝数的途径有效提高探测信噪比，以提高诊断效率与反演成果解释的准确性；发明专利CN 111381276 A公开了一种堤坝渗漏破坏发生发展和定位的监测方法，利用微动和微震两种监测技术的共同点和其各自优势，可提供准确的渗透破坏发生的时间和渗透破坏的位置，可为隐患处治赢得时间，也极大地提高了隐患处治的工作效果。然而，当前水利工程隐患探测方法种类多、适用条件不一等特点，大多数情况下不切合实际的采用综合物探方法去探测，一定程度上造成资源的浪费以及功效的降低，如何采用最佳的匹配组合以实现对水库大坝隐患的高效、精准、经济全透视探测成为关键。水库大坝的渗漏发生在浸润线以下区域，渗流薄弱区与周围介质最明显的物性差异主要表现为电阻率的高低，因此电法类技术在渗漏隐患的诊断中扮演重要的角色。高密度电法在水库大坝中应用普遍，但现场工作效率较低，并且大坝表层的硬化以及测线两端的盲区问题愈发突出；瞬变电磁技术可采用非接触式线圈进行信号的发射及接收，在复杂场地的渗漏隐患探测中应用前景较好，但目前的瞬变电磁探测设备尺寸较大，仪器的关断时间以及一次场信号的干扰造成探测区浅表层存在盲区。因此，针对水库大坝的地质、施工、运行过程中的特点，有序的采用先进技术以及相应的组合技术将有助于提高诊断的可靠度，为水库大坝的精准处理提高耙区。

发明内容

本发明的目的是为了解决地球物理勘探方法在水库大坝渗漏探测中手段单一或者组合欠优化等问题，提供了水库大坝并行电法和瞬变电磁技术联合诊断系统及方法。该发明具有对渗漏通道分辨率高，现场探测功效快，并且对大坝不同部位探测精度具有优势互补的特点，使用过程中根据场地条件改变探测布置系统及探测顺序，从而提高水库大坝渗漏诊断的精度及可靠度，实现对全大坝无盲区的高效探测。

一种水库大坝并行电法和瞬变电磁技术联合诊断系统，包括纵向探测系统，所述纵向探测系统包括并行电法探测装置和瞬变电磁探测装置，该并行电法探测装置包括在大坝坝顶中轴线或防渗端面上布设并行电法测线和并行电法仪器，所述并行电法测线包括相邻间隔插设在大坝上的铜棒以及与铜棒相连接的电缆线；所述瞬变电磁探测装置包括位于大坝两坝肩和/或坝顶硬化区域的坝顶中轴线或防渗断面上布设瞬变电磁测线和瞬变电磁仪器，所述瞬变电磁测线包括设置在测量点上的线圈以及与线圈连接的线圈电缆；所述电缆线和线圈电缆分别与并行电法仪器和瞬变电磁仪器连接；该并行电法仪器和瞬变电磁仪器用于与分析系统连接。

优选的，在铜棒插入大坝后，以铜棒为中心、半径为10cm处范围内挖漏斗状的坑，并在坑内注满盐水。

优选的，所述线圈水平放置在大坝表面并且线圈法向竖直向下。优选的，所述并行电法仪器具有无线传输模块、控制模块和采集模块，采集模块与电缆线连接，所述控制模块用于向采集模块下达采集指令及数据回收指令，无线传输模块用于把控制模块回收的数据远程传输到分析系统；所述分析系统具有处理并行电法数据和瞬变电磁数据的双重功能，所述分析系统向瞬变电磁仪器下达瞬变电磁数据回收的指令，所述瞬变电磁数据也是通过无线传输模块把瞬变电磁仪器内收回的数据远程传输到分析系统。

优选的，在现场布设测线时，沿大坝坝顶至坝脚的横向宽度方向依次布设坝顶测线、一级背水坡测线、二级背水坡测线、三级背水坡测线至n级背水坡测线，相邻测线的间距为5m；后一级背水坡测线由前一级的探测异常区范围决定。

优选的，在大坝坝顶中轴线或者防渗断面上布设并行电法测线，在两坝肩布设瞬变电磁测线，结合大坝渗漏点空间位置并根据大坝坝顶并行电法和瞬变电磁探测的成果将一级背水坡测线位置划分为正常区和异常区，在一级背水坡测线异常区位置上布置并行电法测线，再对两坝肩补充布置瞬变电磁测线；结合大坝渗漏点的空间位置，并根据大坝一级背水坡测线并行电法和瞬变电磁探测的成果，把二级背水坡测线位置划分为正常区和异常区，在二级背水坡测线异常区位置上布置并行电法测线，再对两坝肩补充布置瞬变电磁测线；结合大坝渗漏点的空间位置，并根据大坝二级背水坡测线并行电法和瞬变电磁探测的成果，把三级背水坡测线位置划分为正常区和异常区；依次类推，直至探测整个大坝所有的测线，通过不同高程测线的探测，逐步缩小异常区的范围，从而最终到渗漏通道的走向。

优选的，当大坝坝顶、一级背水坡测线位置、二级背水坡测线位置至n级背水坡测线位置存在硬化区域，在该硬化区域增加瞬变电磁测线。

优选的，当大坝存在绕坝渗漏，在坝肩部位增设垂向于大坝的横向探测系统，所述横向探测系统的横向测线统也包括所述并行电法探测装置，横向测线布置起点于坝顶，终止于坝脚；自坝顶至坝脚把背水坡按照等斜距划分成多个测点，每个测点对应铜棒的埋设位置，利用电缆线把每个铜棒电极连接起来并与并行电法仪组成并行电法探测装置。

所述水库大坝并行电法和瞬变电磁技术联合诊断系统的诊断方法，其特征在于：分析系统分别把接收到的并行电法数据体和瞬变电磁数据体进行编组处理，得到大坝坝顶或防渗断面的视电阻率等值线和反演电阻率图像、测点-感应电动势曲线和视电阻率图像；把视电阻率等值线与视电阻率图像重合部位进行归一化处理，利用归一化的比值参数对视电阻率等值线与视电阻率图像进行修正处理，并对其进行拼接，从而得到大坝坝顶的视电阻率云图；逐步对编组中的数据依次重复上述步骤处理，进而得到一级至n级背水坡全大坝的视电阻率云图；各编组的视电阻率云图按照三维坐标系成图构成全大坝三维视电阻率图。

优选的，所述的诊断方法中，若全大坝三维视电阻率图水平方向异常区内低阻区自坝顶至坝脚都存在明显的连通特征，则表明该段存在渗漏通道；若低阻区异常区内低阻区自坝顶至坝脚未出现明显的连通特征，则表明大坝存在渗流异常的隐患；若在大坝上游正常区内，下游测线出现低阻异常且横向测线也出现低阻异常，则大坝存在绕坝渗漏；若各测线大坝均表现为正常区，则大坝不存在隐患。

下面对本发明详细说明：

本发明的布设纵向探测系统优先在大坝坝顶布设并行电法探测装置，快速获取大坝的并行电法二维电阻率断面图像，利用多匝重叠小线圈瞬变电磁设备对大坝坝顶硬化部位以及并行电法坝顶两端盲区部位进行补充探测，进而得到瞬变电磁二维电阻率断面图像，并对两者重叠区域内的数据进行归一化处理，进一步对并行电法二维电阻率断面图像和瞬变电磁二维电阻率断面图像进行修正计算，从而得到大坝全断面的电阻率图像；结合大坝渗漏点的位置，按照电阻率的差异对大坝背水坡划分成多级正常区和异常区，对划分的异常区增加上述纵向探测系统，特别地，当坝顶探测成果发现大坝存在绕坝渗漏异常，应靠近大坝坝头部位增加横向探测系统，横向并行电法测线布置起点于坝顶，终止于坝脚，通过联合纵向探测系统和横向探测系统有序开展水库渗漏隐患的探查，实现对大坝隐患的精准探查的目的，同时提高工作效率，降低综合物探多方法盲目探测的成本。

为了达到上述目的，本发明提供了水库大坝并行电法和瞬变电磁技术联合诊断系统包括分析系统、并行电法仪器、电缆线、铜棒、瞬变电磁仪器、线圈、线圈电缆等。

所述并行电法仪器包括无线传输模块、控制模块以及采集模块，所述无线传输模块用于把控制模块回收的数据远程传输到分析系统，所述控制模块是向采集模块下达采集指令及数据回收指令，所述采集模块与电缆线相连接，所述电缆线与铜棒连接，所述铜棒与大坝填土之间充分耦合；所述分析系统具有处理并行电法数据和瞬变电磁数据的双重功能，所述分析系统向瞬变电磁仪器下达瞬变电磁数据回收的指令，所述瞬变电磁数据也是通过无线传输模块把瞬变电磁仪器内收回的数据远程传输到分析系统，所述瞬变电磁仪器通过线圈电缆与线圈相连接，所述线圈水平放置在大坝表面且线圈法向竖直向下。

所述分析系统具有回收和处理并行电法数据和瞬变电磁数据的双重功能。

所述并行电法仪器内的控制模块采集数据指令为AMN&MNB，所述并行电法仪器具有屏蔽电极的特点，所述电缆线包括等间距的抽头，每个抽头与铜棒经双夹头导线连接；所述铜棒长40cm，直径2cm，在探测时铜棒进入大坝30cm左右，同时以铜棒为中心，10cm为半径挖漏斗状的坑，并注满盐水；

所述线圈包括发射线圈和接收线圈，所述线圈为直径50cm的圆柱状，具有携带方便，使用快捷的优点；

所述铜棒的间距为1m，所述线圈的点距为1m；所述电缆线上有多个抽头，电缆线的长度与大坝坝顶长度有关；

所述分析系统分别对并行电法数据、瞬变电磁数据进行处理，并行电法判断的依据主要为视电阻率等值线和反演电阻率图像；瞬变电磁判断的依据主要为测点-感应电动势曲线和视电阻率图像，所述测点-感应电动势曲线反映出大坝横向上的变化，所述视电阻率图像反映出异常在深度方向的变化；

水库大坝并行电法和瞬变电磁技术联合诊断系统还包括现场测线的布设方案：

所述联合诊断系统包括纵向探测系统和横向探测系统；所述硬化区域是指大坝坝顶粘土层被混凝土预制块(砖)、浆砌块石、沥青等材料所覆盖。

所述纵向探测系统现场测线的条数与大坝坝顶与坝脚的横向宽度有关，相邻测线的间距为5m，测线编组命名依次为坝顶测线，一级背水坡测线，二级背水坡测线，三级背水坡测线……；

所述纵向探测系统测线按照次序依次排序，相应的次序在前的测线具有优先探测的优势，第一测线为坝顶测线，第二测线为一级背水坡测线，以此类推；

所述纵向探测系统的一级背水坡测线布设范围由坝顶测线的探测异常区范围决定，二级背水坡测线布设范围由一级背水坡测线的异常区范围决定，以此类推；

具体实施是纵向探测系统首先在大坝坝顶中轴线或防渗断面上布置并行电法测线，再对两坝肩补充布置瞬变电磁测线，同时若大坝坝顶有硬化区域，则该区域也应增加瞬变电磁测线；结合大坝渗漏点的空间位置，并根据大坝坝顶测线并行电法和瞬变电磁探测的成果，把一级背水坡测线位置划分为正常区和异常区，在一级背水坡测线异常区位置上布置并行电法测线，再对两坝肩补充布置瞬变电磁测线，同时若一级背水坡测线位置上有硬化区域，则该区域也应增加瞬变电磁测线；结合大坝渗漏点的空间位置，并根据大坝一级背水坡测线并行电法和瞬变电磁探测的成果，把二级背水坡测线位置划分为正常区和异常区，在二级背水坡测线异常区位置上布置并行电法测线，再对两坝肩补充布置瞬变电磁测线，同时若二级背水坡测线位置上有硬化区域，则该区域也应增加瞬变电磁测线；结合大坝渗漏点的空间位置，并根据大坝二级背水坡测线并行电法和瞬变电磁探测的成果，把三级背水坡测线位置划分为正常区和异常区；依次类推，直至探测整个大坝所有的测线，通过不同高程测线的探测，逐步缩小异常区的范围，从而最终到渗漏通道的走向；

特别的，若大坝存在绕坝渗漏问题，应在坝肩部位增设垂向于大坝的横向探测系统，横向探测系统也包括并行电法装置，横向测线布置起点于坝顶，终止于坝脚；自坝顶至坝脚把背水坡按照等斜间距划分成多个测点，每个测点对应铜棒的埋设位置，利用电缆线把每个铜棒电极连接起来并与并行电法仪组成并行电法装置。

特别的，正常区与异常区的判断依据为视电阻率值的相对大小；

水库大坝并行电法和瞬变电磁技术联合诊断方法，包括：

1、数据的采集

根据大坝坝长，探测大坝坝体渗漏时，在大坝坝顶中轴线或防渗断面上布置并行电法测线，在电缆线线抽头的位置处布设铜棒，并且在每个铜棒周围以铜棒为中心，10cm为半径挖漏斗状的坑，并注满盐水，依次对大坝上所有铜棒进行上述工作；当所有的铜棒安装完成后，依次利用双夹头导线连接电缆线抽头与铜棒，并把电缆线与并行电法仪器进行连接，利用并行电法仪器的控制模块设置采样参数(采集数据指令，采样时间，采样间隔，供电方式，屏蔽电极)并向采集模块下方指令，采集模块接收到指令时，依次对电缆线上的铜棒进行单个供电、多个采样，从而实现对大坝自然电场、一次场、二次场数据的采集，采集完成后，控制模块实时回收采集到的数据体，并把全部数据整体打包通过无线传输模块远程发送到分析系统；

瞬变电磁测线也布设在大坝坝顶中轴线或防渗断面上，位于大坝两坝肩或者坝面硬化区域，结合大坝高度以及并行电法视电阻率等值线的盲区位置，划定瞬变电磁探测区段，在探测区段内标记测量点，把瞬变电磁线圈中心点放在测量点上，通过线圈电缆把瞬变电磁线圈与瞬变电磁仪器相连接，再对瞬变电磁仪器得到线圈匝数、发射频率、发射电流、叠加次数、测量模式等参数进行调节，通过观察感应电动势的衰减特征以此获得最佳的探测参数，利用瞬变电磁对每个测量点以此采样，最后把全部数据整体通过无线传输模块打包远程发送到分析系统；

特别地，并行电法测线应尽可能向两岸延伸，若大坝存在绕坝渗漏问题，应在坝肩部位增设垂向于大坝的横向探测统，其包括并行电法装置(即并行电法探测装置)，横向测线布置起点于坝顶，终止于坝脚；自坝顶至坝脚把背水坡按照等斜间距划分成多个测点，每个测点对应铜棒的埋设位置，利用电缆线把每个铜棒电极连接起来并与并行电法仪组成并行电法装置；具体是在大坝背水坡布置并行电法测线，在电缆线线抽头的位置处布设铜棒，并且在每个铜棒周围以铜棒为中心，10cm为半径挖漏斗状的坑，并注满盐水，依次对大坝上所有铜棒进行上述工作；当所有的铜棒安装完成后，依次利用双夹头导线连接电缆线抽头与铜棒，并把电缆线与并行电法仪器进行连接，利用并行电法仪器的控制模块设置采样参数(采集数据指令，采样时间，采样间隔，供电方式，屏蔽电极)并向采集模块下方指令，采集模块接收到指令时，依次对电缆线上的铜棒进行单个供电、多个采样，从而实现对大坝自然电场、一次场、二次场数据的采集，采集完成后，控制模块实时回收采集到的数据体，并把全部数据整体打包通过无线传输模块远程发送到分析系统。

结合大坝渗漏点的空间位置，并根据大坝坝顶测线并行电法和瞬变电磁探测的成果，把一级背水坡测线位置划分为正常区和异常区，在一级背水坡测线异常区位置上布置并行电法测线，再对两坝肩补充布置瞬变电磁测线，同时若一级背水坡测线位置上有硬化区域，则该区域也应增加瞬变电磁测线；结合大坝渗漏点的空间位置，并根据大坝一级背水坡测线并行电法和瞬变电磁探测的成果，把二级背水坡测线位置划分为正常区和异常区，在二级背水坡测线异常区位置上布置并行电法测线，再对两坝肩补充布置瞬变电磁测线，同时若二级背水坡测线位置上有硬化区域，则该区域也应增加瞬变电磁测线；结合大坝渗漏点的空间位置，并根据大坝二级背水坡测线并行电法和瞬变电磁探测的成果，把三级背水坡测线位置划分为正常区和异常区；依次类推，直至探测整个大坝所有的测线，通过不同高程测线的探测，逐步缩小异常区的范围，从而最终到渗漏通道的走向。

2、数据的处理

分析系统把接收到的并行电法数据体进行编组，编组包括坝顶测线数据体，一级背水坡测线数据体、二级背水坡测线数据体、三级背水坡测线数据体等，对各组数据体进行单独处理，优先处理坝顶中轴线或防渗断面的数据，其次是一级背水坡测线数据体，再次是二级背水坡测线数据体，以此类推；处理步骤包括：坐标输入、信号去燥、数据解编、视电阻率计算，反演计算等，经处理后得到大坝坝顶或防渗断面的视电阻率等值线和反演电阻率图像；

特别的，并行电法坝顶数据体还包括横向测线数据体；

分析系统把接收到的瞬变电磁数据体进行编组，编组包括坝顶数据体测线数据体、一级背水坡测线数据体、二级背水坡测线数据体、三级背水坡测线数据体等，对各组数据体进行单独处理，优先处理坝顶中轴线或防渗断面的数据，其次是一级背水坡测线数据体，再次是二级背水坡测线数据体，以此类推；处理步骤包括：感应电压显示、道参修改、干扰校正、视电阻率成图，经处理后得到大坝坝顶或防渗断面的测点-感应电动势曲线和视电阻率图像；

特别的，瞬变电磁坝顶数据体还包括横向测线数据体；

把坝顶并行电法视电阻率等值线与瞬变电磁视电阻率图像重合部位进行归一化处理，利用归一化的比值参数对视电阻率等值线与瞬变电磁视电阻率图像进行修正处理，并对其进行拼接，从而得到大坝坝顶的视电阻率云图；

同理，逐步对编组中的数据依次重复上述步骤处理，进而得到一级背水坡、二级背水坡、三级背水坡等全大坝的视电阻率云图。

3、数据的解译

参与数据解译的图像包括各编组的视电阻率等值线和反演电阻率图像、各编组的测点-感应电动势曲线和视电阻率图像以及各编组的视电阻率云图；

所述各编组的视电阻率云图是各编组的视电阻率等值线与瞬变电磁视电阻率图像组成；

所述反演电阻率、各编组的测点-感应电动势曲线用于划分各组的正常区和异常区；

所述各编组的视电阻率云图按照三维坐标系成图构成全大坝三维视电阻率图；

由于大坝渗漏发生在浸润线以下，因此判断渗漏的依据是根据视电阻率呈现低阻的特征，结合水库大坝建设、运行资料以及坝脚出水点的位置，若全大坝三维视电阻率图水平方向异常区内低阻区自坝顶至坝脚都存在明显的连通特征，则表明该段存在渗漏通道；若低阻区异常区内低阻区自坝顶至坝脚未出现明显的连通特征，则表明大坝存在渗流异常的隐患；若在大坝上游正常区内，下游测线出现低阻异常且横向测线也出现低阻异常，则大坝存在绕坝渗漏；若各测线大坝均表现为正常区，则大坝不存在隐患。

本发明的优点：

1.本发明把并行电法与瞬变电磁技术结合成一体，有效解决了坝肩绕坝渗漏及大坝硬化的难题，实现了对全大坝无盲区的高效探测；

2.根据大坝的宽度对坝顶、背水坡进行编组，并依据探测成分成多级正常区和异常区，有效的缩小渗漏现象，达到精准诊断的效果；

3.本发明操作简单，使用方便，方法可行，现场并行电法与瞬变电磁探测先后实施，避免了赘余的工作量；

4.本发明中把并行电法视电阻率等值线与瞬变电磁视电阻率图像重合部位进行归一化处理，提高了对渗漏隐患的辨识能力，同时全大坝三维视电阻率图可清晰展现出渗漏通道的埋深、规模、走向等信息。

附图说明

图1水库大坝并行电法和瞬变电磁技术联合诊断系统测线布置示意图，

图2是坝顶探测系统示意图，

图3是本发明的解译流程示意图，

图4是水库大坝场景图(a、b)和平面图(c)，

图5是高密度电法排列方式及隔离系数，

图6是不同地质体的二次场衰减曲线，

图7是不同高程测线的视电阻率图，

图8是反演电阻率断面和钻探土样，

图9是瞬变电磁感应电压曲线和视电阻率图，

图10是库水位及渗漏量的变化。

1―大坝坝体；2―大坝坝肩；3―大坝坝顶；4―铜棒；5―电缆线；6―并行电法仪器；7―无线传输模块；8―分析系统；9―坝顶硬化区域；10―线圈；11―瞬变电磁仪器；12―线圈电缆；13―背水坡。

具体实施方式

1、如图1所示，根据大坝坝顶至坝脚的横向宽度把探测测线编组命名依次为坝顶测线，一级背水坡测线，二级背水坡测线，三级背水坡测线……；当大坝存在绕坝渗漏问题，应在坝肩部位增设垂向于大坝的横向测线，横向测线布置起点于坝顶，终止于坝脚。

2、如图2所示，根据大坝坝长，探测大坝坝体1渗漏时，在大坝坝顶3中轴线或防渗断面上布置并行电法测线，在电缆线5抽头的位置处布设铜棒4，并且在每个铜棒周围以铜棒4为中心，10cm为半径挖漏斗状的坑，并注满盐水，依次对大坝坝顶3上所有铜棒4进行上述工作；当所有的铜棒4安装完成后，依次利用双夹头导线连接电缆线抽头与铜棒4，并把电缆5与并行电法仪器6的采集模块进行连接，利用并行电法仪器6的控制模块设置采样参数(采集数据指令，采样时间，采样间隔，供电方式，屏蔽电极)并向采集模块下方指令，采集模块接收到指令时，依次对电缆线5上的铜棒进行单个供电、多个采样，从而实现对大坝自然电场、一次场、二次场数据的采集，采集完成后，控制模块实时回收采集到的数据体，并把全部数据整体打包通过无线传输模块7远程发送到分析系统8；

瞬变电磁测线也布设在大坝坝顶3中轴线或防渗断面上，位于大坝两坝肩2或者坝面硬化区域9，结合大坝高度以及并行电法视电阻率等值线的盲区位置，划定瞬变电磁探测区段，在探测区段内标记测量点，把瞬变电磁线圈10中心点放在测量点上，通过线圈电缆12把瞬变电磁线圈10与瞬变电磁仪器11相连接，再对瞬变电磁仪器得到线圈匝数、发射频率、发射电流、叠加次数、测量模式等参数进行调节，通过观察感应电动势的衰减特征以此获得最佳的探测参数，利用瞬变电磁对每个测量点以此采样，最后把全部数据整体打包通过无线传输模块7发送到分析系统8。

若大坝存在绕坝渗漏问题，应在坝肩部位增设垂向于大坝的横向测线系统(即横向探测系统)，大坝的横向探测统包括并行电法装置，横向测线布置起点于坝顶，终止于坝脚；具体的，自坝顶至坝脚把背水坡按照等斜间距划分成多个测点，每个测点对应铜棒的埋设位置，利用电缆线把每个铜棒电极连接起来并与并行电法仪组成并行电法装置；具体是在大坝背水坡布置并行电法测线，在电缆线线抽头的位置处布设铜棒，并且在每个铜棒周围以铜棒为中心，10cm为半径挖漏斗状的坑，并注满盐水，依次对大坝上所有铜棒进行上述工作；当所有的铜棒安装完成后，依次利用双夹头导线连接电缆线抽头与铜棒，并把电缆线与并行电法仪器进行连接，利用并行电法仪器的控制模块设置采样参数(采集数据指令，采样时间，采样间隔，供电方式，屏蔽电极)并向采集模块下方指令，采集模块接收到指令时，依次对电缆线上的铜棒进行单个供电、多个采样，从而实现对大坝自然电场、一次场、二次场数据的采集，采集完成后，控制模块实时回收采集到的数据体，并把全部数据整体打包通过无线传输模块远程发送到分析系统。

结合大坝渗漏点的空间位置，并根据大坝坝顶4测线并行电法和瞬变电磁探测的成果，把一级背水坡测线位置划分为正常区和异常区，在一级背水坡测线异常区位置上布置并行电法测线，再对两坝肩补充布置瞬变电磁测线，同时若一级背水坡测线位置上有硬化区域，则该区域也应增加瞬变电磁测线；结合大坝渗漏点的空间位置，并根据大坝一级背水坡测线并行电法和瞬变电磁探测的成果，把二级背水坡测线位置划分为正常区和异常区，在二级背水坡测线异常区位置上布置并行电法测线，再对两坝肩补充布置瞬变电磁测线，同时若二级背水坡测线位置上有硬化区域，则该区域也应增加瞬变电磁测线；结合大坝渗漏点的空间位置，并根据大坝二级背水坡测线并行电法和瞬变电磁探测的成果，把三级背水坡测线位置划分为正常区和异常区；依次类推，直至探测整个大坝所有的测线，通过不同高程测线的探测，逐步缩小异常区的范围，从而最终到渗漏通道的走向。

3、分析系统把接收到的并行电法数据体进行编组，编组包括坝顶测线数据体，一级背水坡测线数据体、二级背水坡测线数据体、三级背水坡测线数据体等，对各组数据体进行单独处理，优先处理坝顶中轴线或防渗断面的数据，其次是一级背水坡测线数据体，再次是二级背水坡测线数据体，以此类推；处理步骤包括：坐标输入、信号去燥、数据解编、视电阻率计算，反演计算等，经处理后得到大坝坝顶或防渗断面的视电阻率等值线和反演电阻率图像；

特别的，并行电法坝顶数据体还包括横向测线数据体；

分析系统把接收到的瞬变电磁数据体进行编组，编组包括坝顶数据体测线数据体、一级背水坡测线数据体、二级背水坡测线数据体、三级背水坡测线数据体等，对各组数据体进行单独处理，优先处理坝顶中轴线或防渗断面的数据，其次是一级背水坡测线数据体，再次是二级背水坡测线数据体，以此类推；处理步骤包括：感应电压显示、道参修改、干扰校正、视电阻率成图，经处理后得到大坝坝顶或防渗断面的测点-感应电动势曲线和视电阻率图像；

特别的，瞬变电磁坝顶数据体还包括横向测线数据体；

把坝顶并行电法视电阻率等值线与瞬变电磁视电阻率图像重合部位进行归一化处理，利用归一化的比值参数对视电阻率等值线与瞬变电磁视电阻率图像进行修正处理，并对其进行拼接，从而得到大坝坝顶的视电阻率云图；

同理，逐步对编组中的数据依次重复上述步骤处理，进而得到一级背水坡、二级背水坡、三级背水坡等全大坝的视电阻率云图。

4、数据的解译

参与数据解译的图像包括各编组的视电阻率等值线和反演电阻率图像、各编组的测点-感应电动势曲线和视电阻率图像以及各编组的视电阻率云图；

所述各编组的视电阻率云图是各编组的视电阻率等值线与瞬变电磁视电阻率图像组成；

所述反演电阻率、各编组的测点-感应电动势曲线用于划分各组的正常区和异常区；

所述各编组的视电阻率云图按照三维坐标系成图构成全大坝三维视电阻率图；

由于大坝渗漏发生在浸润线以下，因此判断渗漏的依据是根据视电阻率呈现低阻的特征，结合水库大坝建设、运行资料以及坝脚出水点的位置，若全大坝三维视电阻率图水平方向异常区内低阻区自坝顶至坝脚都存在明显的连通特征，则表明该段存在渗漏通道；若低阻区异常区内低阻区自坝顶至坝脚未出现明显的连通特征，则表明大坝存在渗流异常的隐患；若在大坝上游正常区内，下游测线出现低阻异常且横向测线也出现低阻异常，则大坝存在绕坝渗漏；若各测线大坝均表现为正常区，则大坝不存在隐患。

具体案例

以戴家坞水库渗漏探查为试验对象，利用并行电法对水库大坝进行多高程的隐患探查，并根据瞬变电磁的探查成果综合判定大坝渗漏薄弱区的分布范围，再对靶区实施定向处理后下游渗漏量明显降低，为水库大坝工程隐患精准诊断综合物探方法的优化选择提供参考。

1、工程概况及勘探布置

戴家坞水库坐落于杭州市临安区天目山镇九里村，水库始建于1957年12月，大坝坝型为粘土心墙坝，总库容11.1万m

水库大坝是具有生命的工程结构，随着工程使用年限的不断增长，大坝内部结构的老化问题也越来越突出，尤其随着极端天气的频发导致安全风险增大。如2009年8月戴家坞水库受莫拉克台风影响，大坝出现局部管涌、塌陷等险情，左坝坡出现严重的渗漏现象。因不明确大坝渗漏的原因及空间位置，其后虽多次对大坝进行防渗加固处理，并未从根本上解决渗漏隐患，只能保持水库在低水位下运行，影响水库效益的正常发挥。为解决水库大坝的渗漏顽疾，并考虑到隐患的分布位置多变，提出并行电法与瞬变电磁相结合的方式查找隐患部位，为根治渗漏病症提供有的放矢的靶区。

如图4(c)所示，在坝顶、背水坡共布设并行电法测线3条(PL-1、PL-2、PL-3)，测线走向均为自右岸向左岸，其中测线PL-1的起始点位于桩号K0-006m(以右坝头为起始点，下同)，各测线电极总数分别为64个、48个和41个，最小电极间距均为1m；大坝坝顶瞬变电磁测线起始点位于左岸溢洪道处(桩号K0-011m)，测点总计67个，相邻测点间距1m。

工作方法

2.1并行电法技术

并行电法(刘盛东等，2019)率先由安徽理工大学和江苏东华测试股份有限公司联合提出，吸收了地震勘探过程中数据采集的思想，利用供电电极向地下注入稳恒电流形成电场的同时，排列上所有测量电极同步、并行收录不同位置的地电数据，最终可根据需要对电流、电位数据组合进行提取、分离、组合，从而获得不同装置数据体以及泛装置信息。因此，并行电法的基本原理与高密度电法相同，只是在数据采集中不再拘泥于分装置、分电场的串行采集思路，工作效率更高，抗干扰能力更强，在水文、环境、工程应用应用较广(岳建华等，2016)。

并行电法在水库大坝应用中采用点电源供电方式，通过单点供电，多极采集即可到二极、三极以及高分辨的地电信息，尤其对多装置数据联合处理大大提高对隐患的分辨率以及大坝边界的刻画(马欢等，2018)。如图5所示；

2.2瞬变电磁法

瞬变电磁技术是通过不接地回线或接地电极供入阶跃脉冲方波，在断电的间隙期，利用探头或接收线圈观测二次场的感应电压，通过分析单点不同时刻的感应电动势衰减特征以及多点同深度的变化趋势推断地质体的时空分布(薛国强等，2015)。由于瞬变电磁法的研究对象为纯二次场的变化，对低阻异常体的信号响应更明显，并且天线平行于坝顶铺设可连续获得全大坝的信号，具有指向性强的特点。现场使用封装、模块化的多匝小线圈探测时，只需按照约定的步距移动线圈，即可满足大坝高效、轻便化巡测的要求。水库大坝瞬变电磁探测数据的解译主要依靠对不同的二次场的衰减曲线及视电阻率图像，先根据不同的测点-电压曲线的特征初步识别出横向异常，再根据计算视电阻率判读出隐患的深度信息。

2.2探测方法的优化

土石坝在承受库区动、静水压力的作用下，土体中的细颗粒将不断的流失，当正常的渗流性态恶化成局部渗漏通道时，大坝局部产生脱空、不密实或空洞等隐患。而大坝的渗漏发生在浸润线之下，处于饱和状态下的隐患较周围介质具有明显的低阻特征，进而为并行电法的实施提供了物性前提。而对于隐患多发的两坝肩结合部渗漏区受岩基的高阻屏蔽，并行电法难以有效识别出低阻信息，同时受大坝场地条件的约束，该段正是并行电法的盲区部位。而瞬变电磁法基本电磁感应原理对高阻的响应较弱，具有高阻区查低阻的先天优势，则两种方法的优势互补将有助于提高对全大坝隐患诊断的水平。

3试验结果分析及验证

3.1并行电法数据处理及分析

试验现场采用WBD-1型并行电法仪作为采集器，供电方式为单正法，恒流时间0.5s，采样间隔0.05s，经实践证明单点供电方式较适合水库大坝渗漏隐患的查找，一次采样完成可获得二极、三极以及高分辨电法的数据体。不同高程的数据经解编、提取、去噪、网格化得到温纳三极右装置视电阻率断面图(如图7)，测试时库水位高程为153.8m，测线PL-1获得的的视电阻率值范围为90～230Ω·m，其中测线上25～35m段低阻异常区呈圈闭状分布，埋深在10m左右，而在测线上0～20m段，深度5m以内低阻区呈条带状分布并有向右岸延伸的趋势，鉴于电极在测线起始点至溢洪道段无法穿透混凝土与大坝直接耦合，从而在右岸形成了电剖面测量盲区，在判断右岸是否存在低阻异常区还需要其他方法的补充；测线PL-2、PL-3图像中低阻异常区更加直观，二者反映出的形态也基本一致，可能与渗漏通道在背水坡的流向更加稳定且地面测线与其之间的距离更加贴近有关。比较图7(a、b、c)中的低阻异常区分布可知：大坝坝体部位存在低阻闭合异常区，但在背水坡测线上异常区的位置存在一定的横向移动，并且还表现一定的倾斜形态，推断背水坡下游的低阻异常区可能是坝顶中部低阻薄弱带与右坝段低阻薄弱区共同汇聚造成的，需要指出的是，在图7(c)30m处存在低阻圈闭异常，而在测线图7(b)上无明显异常，因此在分析该处异常时还需要考虑集中渗漏点的位置。

高密度电法获得的视电阻率值是对地质体的局部响应，不同的排列形式反映出的异常体可能存在深度、位置、埋深以及形态上存在差异(方易小锁等，2019)，三极装置采用电位梯度测量模式，则AMN、MNB的视电阻率图像存在一定的非对称性(胡雄武等，2018)。反演是对测量数据体模型重构的最佳处理方法，限于篇幅，以大坝坝顶测线PL-1的结果加以说明，如图8是温纳三极的反演成果图。

本文采用基于圆滑模型的最小二乘法(Loke et al，2012)，其表达式：

(J

式中，J为Jacobi矩阵；λ为阻尼因子；g实测视电阻率值与计算值之间的残差。

图8(a)是图7(a)经反演计算后得到图像，可以看出反演断面图对大坝的细节刻画更精细，并且低阻异常区也向右岸发生了偏移；图8(b)是温纳三极左装置的反演剖面，大坝中部的低阻异常区较图(a)有所扩大。此外，比较图8(a)、(b)可以看出，温纳三极左右装置显示出坝肩岩基的形态存在较大差异，可能与两种装置的供电、测量点的位置有关。为降低不同装置的差异性，把两种装置数据体联合反演是一种解决途径。如图8(c)的联合反演图像吸收了两种装置的优势，对坝肩岩基的形态以及大坝低阻异常的描述更加可靠。

3.2瞬变电磁数据处理及分析

瞬变电磁现场采用多匝小回线线圈进行信号的发射与接收，发射线圈10匝数，接收线圈67匝，发射频率25HZ，叠加次数512，数据体在配套的处理软件中经飞点剔除、曲线平滑、坐标设定以及电阻率计算等步骤得到图9。图9(a)是所有测点的电压变化曲线图，从大坝的晚期信号上可以看出，在测线上6～13m、24～27m、42～45m和54～60m段存在明显的二次场信号的响应特征，表明该区段下部可能存在低阻区渗流薄弱带；图(b)上埋深3m范围内视电阻率呈条带状低阻分布，可能与受瞬变电磁仪器关断时间影响而形成的盲区有关(席振铢，2016)，一般水库大坝的防渗体以及浸润线相对于盲区深度更低一些，盲区并不影响对大坝渗漏隐患的判别。从视电阻率剖面上可以看出，测线上6～12m低阻异常的幅度最大，可能存在渗漏通道；测线24～27m段位于虹吸管上部，不排除铁质对电磁场信号造成一定的干扰。

3.3综合探测成果分析

并行电法和瞬变电磁法分别从静电场和电磁场的角度获得水库大坝的地电信号，两者对水库大坝的渗漏隐患都有明显的响应，在大坝坝体内部的渗漏隐患并行电法反映的结果更加可靠，而瞬变电磁探查坝肩部位的渗漏更具有优势。

并行电法在大坝坝顶、背水坡的3条测线的视电阻率图像都能反映出低阻渗漏隐患区，但坝顶测线的低阻渗漏隐患区相对较为规则，而下游两条测线的形态及空间位置吻合度高，渗漏通道有向河床段延伸的趋势；大坝坝顶的联合反演图像低阻区范围(测线上18～40m)进一步扩大，与下游两测线的渗漏通道流向一致。瞬变电磁探测的成果相对更加明确，渗流薄弱区主要分布在三个区段，但测线上24～27m低阻异常需要考虑虹吸管的影响。

由于大坝坝体段在并行电法图像(桩号K0+012～K0+034m)和瞬变电磁图像(桩号K0-005～0+002m)都显示出较强低阻异常，为进一步确定结果的可靠性，进行了钻孔验证。桩号K0+020m钻孔大坝填土剖面和孔内摄像如图8(d)、(e)所示，从填土剖面上可以看出，孔深0～11m段为含碎石粉质粘土，11m以下揭露灰褐色软塑粉质粘土，其中9.5～10m局部夹杂碎块石，结合0～8m的孔内摄像成果，可以看出大坝整体填土质量较差，碎石含量较多，局部存在不密实现象，表明钻孔揭露的大坝填土体可能存在局部渗流异常现象。桩号K0+000处钻探发现，孔深5.3m以上为含碎石粉质粘土，以下为强～弱风化砂岩，岩体极为破碎、裂隙发育，坝基存在严重渗漏问题。

综上，从两种方法的探测成果上来看，大坝坝顶低阻异常区主要位于桩号K0-005～K0+002m、K0+012～K0+034m以及K0+043～K0+049m段，推测该区段是造成大坝渗漏的渗流薄弱区。

3.4渗漏隐患定向处理

水库大坝渗漏隐患探测的目的是为防渗处理设计提供靶区，由于土石坝渗流薄弱带分布复杂，为更加科学的评价综合物探的探测成果，对大坝低阻异常区实施灌浆防渗处理。如图10所示，戴家坞水库灌浆开始时(2018年7月12日)，库水位高程为155.12m，坝脚集中渗漏量为3.89L/s，在整个防渗处理过程中，库水位基本保持稳定，渗漏量发生系列变化，其中7月18日渗漏量下降至2.91L/s，7月25日在对桩号K0+046灌浆后渗漏量降至2.64L/s，再对桩号K0-003、K0+000两处灌浆处理后，大坝下游坝脚渗漏量降低明显，渗漏量降至0.07L/s。其后，对大坝进行了增强防渗处理，渗漏量降低到允许渗漏量附近，达到了大坝防渗的要求。

结论

本案例以戴家坞水库防渗处理工程为试验对象，联合并行电法和瞬变电磁技术对大坝渗漏隐患进行探查，并利用工程钻孔和孔内摄像技术验证了局部可疑薄弱区，最终依据探测成果进行定向注浆处理，成功解决大坝渗漏的难题。

(1)并行电法采用拟地震化的数据采集模式，一次采集可获得多种高密度电法装置数据体，工作效率高；通过对比不同高程的视电阻率图像可确定大坝渗漏通道走向，同时采用温纳三极左右装置联合反演有利于隐患体的归位及坝肩的岩基识别；

(2)多匝小线圈瞬变电磁技术操作方便，适合于较为复杂的场地，通过对测点-电压曲线和视电阻率剖面的判读，有效识别出大坝纵横向的低阻异常部位；

(3)并行电法对大坝坝体体的隐患判断准确度较高，瞬变电磁法较适合于坝肩结合部隐患的探查，把两种技术相互结合形成了一套全大坝渗漏诊断综合探测技术。

参考文献

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