第15卷第4期2018年7月J且li弗吉~4如究唔音在Vol.15,No. 4 July. , 2018 申立引用格式z房瑞，李帝佳，吴桐，等基于拟流场法的堤坝管涌渗漏检测频率研究口1工程地球物理学报.2018.15C的，525-529英立引用格式:FangRui,Li Diq\"出n，Wu Tong, et al. Studyon det自由'\"1，叫U血叩01dam pi，归gleakage based on flow-field 6ttiI咆mcthod[JJChinl四eJ OUmaI of Engineering G面physi阻，2018，15(的:525-529基于拟流场法的堤坝管涌渗漏检测频率研究房瑞1，2·3，李帝给1，2，3，吴桐1，ZJ，索光运1，2，3，胡艳芳1.2.3(1.中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙4100831;2.中南太学有色资源与地质灾害探测湖南省重点实验室，湖南长沙410083;3.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083)摘要:拟流场法为病险水库隐患探测和汛期堤坝查险提供了必不可少的技术支撑和科学抢险决策依据，而堤坝管酒潘漏检测仪通过设置合适的频率才能提高隐患探测的准确性.通过数值计算比较了水体外电磁干扰在同一水深的衰减情况，计算了相同测量装置下不同频率的发射电流变化，以此来评估信噪比固计算结果表明，水体具有低遁特性，频率越高，水体外电磁干扰衰减越快s发射电流由于电缆的感抗会随发射频率的升高而降低，发射频率超过拐角频率时，无法形成稳定的人工源.因此，在保证发射电流强度的前提下，频率越高，水体外电磁干扰影响越小，信噪比越高.在已知渗漏区域的水库开展了对比试验工作，对比了30Hz. 300 Hz.1 024 Hz三种频率的检测效果，结果表明，频率为1024Hz的检测效果最好，与数值计算结果一致自因此，在施工时频率设置尽可能接近揭角频率可有效保证检测效果。关键词z拟流场法5堤坝管涌渗漏z渗流场s拐角频率中图分类号:P631. 3 文献标识码:A文章编号:1672--7940(2018)04--0525--05doi: 10. 3969jj. issn. 1672-7940. 2018. 04. 019 Study on Detecting Frequency of Dam Piping Leakage ßased on Flow-field Fitting Method Fang Rui\"川，Li Diquan,•2•3, Wu Tong,•2•3, SUO Guangyun,•2•3, Hu Yanfang,.2•3 (1. Key Laborato巾。1M，阳llogenicPrediction 01 Nonferrous Metals and 仇。logicalEnvironment Monitoring, Central South Uni四rsity，Ministry 01 Education, Changska Hunan 410083, China; 2. Hunan Key La缸ratoγ'Y0/ Non -ferrous resources and Geological Hazard Detection, Central South University, Changsha Hunan 410083, China; 3. School 01 G甜甜iencesand Info -Physics, Central South University, Changsha Hunan 410083, China) Abstract: The flow--field fitting method provides essential technical support and scientific basis for emergency decision for the detection of hidden danger reservoirs and dam detection during f100d season, and the dam piping leakage detectors can improve the accuracy of hid-收稿日期:2018-03-20 E-mail: naofangzi@田u.edu.cn第-作者房瑞(1991-).男，硕士研究生，主要从事堤坝管涌事漏检测研究.通讯作者李帝娃(1982一).男，博士，副教授，博士生导师，主要从事矿产和袖气资源的电磁法探测理论与技本、城市地球物理探测研究。E-mail;lidiquan@csu.edu.cn526 工程地球物理学报(ChíneseJournal of Engíneeríng Geophysícs) 第15卷den detection by setting the appropriate frequency. In this paper, the attenuation of elec-tromagnetic interference outside the water at the same depth is compared by numerical cal-culations, and the emission current changes at different frequencies under the same measur ing device are calculated to evaluate the signal-to -noise ratio. The calculation results show that the water body has low-pass characteristics, and the higher the frequency is, the faster the electromagnetic interference attenuation in water is; the emission current wil1 decrease with the increase of the transmission frequency due to the inductive reactance of the cable, and the stable artificial source cannot be formed when the emission frequency ex-ceeds the corner frequency. Therefore, under the premise of ensuring the emission current intensity, the higher the frequency is, the smaller the inf1uence of electromagnetic interfer-ence outside the water is and the higher the signal-to -noise ratio is. A comparison test was conducted on reservoirs with known leakage areas, and the detection effects of 30 Hz, 300 Hz, and 1 024 Hz were compared. The results show that the detection effect with the frequency of 1 024 Hz is the best and is consistent with the numerical calculation results. Therefore, setting the frequency as close as possible to the corner frequency during con-struction can effectively guarantee the detection effect. . Key words: f1ow-field fitting method; dam piping leakage; seepage field; corner frequency 的科学依据。利用拟流场法研制的DB、DP系列1引拟流场法是何继善院士提出的一种堤坝管涌堤坝管涌渗漏检测仪，在堤坝管涌渗漏检测中应用广泛E8451，在汛期与非汛期均可快速准确地探测渗漏入水口区域.随着方法和仪器的推广应用，根据探测区域的水文地质情况，运用伪随机流场法测井[15]进行坝基廊道内的排水孔检测，或者结合双频激电法山，161，区分金属排水管与管涌渗渗漏检测方法t11，通过水流场与电流场在数学和物理上的相似性，适当布设人工源，使得渗流场与水中建立的人工电流场具有相比拟的边界条件，测量得到的电流场即可拟合渗流场，从而达到对堤坝管涌番漏快速、准确的无损检测。目前应用于堤坝管涌渗漏检测的地球物理探漏通道，提高检测的准确率。部分采购了堤坝管涌渗漏检测仪的单位对方法仪器进行了深人研究，有些单位还对仪器进行了改造，有专家提出为何不利用直流信号或低频信号开展拟流场法测量的疑问。为了对比不同频率的测量效果，本文特开展拟流场法的检测频率研究.测方法总体而言可分为电磁(传导〉类和波动类方法。前者包括电测深、电剖面、高密度电法、瞬变电磁法、自然电位法等;后者有地质雷达、浅层地震、瑞雷面波法等。传统电磁(传导〉类方法因原理和技术限制〈如体积效应和电极接地等)，使得此类方法分辨率低、速度慢;地质雷达方法属于电磁波动类方法，不需要电极接地，虽然速度快，但其探测探度和分辨率是相矛盾的，限制了在堤坝管涌渗漏检测中的应用;传统弹性波方法需要接2 拟流场法原理当正常的水流场出现管涌渗漏情况时，水流速度的矢量场指向渗漏入水口。如果测定异常矢量场的三维分布，即可判断渗漏入水口准确位置。但在实际情况中，异常流场远小于正常流场.因此，如何快速、准确地分辨异常流场成为问题的关地的传感器，导致检测速度慢，其分辨率则受激发震源的限制，难以满足堤防隐患探测的要求[1-飞拟流场法采用伪随机信号拟合水流场，提高了信号抗干扰能力;探测传感器位于水中，避免坝体不均匀引起的信号干扰[町，在工程中取得良好键。由于渗漏的出现，必然存在渗漏通道，此番漏通道是客观存在的，也是探测可利用的物理实体.拟流场法使基于以上物理事实，在检测区域水体探测效果，为堤坝管酒楼漏隐患泊理提供了重要中，通过在背水面的堤境内与迎水面的水中同时528 工程地球物理学报(Chineselournal of Engineering Geophysics) 第15卷1.2 . 。.8----~O 0.6 、、间。.4~…h=10m I -.h二30m0.2 ~ --h=50 m 。1 10 100 1000 10000 f/Hz 图2电磁信号在水中传播衰减Fig. 2 The attenuation diagram of electromagnetic signal in water 20 18 16 14 12 ~10 8 6 4 2 。10 100 1000 10000 f/Hz 横向虚线表示电流为7A，纵向虚线代表拐角频率τbe horizontal dodtotettde dli nlien ei ndicates出国也ecurrent is 7 A, and 也eve:此icalindicates也e∞mer仕equency图3发射电流随频率变化Fig. 3 The diagram of emission current with frequency changes 野外工作一般采用普通铜线作为发射电缆。假设电感值为3mH/km，发射电缆长度500m, 撞地电阻10n . m，发射电压100V，根据公式(2)，发射电流随着频率的变化如图3所示。其拐角频率为1082.47 Hz，当频率低于拐角频率时，发射电流大于7A，当频率高于拐角频率，发射电流急剧下降。使用堤坝管涌渗漏检测仪进行堤坝渗漏管涌检测时，频率的选取需要考虑趋肤深度、拐角频率等诸多因素，减少工频信号等水体外电磁信号的干扰。从理论计算可以看出随着信号频率的升高，趋肤深度减小，水体外电磁干扰信号的衰减加快，信噪比也随之提高;同时，当高于拐角频率时，发射电流急剧下降，导致信号减弱，电流场拟合效果降低。综合考虑以上因素，拟流场法施工频率选择为拐角频率最为合理。4 堤坝管涌渗漏检测仪工程验证为了对比不同频率对拟流场法检测效果的影响，选择一个已知有2个渗漏点的水库开展试验，在堤坝迎水面区域存在两处渗漏入水口，渗漏点1位于34~47m之间，为弱渗漏段;渗漏点2位于57~64m，为强渗漏段。试验参数:渗漏出水点放置一供电电极;在库区边坡水边线300m远地区放置另一供电电极;供电电压为80V;测线长100m;频率选择30Hz、300 Hz和1024 Hz，检测结果如图4所示。从图4可以看出采用不同的频率，其场强信号的幅值，稳定性等方面存在明显差异，但均在相同的位置出现异常响应。收发频率为30Hz时，试验数据分为明显的稳定区与异常区，背景场区域信号稳定，场强值在0.02 mV左右。第一段异常区域为34~47号点，异常信号响应明显，场强值约0.04mV，是背景场信号幅值的2倍;第二段异常区域为57~64号点，异常信号响应明显，场强值最高达到0.14mV，异常信号响应是背景场均值的4倍以上，属于强异常响应区域，与该段为主渗漏区域吻合。收发频率为300Hz时，试验数据出现较大波动，背景场值在前后出现较大差异变化。两段异常信号响应区域，与其他频率检测结果基本吻合，但背景场变化大，如不结合其他频率试验数据，背景场信号的波动会导致渗漏异常范围的圈定再次扩大而造成误检。通过与30Hz、1024 Hz两不同频率检测结果对比发现:采用300Hz的收发频率，其测量结果稳定性较差，在背景场测量时会出现阶跃性变化;在异常响应区域抗干扰能力减弱，异常响应的连续性较差，当存在弱渗漏带时会造成误检。因此在确定伪随机信号收发频率时应避开工频及相应的整数倍频率，减少外来信号的干扰。收发频率为1024 Hz时，试验数据和收发频率为30Hz、300Hz的场值变化趋势一致，背景场与异常场分界明显。在0~32、48~56、64~100号点为无渗漏异常的背景场，场值在0.05mV 左右，且这三段区域内场值波动小，信号稳定。在33~47号点第一段异常区域，异常场场值是背景场值的2倍左右。在57~63号点之间为第二段异常响应区，其异常值为背景场值的4~5倍，属于强异常响应，与第一段异常区域相距8m。
