一种结合土石坝内金属结构的三维电法观测系统

1.本发明涉及堤坝渗漏隐患探测工作中的地球物理探测领域，具体涉及一种结合土石坝内金属结构的三维电法观测系统，其是一种利用坝体本身内部的金属测压管或虹吸管作为长电极结合坝体表面布置的电极形成一种坝体内部和地面电极联合的结构体内外三维电法观测系统。


背景技术：

2.土石坝堤防作为一种重要的水利设施，它的安全运行对保证农业灌溉及保障人民生命财产安全具有重要作用，水库的蓄水调水能够保证农业灌溉，也能保障汛期下游人民的生命财产安全。影响水库安全的主要问题是水库渗漏问题。
3.目前，地球物理方法作为一种无损检测手段已被广泛利用，但由于不同方法测试条件限制，其对目标体的探查灵敏程度不同。对于受坝体渗漏所引起的坝基稳定性评测问题，直流电阻率方法具有较强的适用性，通过对坝体电性参数的综合对比与判断，可以较好地确定异常区域，为钻探施工提供有效的技术参数。大坝在水压的影响下，渗漏位置一般都在坝体的下部，坝肩接触带甚至坝基位置，距坝体表面距离较远，目前的直流电法探测技术在水库土石坝探测中，多采用多条坝体表面二维测线或地面三维测线，或者钻孔 地面测线进行孔地三维电法勘探，其中三维电法观测系统电极布置方式为：按照一定的网格布置电极，即前后电极间的距离相同。孔内电极布置为：布置一串电极，电极与电极间有一定的间距。但水库大坝这种水利设施出于安全考虑，一般不允许进行坝体内的钻探工作，难以布置钻孔安装电极，基本都是以地面布置电极的方式，这样电极距离渗漏位置相对较远，有时难以测量到异常信号，难以得到较好的探测结果。同时由于坝肩等位置常常不是直线，为不规则状，难以布置规则的电极网格。
4.坝体内本身存在一些具有一定功能的金属结构，如测压管、虹吸管。测压管是用来检测坝体内部的水头高度，虹吸管用于自动泄洪。这些金属结构除了履行自身作用外，别无他用。


技术实现要素：

5.为实现孔地三维电法，同时不在坝体上进行钻孔破坏坝体结构，充分合理的利用坝体本身的金属结构进行探测还未有相关报道，对于中小型水库堤坝，普遍存在的金属结构有虹吸管和测压管，这两种结构一般都为金属材质，其中虹吸管是沿坝体上表面的一根金属管，在坝顶部分完全埋藏于坝体内。测压管一般为镀锌管，垂直于坝体，从坝体表面直至坝基，深度较大，且一般有若干个均匀分布在坝体内，若以这两个结构进行电信号的激发和接收，信号源更靠近异常，更有利于异常信号的接收。本发明利用坝体内的虹吸管或测压管等金属结构作为“长电极”进行电法信号的发射和接收，结合大坝表面的电极，形成表面和坝体内的全空间三维电法观测系统。目前的三维电法数据反演网格可以用非结构化网格进行剖分，对电极的间距没有严格限制，可以将电极任意布置。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：地面测线结合坝体内金属结构的三维电法观测系统：
7.一种结合土石坝内金属结构的三维电法观测系统，所述土石坝坝体表面布置若干电极，测线按照任意顺序将所述电极和坝体内的金属结构串联在一起，形成一条完整的三维电法测线；其中，所述坝体的坝肩位置或渗漏重点位置加密布置所述电极；
8.所述电极布置为网格状，或无规则的任意形式；所述坝体的坝肩位置或渗漏重点加密布置的所述电极间的电极间距小于坝体其他位置处的电极间距；
9.所述坝体内的金属结构为金属测压管或金属虹吸管，或为坝体钻探施工的钻杆；
10.所述电极与金属测压管连接，或电极与金属虹吸管连接，或电极与金属虹吸管和金属测压管同时连接，以进行三维数据采集。
11.进一步的，所述系统还包括并行电法仪或高密度电法仪；
12.在进行所述三维数据采集时，将测线与并行电法仪或高密度电法仪连接并进行单点电源场或偶极场的电法数据测量，记录各电极分别发射的发射电流i和任意两个电极之间的测量电压差δu。
13.进一步的，所述三维数据采集还包括对每个电极，以及测压管和/或虹吸管和/或钻杆的位置进行定位测量，以用于数据处理。
14.进一步的，所述三维电法观测系统对采集数据进行预处理和反演，获取探测区域三维电性分布特征，并结合地质资料进行解释。
15.本发明的有益效果如下：
16.1.本发明利用坝体内本身存在的金属结构进行三维电法勘探，无需在坝体上再施工钻孔，节约了现场施工时间成本和经济成本。
17.2.由于钻孔对坝体本身造成破坏，一定程度上会对坝体的安全造成影响，本发明属于真正意义上的无损检测；
18.3.本发明把坝体内本身存在的金属结构当成长电极，该长电极深入坝体内部，离异常位置更近，更有利于电极对异常信号的接收；
19.4.本发明的地面电极布置可为任意形式，对电极间的间距没有要求，这样更方便现场施工，同时有利于对重点位置进行加密测量，使得电极布置更加合理、灵活。
附图说明
20.图1是本发明结合坝体内测压管和虹吸管的三维电法观测系统的立体布置示意图；
21.图2是电极 虹吸管的观测系统组合方式；
22.图3是电极 测压管的观测系统组合方式；
23.图4为具体实施例中三维反演的网格剖分图；
24.图5为具体实施例中通过三维反演获得的电阻率分布图；
25.图6和图7分别为三维电阻率反演结果的横向和纵向的剖面图之一。
26.图中：1-测压管；2-电极；3-坝肩；4-虹吸管；5-电法仪。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.实施例一
29.本实施例是地面电极 虹吸管 测压管组成的三维电法观测系统。
30.结合说明书附图1，在待检测坝体上任意布置电极2，其中坝肩3处进行电极的加密布置，坝肩3处的电极间距相对较小；
31.按一定的顺序将各电极依次连接，同时将测压管1和虹吸管4接入测线内，形成一条完整的测线后与电法仪5相连，完成现场三维观测系统的布置；
32.所述电极连接没有特定的顺序限制；
33.完成观测系统布置后，对每个电极进行坐标定位与记录，用于数据处理使用，电极编号及坐标记录形式见表1；
34.表1电极编号及坐标记录形式
35.电极号xyz1x1y1z12x2y2z23x3y3z3......x...y...z...
36.进行本观测系统的偶极-偶极电法数据的采集，记录发射电极和接收电极编号及对应的电流和电位差，记录形式见表2；
37.表2偶极-偶极供电测量数据记录表
38.abmnv/i(ohm)i(ma)34213.81708283.3630645322.65616470.7572956431.62729594.1213254311.07128894.1213267541219146100.307368420.9965100.307378651.1265288.310479530.79490688.3104710410.85709688.3104....................................
39.对所测量得到的三维数据体进行预处理：将各电极的坐标及供电测量数据合并为反演文件，进行三维反演。三维反演的网格剖分采用非结构化网格进行剖分，剖分结果参见图4；
40.利用共轭梯度算法进行坝体三维电法数据反演，获取坝体内的三维电性分布特征，见图5坝体三维反演电阻率分布图。如图5为三维电阻率反演结果图，图6和图7分别为三维电阻率反演结果的横向和纵向的剖面图之一，其中图6为沿着坝顶轴向中心的切片图，图
7位为沿着垂直于坝顶轴向中心的切片图，根据图6和图7沿着坝体顶部和垂直于顶部的切片图，可判定坝体的渗漏隐患位置分别位于坝顶轴线100m处，横向80m处。
41.实施例二
42.本实施例是地面电极 虹吸管组成的三维电法观测系统。
43.结合说明书附图2，在待检测坝体上任意布置电极2，其中坝肩3处进行电极的加密布置，坝肩3处的电极间距相对较小；
44.按一定的顺序将各电极依次连接，同时将虹吸管4接入测线内，形成一条完整的测线后与电法仪5相连，完成现场三维观测系统的布置；
45.所述电极连接没有特定的顺序限制；
46.完成观测系统布置后，对每个电极进行坐标定位与记录，用于数据处理使用，而后进行本观测系统的偶极-偶极电法数据的采集，记录发射电极和接收电极编号及对应的电流和电位差，，记录发射电极和接收电极编号及对应的电流和电位差。对所测量得到的三维数据体进行预处理：将各电极的坐标及供电测量数据合并为反演文件，进行三维反演。获取坝体内的三维电性分布特征。再进行成果解释。
47.实施例三
48.本实施例是地面电极 测压管组成的三维电法观测系统。
49.结合说明书附图3，在待检测坝体上任意布置电极2，其中坝肩3处进行电极的加密布置，坝肩3处的电极间距相对较小；
50.按一定的顺序将各电极依次连接，同时将测压管1接入测线内，形成一条完整的测线后与电法仪5相连，完成现场三维观测系统的布置；
51.所述电极连接没有特定的顺序限制；
52.完成观测系统布置后，对每个电极进行坐标定位与记录，用于数据处理使用，而后进行本观测系统的偶极-偶极电法数据的采集，记录发射电极和接收电极编号及对应的电流和电位差，对所测量得到的三维数据体进行预处理：将各电极的坐标及供电测量数据合并为反演文件，进行三维反演。获取坝体内的三维电性分布特征。再进行成果解释。