MT-VCT成像堤坝渗漏探测仪的特点与应用

mt-vct · 发表于 2020-10-1 10:23

MT-VCT成像堤坝渗漏探测仪的特点与应用

郑州地象科技有限公司 寇伟寇通

摘要：郑州地象科技有限公司研制的MT-VCT成像堤坝渗漏探测仪，属于天然大地电磁场源、频率域物探设备，具有探测速度快、测深分层细达0.1米、对堤坝漏水的反应灵敏度高、描述堤坝渗漏位置和路径准确等特点，本文对其原理、特点和应用加以简介。

关键词：堤坝渗漏，管涌隐患，MT-VCT成像，探测仪

我国现有近十万座大中小水库半数以上大坝内部存在着大小不等的裂缝、松散区、不均匀区、渗漏通道等各种隐患；而我国大江大河大湖的堤防多数建在冲积平原上，堤基多为饱和粉细砂及砂砾石构成的较薄覆盖层，极易产生渗漏，堤身由于填土不匀、不密实、存在生物洞穴及其他隐患，容易产生管涌、散浸等渗漏险情。由于渗漏出口与渗漏路径基本上不一致，往往是看到堤坝有渗漏却找不到渗漏的具体位置，盲目施工打孔灌浆却堵不住漏，费工费时费钱但效果不佳，形成了堵漏容易找漏难、年年堵漏年年漏的被动局面。

针对堤坝渗漏勘探的需求特点，郑州地象科技有限公司研制出专门用于查找堤坝渗漏隐患的探测仪，经过三年来在应用中不断改进、增加功能、提高精度，实践证明其勘探快捷、使用方便、查漏准确率高。

一、MT-VCT大地电磁成像堤坝渗漏探测仪的原理及渗漏水的物性特征

从现有论文和网络宣传资料来看，目前可用于堤坝渗漏勘探的仪器有瞬变电磁法、高密度电阻率法、自然电场法、浅层地震法、表面波法、地质雷达、同位素示踪法、测温法、流场测量法等。瞬变电磁法和自然电场法属于时间域透视勘探法，可以观察自上而下观察堤坝异常但不能分层得知其深度位置；高密度仪和激电仪都需要对地插电极馈电，勘探条件受限制且速度很慢；表面波、雷达、地震仪都属于人工机械波勘探法，勘探深度受限、对水的敏感性差、结果多解性大；示踪法、流场法、测温法可以用来查找渗漏入口，但对坝体内部渗漏路径和位置不得而知。

由于每一种物探方法均是通过探测地层的一种物理参数存在的差异来发现地质异常，探测结果往往存在多解性。在实践中基本上都是采用几种方法进行综合物探来查找渗漏，勘探速度和效果仍不理想，市场上需要有一款在方法和技术上符合堤坝渗漏隐患勘探需求的专业物探设备，精准查找堤坝渗漏的位置和路径的、真在能解决那些长期处于渗漏状态的危坝难题。

郑州地象科技有限公司在其研制大地电磁成像探水仪的基础上，针对堤坝渗漏及隐患勘探的需求特点，研制了专用于堤坝渗漏及隐患勘探的大地电磁成像探测仪。下面从MT-VCT探测仪的原理来分析用于堤坝渗漏探测的适用性和特点。

1、MT-VCT的有效场源是来自于地球内部的导电流体和静磁场的相互作用产生的动态电磁场、与天上的电磁场信号无关，所以，MT-VCT把地表之上所有电磁信号都视为干扰信号而将其屏蔽掉，抗干扰能力很强，在离220千伏高压线50米处能够正常探测。

2、由于地磁场源相对稳定、向地面辐射的电磁波所穿过的介质层固定不变，所以MT-VCT在地表采集的是电磁波穿过介质层作用后相对稳定的剩余能量值，反映的是地层介质的电磁特性，与介质层电阻率无关，与地表之上的气候、时间、地域无关。

3、大地电磁场形成电磁波垂直传播到地表，电磁波的电场和磁场在交替传播过程中所携带的信息都可用以独立表征各地层介质的电磁特性，故此MT-VCT仅采用一个垂放于地面上的电磁传感器采集自下而上的电磁波能量序列值，来完全表征大地由浅至深介质的电磁反应特性。

4、由于电磁波能量包传播的递进特征，在地表每一刻采集到的都是每个频率电磁波传递上来的最大能量值，故MT-VCT采集各频点数据周期很短，堤坝渗漏探测仪单点采样时间仅13秒钟。

5、MT-VCT认为电磁波穿过固定不变的地壳混合介质层到达地面后的剩余能量值符合镜像法的唯一性定理要求，每个频率的测值与地下相应波长深度层的电磁波能量值互为镜像关系，即每一个频率点都对应着一个固定的波长（深度层），由此建立了MT-VCT堤坝渗漏探测仪间隔0.1米的频率（波长）与深度的固定对应关系表。

6、由于测取到的是某一深度层介质对于电磁波的折射衰减特性，而水电磁波的折射率相对最大、吸收衰减最多，所以电磁波经过含水层后测值衰减到很小，在MT-VCT测值反映介质的物性特征体系中，水是测值最小、灵敏度最大、最容易识别的介质。

二、MT-VCT大地电磁成像堤坝渗漏探测仪的技术特点

针对现有堤坝渗漏探测技术和应用中存在的问题，结合堤坝渗漏隐患探测的特点，郑州地象科技有限公司研制的MT-VCT大地电磁成像堤坝渗漏探测仪具有以下基本特征：

1、适用堤坝渗漏勘探能力强。仅用一个3公斤重手提式电磁感应探头，可随手提起垂直放置在堤坝平面或斜面上，也可以悬起距地面5公分内探测，在混凝土、石块、沥青石子路、土层上都可以进行探测。

灵敏度要高，探测微弱信号能力强，即使是细小渗漏隐患出现的异常信号也能被反映出来。

2、高速采样密集探测。按采样键13秒钟即可一次性采集几百个深度层点的数据，测点间距1米或0.5米密集探测，边走边测，一天可探测1000点以上，可以沿堤坝探测几个剖面细密查找渗漏隐患。

3、测深分辨率高达0.1米/层。扫描成像的分层间隔小才能探测出堤坝分层接触薄弱带渗漏和很小的空穴裂缝隐患。MT-VCT渗漏探测仪探测深度80米，0--40米的分辨率为10厘米/层，40--80米内的分辨率为20厘米/层，基本上不会漏掉堤坝细小空穴隐患和孔隙渗漏点。

4、高灵敏度信号采集系统。有效的实现了低噪声、高精度、低功耗、低时漂、低工频干扰等关键技术，确保尽可能地屏蔽电磁干扰、完整拾取天然场源微弱电磁信号，真实反映堤坝内部结构和介质信息。

5、现场即时分析快捷查漏。快捷细密勘探后通过计算机MT-VCT软件自动成像生成二维彩色剖面图，图像直观易懂、容易识别，现场即时分析，准确查漏。

6、探测结果的一致性好。密集测点和细密分层构成的高分辨率MT-VCT成像剖面图，能够清晰描绘堤坝地质结构和异常，不存在模糊不清的有多解性结果。观察剖面图就可以直观看出哪里有深蓝色块集聚的渗漏点，将几条平行测线形成的剖面图对照观察，即可得知堤坝渗漏的位置、路径、大小及边界等情况。

三、堤坝渗漏类型及特征

库坝区渗漏是指库水沿岩石孔隙、裂隙、断层、溶洞等向库盆以外或通过坝基(肩)向下游渗漏水量的现象。水库的作用是蓄水兴利，在一定的地质条件下，水库蓄水期间及蓄水后会产生一定渗漏，如果渗漏严重，将会直接影响到该水库的效益。更为严重的是，堤坝渗漏往往导致坝基产生渗透变形，直接威胁到大坝的安全。对任何一座水库来说，如果出现堤坝渗漏现象，就应当及时勘查找出渗漏的位置及路径，采取有效的工程处理措施堵漏，确保堤坝安全。

1、按坝区渗漏通道的性质来分有以下几种类型：

（1）孔隙渗漏型。库水主要通过第四纪松散土层发生渗漏，例如黄土、各种粒径的砂层及砾石等。这一类型的渗漏量主要取决于土层的孔隙率及空隙直径的大小和土层分布的范围。

（2）裂隙渗漏型。库水主要通过岩、土体内的裂隙进行渗漏，包括可透水的各种原生裂隙、次生裂隙以及断层破碎带的裂隙。裂隙型渗漏量的大小取决于断层性质、规模、充填物及填胶程度及裂隙的张开度和密集程度等。

（3）溶洞渗漏型。喀斯特地区的水库，库水通过各种规模的溶洞发生渗漏。

（4）除了以上三种基本类型外，还有孔隙—裂隙渗漏型和裂隙—溶洞渗漏型等混合型渗漏。

2、按照坝区渗漏形式来分有以下几种类型：

（1）坝基渗漏型。指库水通过坝基岩层中的孔隙、裂隙、破碎带向下游渗漏。

（2）绕坝渗漏型。指库水通过坝肩岩层中的孔隙、裂隙、破碎带向下游渗漏。

（3）集中渗漏型。指库水通过较大的断裂破碎带、各种岩溶通道向下游渗漏。

（4）均匀渗漏型。指库水通过未经胶结的砂砾石层和基岩中较为均布的风化裂隙向下游渗漏。

（5）坝体渗漏型。指由于坝体建筑土料质量差、填筑质量未达标准要求、层面结合不够紧密、坝身不够牢固、未设置有效截水措施等原因引起的渗漏。

3、目前为减小堤坝渗漏常用的防渗处理措施：

对坚硬的裂隙岩体采用灌浆帷幕的效果最好；对喀斯特化岩体除采用灌浆帷幕外，还可采用铺盖、封堵和建截水墙防渗；对松散岩体宜采用不同防渗材料的垂直防渗或水平防渗铺盖；当坝基表层为弱透水层，下部为强透水层时，宜在坝下游埋设排水减压井、排水槽等以减小渗透压力。缺乏必须的防渗措施或者是防渗处理不当，都会产生堤坝渗漏问题。

四、应用MT-VCT探测仪查漏与分析方法

MT-VCT堤坝渗漏探测仪主要应用领域为水库大坝、河道堤防的渗漏管涌检测、病险水库治理，亦可用于城市自来水管道漏水、矿山坑道突水预警、基坑帷幕渗漏等方面的检测。

1、堤坝渗漏查漏探测线路设计

堤坝渗漏原因多种多样，库坝后出现渗漏处，往往与坝体内、坝前库水中渗漏入口位置相差甚远，所以通过观察只能对渗漏的大小、大体位置有一个基本估计，只能在分析时作为参考，而不能够只凭人为观察和估测一下子就锁定在小范围进行勘探查漏。而是应该首先进行大范围的初步勘探，基本锁定靶区之后再进行密集性详细勘探。

初步勘探最少设计坝前坡、坝顶、坝后坡3--5条线路，探测点间距1米，从一端坝肩开始探测、到另一端坝肩结束。对探测数据生成的VCT成像剖面图进行分析、对照和判断后，确定靶区范围，再设计进行详细勘探工作。详细勘探设计的探测点间距缩小到0.5米，根据大坝的规模设计坝前坡、坝顶、坝后坡各探测2--5条线路，各线探测点要一一对应，以便在各线MT-VCT成像剖面图之间进行对照分析，精准描绘出渗流通道的位置。

2、堤坝渗漏探测中应注意的问题

（1）探测操作应该注意：探测时探头可以斜放在用混凝土和石块固化过的坝坡斜面上，若是坝坡角度大不易安放探头时，可以一边靠在坝坡上一边悬空，但一定要扶稳探头不能晃动，否则探测数据会产生失真。

（2）鉴于堤坝渗漏通道细小、横穿堤坝的特点，沿坝轴方向探测的密度一定要大、探测点要多，否则就会遗漏隐患、查找不到渗漏点。所以探测点间距不能大于1米，设定探测点数最大可以定为999点，适当多设探测点，到头测不够设定数时关机即可。因单点探测时间只有14秒钟，即使是长达一公里的大坝5个多小时就可以探测999个点的一条线，小水库的大坝一天就可以探测几条线，所以初探不但线路设定要长，而且点间距一定不能大。

（3）MT-VCT成像堤坝渗漏探测仪的纵向分辨力细到0.1米/层，确定靶区范围之后详细勘探的点间距一定要做到0.5米，这样由0.5*0.1米一层格组成的MT-VCT成像彩色块剖面图的分辨率才会足够高，对于细小的渗漏点及小洞穴、裂缝、施工薄弱带等隐患才能够看得到、看的清。

（4）由于出现绕坝渗漏时，库水是通过坝肩岩层中的孔隙、裂隙、破碎带向下游渗漏的，所以探测起点尽可能从坝肩20米左右的位置开始，起点离坝体太近就不容易看清库水渗流的入口和路径。

（5）大地电磁法是通过采集由地壳以下垂直向上辐射到地表的电磁波信号来获取地层信息的，若是坝体中埋有钢板、粗钢管、较密集的金属丝网等对电磁波起屏蔽干扰作用的材料，探测仪会由于采集不到有效的地层信息而失灵，受干扰的探测点数据会显示异常，探测时一定要向甲方了解坝体地下是否有干扰物、记下它们所在的位置及探测点数。

3、MT-VCT成像分析方法及应用

MT-VCT大地电磁成像法是完全依靠采集的大数据、通过自创的彩色块积木成像法自动形成剖面图，不存在任何人为修改、删除数据，也没有按照认为设定的模型来反演改变原始数据，一切都是将原始数据按区段赋色、通过搭积木的方式一层层的堆砌成色块剖面图。这种展现剖面数据的方式是最客观、最真实的。

由大地电磁法原理可知，在地表测取到的某一频率的测值是其相应的镜像深度层介质对于电磁波的折射衰减后的剩余值，水对于电磁波的折射率相对最大、吸收衰减最多，水是测值最小、灵敏度最大、最容易识别的介质，所以电磁波经过含水层后测值会衰减到很小，在MT-VCT测值反映介质的物性特征体系中水是相对最容易识别的介质，其测值一般都在0--1之间。

由郑州地象科技有限公司独创的VCT成像软件自动生成的CT切片扫描成像剖面图，所见即所在、图中“看”水。因将0--1之间的测值涂成5种深浅不一的蓝色块，分析时可以从蓝色块的多少和深浅、连接的数量和厚度，就可以清楚的知道含水区的分布与位置、渗漏水积聚位置及范围，经不同探测线路剖面图对比分析还可以看出渗漏影响区的大小、通道及流向，即使是不懂得地质和物探技术的人也能够从VCT成像剖面图中找出渗漏点的位置和通道，为专业人员制定堵漏施工方案提供准确的数据。

4、MT-VCT成像技术在堤坝查漏中的应用及应注意的问题

（1）蓝色块不一定就是水。由于坝体多为夯实土层、且长期处于库水侵渗环境中，本来土层对于电磁波的衰减特性就比较好、测值大约在1--1.5之间，吸附一点湿气后测值就会降到1以下。这样，自动生成的MT-VCT成像色块积木型剖面图就存在一个问题，猛一看整个图都有蓝色块，不知道这些是否有水、哪里有渗漏。出现0--1低值的零星蓝色块只能代表这一层点对于电磁波的吸收能力较强，并不见得就是含水，只有从不同视角、不同形式认真地观察分析才能看出区别和渗漏点。

（2）蓝色块聚集成堆且测值在0.5以下的才有可能是渗漏点。MT-VCT成像剖面图上显示出的测值越小、蓝色越深、蓝色块聚集越多，就有能是渗漏之处。由于按照坝轴线方向探测形成的剖面图基本上是横截于渗流通道的，那么在MT-VCT成像剖面图上显示的就是渗流通道的截面，这个截面的形状与渗漏的类型、大小等有关。无论渗漏点的形状为何，其特征都是由多个低测值深蓝色块组成，且与周边色块有明显区别。因探测点间距（0.5米或1米）远长于层间距（0.1米），一般蓝色块层数（行）会比探测点数（列）显得较多，分析时要注意折算成实际尺寸。

（3）从几条探测线路剖面图判定渗流通道。使用MT-VCT渗漏探测仪者一定要明白，一条线剖面图只能说明有可能是渗漏点，通过几个线剖面图对比分析印证，才能确定是否真是渗漏点。一般来讲，通过初步勘探确定渗漏靶区范围之后，详细勘探线路最少要在坝前坡、坝顶、坝后坡各探测2条线路。比较几条线路的MT-VCT成像剖面图，如果每个剖面图上在相近的位置都有低值深蓝色块聚集，就说明其确实为渗漏反应，这些地方就是渗漏点的位置，将几条线剖面图的渗漏点相连，就可以描绘出渗流通道的具体路径。

（4）使用MT-VCT分析软件多种功能观察分析。为了MT-VCT堤坝渗漏探测仪用户分析使用方便，郑州地象科技公司对于MT-VCT成像剖面图分析功能不断进行改进，除了可以使用原有的图像压缩放大、两段过滤观察分析之外，增加了排除干扰探测点和谐波行的整列、整行屏蔽功能，最近又增加了单双孤点过滤去色功能，目的都是在不人为改变数据的原则下更清晰的展现坝体内部介质构成，易于看清含水集聚渗漏点片、查找渗流通道的位置和路径。因此，在对MT-VCT成像剖面图进行分析时，要充分利用这些功能进行多视角、多方位综合分析，确保准确查出渗漏。

参考文献

【1】寇伟，寇通，论堤坝渗漏探测仪的问题、需求及研制，《基层建设》，2018-3

【2】寇伟，寇通，MT大地电磁法仪与VCT大地电磁成像仪的区别，《工程技术》，2017-10

【3】水库渗漏，《百度百科》