等值反磁通瞬变电磁法在探测岩溶病害中的应用
王银1, 席振铢2, 蒋欢3, 侯海涛2,3, 周胜2,3, 范福来3
1.铁道第三勘察设计集团有限公司,天津 300142
2.中南大学 地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083
3.湖南五维地质科技有限公司,湖南 长沙 410205
蒋欢(1991-),女,硕士,2016年毕业于中南大学,主要从事电磁法研究和工程物探工作。Email:jianghuansunflower@163.com

作者简介: 王银(1974-),男,高级工程师,毕业于长春科技大学,长期从事铁路工程物探工作。Email:438999457@qq.com

摘要

机场跑道潜在的岩溶隐患将直接影响其承载能力和使用寿命。通过广州白云机场跑道的勘察试验研究,表明等值反磁通瞬变电磁法能够在机场噪声背景以及有限不接地场地条件下实现快速无损探测机场跑道隐伏岩溶地质病害,有效规避了地震反射波受机场飞机起降噪声的影响、高密度电法受场地接地条件的制约以及探地雷达探测深度不足等常规工程物探方法的缺点,为机场跑道隐伏地质病害探测提供了一种新的探测方法。

关键词: 等值反磁通瞬变电磁法; 溶洞探测; 无损检测; 机场跑道
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)02-0360-04
The application research on the detection of karst disease of airport runway based on OCTEM
WANG Yin1, XI Zhen-Zhu2, JIANG Huan3, HOU Hai-Tao2,3, ZHOU Sheng2,3, FAN Fu-Lai3
1. The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China
2. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China
3. Hunan 5D Geosciences Technique Co., Ltd., Changsha 410205, China
Abstract

The potential karst disease of the airport runway is directly related to the carrying capacity and working life of the airport runway. According to the applied exploration cases of Guangzhou-Baiyun international airport, the opposing coils transient electromagnetic method in karst disease survey is proved to be fast and non-destructive under the background of airport noise and limitation of the site condition. Compared with conventional engineering geophysical prospecting method, the opposing coils transient electromagnetic method can effectively avoid the influence of airport aircraft landing noise while the seismic reflection wave method fails to do so, and it can work under the condition of poor ground while the high density resistivity method can not do so. What's more, it can detect deeper bodies while the geological radar method can not do so. In conclusion, the opposing coils transient electromagnetic method is a new effective detection method for the detection of hidden geological diseases in the airport runway.

Keyword: opposing coils transient electromagnetic method; karst detection; non-destructive detection; airport runway
0 引言

面对日益增长的航空客流量和货运量, 机场跑道安全对机场运营、人民的人身和财产安全的也尤为重要。地下岩溶等隐伏地质病害会对跑道造成严重安全隐患, 影响跑道的承载能力、使用品质和使用寿命[1, 2]

目前可用于机场跑道岩溶病害探测的方法有高密度电阻率法、地震波法、探地雷达法、瞬变电磁法[3, 4, 5]。高密度电阻率法由于受机场跑道水泥路面的限制, 电极接地供电受到制约[6, 7]; 地震波法易受现场飞机起降等随机噪声的干扰[8]; 探地雷达法虽然是目前应用于跑道探测最广泛的方法, 但是探测深度有限, 一般在10 m以内, 且对地下较深的岩性界线划分、岩溶及其他不良地质体的探测能力有限[9, 10, 11]; 传统的瞬变电磁法由于早期数据存在电磁耦合, 在进行浅层探测时存在“ 盲区” , 影响勘探效果[12, 13, 14, 15]。上述常规物探方法由于应用效果较差或不具备开展的条件, 故有必要发展新的跑道岩溶病害探测技术。等值反磁通瞬变电磁法属于无损探测, 不受接地等场地条件的限制, 由于其特殊的装置克服了传统瞬变电磁法存在探测盲区的技术瓶颈, 实现了0~100 m浅层勘探, 且操作简单、工作效率高、抗噪、抗干扰能力强, 是一种新型的可用于跑道岩溶病害探测的技术。

1 等值反磁通法瞬变电磁方法原理

等值反磁通瞬变电磁法(opposing coils transient electromagnetics, OCTEM), 与传统的瞬变电磁法原理相同, 即通过不接地的回线向地下发送一次脉冲磁场, 在脉冲磁场的激发下, 地下地质体将会激励起感应涡流, 感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场, 利用磁感应接收传感器来观测二次场, 达到探测地下地质体的目的[16, 17]

与传统瞬变电磁装置不同的是, OCTEM以向2个相同线圈通以反向电流时产生等值反向磁通的规律为理论依据, 采用上、下2个大小相同、平行共轴的线圈, 分别向其通以大小相等、方向相反的电流作为发射源(双线圈源), 在双线圈源合成的一次场零磁通的平面上接收地下二次场, 测量对地中心耦合的纯二次场。OCTEM是一种新型的瞬变电磁法, 由于接收线圈处于双发射线圈的等值反磁通平面, 其一次场磁通量始终为零, 当发射电流关断时, 上、下两线圈产生的磁通相互抵消, 接收线圈的一次场磁通量为零, 地下空间的一次场依然存在, 接收的信号是地下纯二次场的响应, 可根据接收到的二次磁场随时间的衰减规律获得地下介质地电信息。OCTEM采用的大小相同、平行共轴的双线圈在地面发射脉冲信号, 断电后, 近地表的发射线圈感应的一次磁场最大, 因此, 在相同变化时间内, 感应涡流的极大值面集聚中在近地表, 而感应涡流在地表产生的磁场最强。随着关断间歇的延时, 近地表感应的涡流逐渐衰减, 产生了新的涡流极大值面, 并且逐渐向远离发射线圈的垂直方向扩散。M.N.Nabighian将涡流极大值扩散的面比喻为“ 烟圈” [18]

感应涡流的扩散速度及其极大值的衰减幅度与大地电性参数有关。不考虑其他因素, 一般在非磁性大地中, 主要与电导率有关, 即大地电导率与扩散速度和极大值的衰减幅度成反比关系。可以根据地表接收到的涡流场信号随时间的衰减规律获得地下电导率信息。扩散深度为

δ=2t/(σμ0),

式中:σ 为大地电导率, t为衰减时间, μ 0为真空磁导率。在计算电阻率时采用适用于全期的视电阻率计算方法, ti时刻的全区视电阻率计算公式为

ρτ(ti)=(μ0L2)/(4πtiz2),

式中:L为线圈边长, z= 2πL/τ , τ 为扩散参数[19]

OCTEM的数据处理是将原始数据通过数据预处理、定性分析、定量解释和综合解释等步骤, 最后结合已知地质资料得到电学地质断面图。数据处理流程见图1

图1 OCTEM数据处理流程

2 工程应用
2.1 工程概况

工区位于广东省广州市白云国际机场第三跑道, 目的是查明跑道地下地层的岩性界限、溶洞及其他不良地质情况。根据现场初步踏勘, 地表为水泥地, 不适合电极接地, 而探地雷达由于探测深度有限, 也无法满足勘察要求。为了完成勘察任务, 在该跑道采用OCTEM进行探测。

2.2 仪器简介

探测使用湖南五维地质科技有限公司研发的HPTEM-08型高精度瞬变电磁系统。该系统克服了收发线圈存在感应耦合的技术难题, 实现了瞬变场早期纯二次场信号测量; 采用微线圈、对偶中心耦合装置提高了横向分辨率和信噪比; 具备抗干扰能力强、探测精度高、采集速度快等优势, 可保证探测的准确性和高效性。系统由4部分组成:收发天线、主机、12 V外接电源和操作PC, 主机与移动PC之间通过WIFI连接。数据采集过程中主机与天线之间需保持2 m以上距离, 同时操作PC也应与天线尽量保持距离, 如图2所示。

图2 现场工作情况

2.3 数据采集

数据采集前需进行系统自检调平校验。调整发射、接收线圈的相对位置, 观测衰减曲线, 如图3所示, 当达到调平位置时即可进行数据采集。

测区地形较平坦, 地表为素填土, 下伏基岩为灰岩。根据勘察任务, 结合现场探测条件, 在白云机场第三跑道沿东西方向布置1条测线, 测线长100 m, 点距5 m, 并准备根据资料解释结果进行打钻验证。数据采集参数为:电源电压12 V, 发送电流8.5 A, 发送频率25 Hz, 关断时间0.04 ms, 叠加周期为1 000次。

图3 调平校验衰减曲线

2.4 结果分析

用HPTEM-08瞬变电磁探系统数据处理软件对采集数据进行反演, 求出电阻率和深度。

图4为瞬变电磁响应多测道剖面及反演解释断面。图中, t1~t15分别为4.8, 8.0, 12.8, 16.0, 20.8, 27.2, 35.2, 44.8, 57.6, 73.6, 123, 205, 339, 563, 934 μ s。对这15道数据进行分析可以看出, 在0~15、75、85 m处数据异常明显。从图4b可看出, 浅部电阻率值较低, 横向连续性较好, 垂向分层明显, 推测浅部低阻为填土、黏土的反映; 深部电阻率值较高, 推测为基岩的反映, 部分等值线横向不连续, 起伏变化较大, 且在瞬变电磁响应多测道剖面图中对应的3个异常位置存在相对低阻区域, 75 m和85 m处异常相连通, 推断低阻异常区域为含低阻岩石较多或是由于岩石风化物引起的溶洞使岩层的完整性和连续性遭到了破坏; 1 800 Ω · m为相对高低阻变化带, 推断为土石分界面。

图4 OCTEM电磁响应多测道剖面(a)及其反演解释断面(b)

在数据解释完成之后, 分别在20、30、85、100 m处进行打钻验证, 土石分界面均与推断结果相吻合, 且85 m处存在溶洞, 证明OCTEM方法有效。

3 结论

通过本次广州白云机场跑道探测的实例, 证明了等值反磁通瞬变电磁法采用对偶中心耦合装置消除了收发线圈的感应耦合, 可有效地解决瞬变电磁浅部探测存在“ 盲区” 的技术瓶颈; 该方法不需要接地, 对场地具有良好的适应性, 且抗干扰能力强, 飞机起降对其无影响。本次探测结果表明等值反磁通瞬变电磁法可用于机场跑道探测。

The authors have declared that no competing interests exist.

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