瞬變電磁法在變電站地質(zhì)物探中的應(yīng)用

范亞浩， 吳 晟， 曹 敏， 李 川

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院,云南 昆明 650500；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,云南 昆明 650217)

瞬變電磁法在變電站地質(zhì)物探中的應(yīng)用

范亞浩1， 吳 晟1， 曹 敏2， 李 川1

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院,云南 昆明 650500；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,云南 昆明 650217)

在電力系統(tǒng)地質(zhì)探測方面，為了查明引發(fā)滑坡的地質(zhì)形態(tài)特征，簡要介紹了瞬變電磁法(TEM)的工作原理及其探測方法，并以滇東北區(qū)某變電站周邊邊坡進(jìn)行探測為例，通過對視電阻率成像圖進(jìn)行分析，得到了視深斷面圖的地形特征，總結(jié)了地質(zhì)形態(tài)的分布情況。與傳統(tǒng)的電阻率法相比，瞬變電磁法能夠高效、簡便地運用在山地環(huán)境的地質(zhì)物探中。

山地變電站； 邊坡穩(wěn)定性； 地質(zhì)物探； 瞬變電磁法； 視電阻率

0 引 言

邊坡穩(wěn)定性對于電力系統(tǒng)的安全和可靠運行起到重要作用。由于長期降雨等作用，地下滲水的流動易引起邊坡失穩(wěn)滑動，造成電力鐵塔變形，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素是滑動面的摩擦系數(shù)，由于滑動面上的摩擦系數(shù)是不能直接測量的，只能由滑動面上的含水量來推算，而含水量的大小直接影響滑動面的視電阻率。通過測量視電阻率的大小進(jìn)而能間接得到滑動面上摩擦系數(shù)等信息[1]。

據(jù)此，國際國內(nèi)對于引發(fā)滑坡的地質(zhì)形態(tài)特征進(jìn)行了深入研究，并形成了一系列探測方法。目前，已從理論上提出的地質(zhì)特征的研究探測方法[2]主要有電法、磁法、遙感、雷達(dá)等技術(shù)，其中，電法是種類最多、應(yīng)用面最廣、適應(yīng)性最強的一類方法，采用工程物探技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)探測研究更容易追蹤識別。針對各種類型的地質(zhì)巖體，選取合適的物探技術(shù)至關(guān)重要。

瞬變電磁法又稱時間域電磁法[3], 是一種先進(jìn)的地球物理勘探方法，近年來其應(yīng)用范圍越來越廣泛, 對近地表的巖溶、破碎帶等相對較大的目標(biāo)體的勘查有良好的效果，對地質(zhì)形態(tài)特征的探測有其獨特的優(yōu)勢，已有效應(yīng)用于淺部工程探測。本文以瞬變電磁法在滇東北區(qū)某山地變電站周邊邊坡的應(yīng)用為例,通過采集地下地質(zhì)體形成高低阻渦流回路產(chǎn)生的感應(yīng)信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理快速成像[4]，獲得邊坡地質(zhì)形態(tài)的分布特征，并對滑坡的可能性提供參考，取得了較好的效果。說明瞬變電磁法可以在淺層地質(zhì)物探中發(fā)揮顯著作用[5]。

1 瞬變電磁法原理[5]

瞬變電磁法(TEM),它是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的時間或者人工源電磁探測的一種方法。其工作方法是利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場,在一次脈沖磁場的間歇期間, 利用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激勵引起的渦流產(chǎn)生的隨時間變化的感應(yīng)二次場(按指數(shù)規(guī)律衰減)。二次場的大小與地下地質(zhì)體的電性有關(guān)：低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度較慢,二次場電壓較大； 高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。根據(jù)二次場衰減曲線的特征,通過對相應(yīng)信息的提取與分析，可以判斷地下異常地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等，從而可以解決如地下空洞、深部水體、斷裂破碎帶等地質(zhì)問題。瞬變電磁法工作原理如圖1。

圖1 瞬變電磁儀野外工作原理Fig 1 Field working principle of transient electromagnetic device

瞬變電磁法中心回線方式下，接收線圈中心處的二次場垂向分量隨時間的變化率?Bz/?t和二次場垂向分量Bz可表示為

(1)

(2)

圖2 核函數(shù)曲線變化特征Fig 2 Curve variation feature of kernel function

視電阻率可表示為

(3)

視電阻率是用來反映巖石和礦石導(dǎo)電性的變化的參數(shù)，是對地下電性不均勻體和地形起伏的一種綜合反映。在電磁探測中，利用視電阻率大小可以判斷地質(zhì)體的形態(tài)分布情況。

2 瞬變電磁法在山地變電站邊坡探測中的應(yīng)用

2.1 試驗區(qū)概況

本文選定某220 kV山地變電站作為應(yīng)用試點站。變電站地處滇東北區(qū)。此地區(qū)屬于滇東高原向四川盆地的過度地帶，地面坡度大，河流侵蝕與分割強烈，地表破碎，崎嶇不平，是以深切割的侵蝕中的石灰?guī)r山地相間分布的地貌形態(tài)。氣候環(huán)境多變，冬夏降雨量分布差異大，是導(dǎo)致此地區(qū)變電站周邊坡體滑坡發(fā)生的最主要的誘發(fā)因素。

考慮到此地區(qū)的特定地形等因素，同時為提高瞬變電磁法對地下巖體的探測分辨能力，在為變電站擬建鐵塔選址時，查明鐵塔邊坡區(qū)域地質(zhì)體的發(fā)育情況至關(guān)重要。特別是在灰?guī)r地區(qū)，巖溶、溶蝕等地質(zhì)構(gòu)造比較發(fā)育，采用瞬變電磁法進(jìn)行探測 ,為變電站擬建鐵塔選址提供了充分的設(shè)計依據(jù)。

實驗前勘查了變電站周圍的地形及地質(zhì)概況，根據(jù)變電站周圍土質(zhì)坡的發(fā)育走向和分布劃定了測區(qū)和測線，實驗對象為一個山地變電站周邊鐵塔的邊坡，如圖3所示。

圖3 選址布置圖Fig 3 Figure of site layout

在布置測線時,沿鐵塔坡體向下作為測線，設(shè)計了測線1條，測點19個，測道40個，測點間距10 m。實驗裝置采用LTEM—1瞬變電磁儀，線圈采用中心回線方式[6]，發(fā)射線圈半徑0.75 m，接收線圈半徑0.75 m，發(fā)射機(jī)關(guān)斷時間160～170 μs，發(fā)射電流11～12 A，采樣間隔10 μs，采樣時間5 ms。從鐵塔下方為起始測點，測線方向為下坡方向，測點1～9之間坡度為20°～30°左右，測點10～19地勢較平整，坡度較小。

2.2 實驗探測步驟[7]

1)布置:將發(fā)射線圈和接收線圈平放于地面上,并且使兩者距離發(fā)射機(jī)大致在5～6 m左右,避免由于距離太近,一次場對接收線圈產(chǎn)生影響。數(shù)據(jù)采集布置如圖4所示。

2)接線:將發(fā)射機(jī)、發(fā)射線圈、接收機(jī)、接收線圈用各自特定的線連接好。

3)檢查:檢查發(fā)射機(jī)和接收機(jī)工作是否正常,并檢查各個按鈕是否在初始位置。

4)設(shè)定測量參數(shù):主要包括發(fā)射電流、發(fā)射線圈面積、重復(fù)頻率、測線測點設(shè)定、采樣時間等。

5)測量:點擊測量按鈕,開始探測。

6)移至下一個測點,進(jìn)行下一測點探測。待全部測點探測完成后,測量完畢。

7)數(shù)據(jù)傳輸:將接收機(jī)中測量的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)進(jìn)行處理。

圖4 數(shù)據(jù)采集布置圖Fig 4 Figure of data acquisition layout

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算出每個測點的視電阻率[8]，實測視電阻率曲線圖如圖5。

圖5 實測視電阻率曲線Fig 5 Measured apparent resistivity curve

利用Surfer工具，對視電阻率成等值線圖。其視電阻率擬斷面圖如圖6所示。

圖6 視電阻率擬斷面圖Fig 6 Figure of apparent resistivity pseudo section

由視電阻率擬斷面圖可以看出:在測線下方為第四紀(jì)土質(zhì)覆蓋，探測范圍內(nèi)出現(xiàn)高阻體和低阻體。紅色線圈出的位置為高阻區(qū)，經(jīng)查閱地質(zhì)資料[9]和巖體視電阻率范圍，推測該高阻體可能為二疊紀(jì)玄武巖巖體，在平面150～180 m，深度40～70 m之間。在探測起始位置，視深35 m左右同樣出現(xiàn)了該巖體。黃色線圈出的位置為低阻區(qū)，位于平面40～70 m，深度15 m左右，可能為軟質(zhì)泥巖體，也可能與巖石破碎后含水有關(guān),一般來說含水量越大,視電阻率相對越小。通常云南旱季雨季交替，強降雨易破壞邊坡土質(zhì)層與巖石層的穩(wěn)定性，由于滑坡體成因相對復(fù)雜，此次探測地質(zhì)體特征可為滑坡可能性提供部分參考。由此可見,瞬變電磁法的探測效果是明顯的，推斷成果是可信的。

通過對視電阻率圖像進(jìn)行分析，可有效地分析出變電站周邊邊坡地質(zhì)體分布特征。同時，基于本文所提的瞬變電磁探測方法操作簡單，探測時間短，可節(jié)省大量人力、物力及財力。

3 結(jié) 論

本文提出了一種瞬變電磁探測邊坡地質(zhì)的方法。該方法在地面上施加一個斜階躍關(guān)斷的脈沖信號，通過對地下地質(zhì)體感應(yīng)信號的檢測，反演計算視電阻率并快速成像，從視電阻率斷面圖中直觀判斷地下地質(zhì)體的情況?？梢钥闯?瞬變電磁探測方法對近地表的電性變化信息有一定反映，準(zhǔn)確反映了地下淺層巖體的信息。同時考慮到現(xiàn)場探測時干擾信號多而強，采用小波變換濾掉了探測數(shù)據(jù)中的干擾信號。變電站邊坡探測實例表明，該方法探測結(jié)果準(zhǔn)確，濾波效果良好，可用于工程實際。

[1] 高大維,柳建新.瞬變電磁法在滑坡預(yù)警應(yīng)用中的研究[J].中國地球物理,2011,10:773.

[2] 袁桂琴,熊盛青.地球物理勘查技術(shù)與應(yīng)用研究[J].地質(zhì)學(xué)報，2011,85(11):1745-1758.

[3] 牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2007.

[4] Efthimios T,Michael S Z,Kazushige W,et al.Fast imaging of TDEM data based on S-inversion[J].Journal of Applied Geophysics,2000(4):15-32.

[5] 于生寶.瞬變電磁法淺層探測技術(shù)[J].電波科學(xué)學(xué)報,2006，21(2):284-286.

[6] Yu C G,Fu Z H,Zhang H Q,et al.Transient process and optimal design of receiver coil for small-loop[J].Geophysical Prospecting,2014,62(2):377-384.

[7] 代 剛.全空間瞬變電磁法及其在地下工程探水中的運用[D].成都:西南交通大學(xué),2003:16-17.

[8] 付志紅,孫天財,陳清禮,等.斜階躍場源瞬變電磁法的全程視電阻率數(shù)值計算[J].電工技術(shù)學(xué)報,2008，23(11):16-20.

[9] 王聲躍.云南地理[M].昆明：云南民族出版社,2002:34-64.

Application of transient electromagnetic method in geophysical prospecting in transformer substation

FAN Ya-hao1, WU Sheng1, CAO Min2, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.Yunnan Electric Power Test&Research Institute Group Co Ltd.Test&Research Institute,Kunming 650217,China)

In power system geological survey,in order to find out geological characteristics of landslide,briefly introduce working principle of transient electromagnetic method(TEM)and its detecting method,taking a substation in the northeast of Yunnan Province as an example,by analysis on apparent resistivity imaging map,topographic features of apparent deep cross section are obtained,and the distribution of the geological forms is summarized.Compared with traditional resistivity method,transient electromagnetic method can be used in geological environment of the geophysical exploration.

mountain substation; slope stability; geological geophysical; transient electromagnetic method(TEM); apparent resistivity

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0158—03

2015—10—29

P 631.3

A

1000—9787(2016)07—0158—03

范亞浩(1990-)，男，河南葉縣人，碩士研究生，主要研究方向為圖像處理與識別的研究。