瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质探测中的应用_周昊钰.pdf
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1、长三角地区城市经济、人口的不断增长有力推动了城市地下空间的开发,精准地质探测是其地下工程建设的重要保障。本文简要介绍了长三角地区地下空间的发展现状、影响因素和主要的地质探测手段,表明瞬变电磁法在城市地质探测中具有较大的市场潜力和社会需求。考虑到现有瞬变电磁法存在较大的浅层勘探盲区,本文设计了一种改进型瞬变电磁线圈,给出了相应的绕制方法及理论依据;与传统中心装置线圈的对比实验结果表明,利用改进型线圈可促使感应电动势有效分辨时间大幅提前,对浅层地电信息的响应能力增强,有效减小了浅层勘探盲区。现场试验结果进一步表明了改进型线圈的可靠性和优越性。关键词:城市地质探测;瞬变电磁法;线圈改进;有效分辨时间
2、中图分类号:P631文献标志码:B瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电
3、磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电
4、磁测试线圈改进及其在长三角城市地质瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用探测中的应用周昊钰1,胡雄武1,倪圣军2(1.安徽理工大学 地球与环境学院,安徽淮南32001;2.安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司,安徽合肥230088)337-
5、61长三角地区地下空间现状长三角经济区位于我国东南部,区域包含江浙沪皖三省一市,占地达35.9万km2,该地区人口密集,交通环境复杂,在我国经济发展速度及创新能力等指标上均位于前列,是我国经济发展较快的地区之一。随着经济持续高速发展,城市空间受限成为制约长三角地区发展的重要因素,如今迫切需要发展地下空间来减缓城市人口压力、保障土地资源、增加交通便利、优化城市环境。2018年11月,长三角一体化发展上升为国家战略,高质量发展、深度全面合作、发挥对外开放的作用、打造世界级城市群框架,为长三角地区地下空间发展提供良好机遇1。长三角地区地下空间发展离不开大规模的地下设施建设。地下空间发展从一开始单纯的
6、地下室,逐渐发展为特大商业设施、存储仓库、大型地下管网、地铁网络,其功能属性日益不可替代。2020年中国城市地下空间新增建筑面积约为2.59亿m2,同比增长0.78%。长三角地区的城市地下空间新增建筑面积同比上升3.78%(全国为0.11%)2。长三角地区汇集了中国重要的社会资源、科创力量和资本市场,政策支撑文件颁布数量较多,覆盖广泛,规划管理体系相对完善,地下空间行业多元发展,供需市场最大,地下空间专有技术与装备的创新较为频繁,是名副其实的中国城市地下空间发展主驱动。如表1所示,城市地下空间的总体发展大致可分为五个地下深度10 m1020 m30 m50 m200 m发展阶段初始化阶段规模化
7、阶段初始网络化阶段规模网络化阶段地下城阶段功能特征地下车库等单体建设,规模小地下商场,大型车库等城市核心区建筑轨道交通节点,地铁线路等地下综合体完善的地铁网络,各种市政等公共设施各类地下设施融合,功能齐全分布形态散落分布据点分布初始网络网络伸展立体城市代表城市一般地县级市镇江等无锡、常州等苏州、南京等未来目标表1地下空间发展层次划分3Table 1.Underground space development stage division3安徽地质2022年阶段,每个阶段对地下空间的需求不同,但为保障工程建设安全高效,需全面掌握易出现的各类地质影响因素(如地面沉降、工程软土、岩溶空洞、地下水位等
8、)4,因此,研究方便快捷精准的地质探测方法具有重要的现实需求。现今对城市地下空间探测的手段有浅层地震波法、地质雷达法、高密度电法以及瞬变电磁法等。各方法优缺点明显,其中浅层地震波法需人工震源,对城市环境和周边居民生活造成影响较大、施工效率较低,受城市人文活动影响大5;地质雷达法易受到城市中各种电磁干扰的影响,且探测深度较浅,探测结果很难满足大规模地下建设需要6;瞬变电磁法理论上探测范围可以从地表到地下几千米,但受仪器性能及测试线圈等各种因素制约,其探测浅部存在10 m至20 m不等的“勘探盲区”。实际工程中为弥补这一缺陷,常采用地质雷达法探测浅部和瞬变电磁法探测深部的综合探测方法,但相对来说,
9、现场工作效率大幅降低,勘察成本显著提高7-8。若瞬变电磁法能克服自身缺陷,增强浅层探测能力,则该方法将成为城市地下空间探测的一种重要手段。因此,进一步发展城市瞬变电磁探测方法具有较大的市场潜力和社会需求。2瞬变电磁勘探盲区形成的关键因素现有研究表明,斜阶跃场源条件下瞬变电磁场全程响应表达式为:9Vnon-step(t)=|-0nIS4at0|(u)-2ue-u2,0 t0(1)式中:n为发射线圈匝数;I为发射电流;a为发射线圈边长的 1/2;S 为接收线圈面积;(u)为误差函数,(u)=20ue-x2dx;u 是 为 函 数 变 量,u=0a2(t);0为真空磁导率;为介质电导率。瞬变电磁探测
10、环境包括地质体产生的瞬变场、发射与接收线圈之间的互感场以及背景噪声信号等,仪器实际测量所得的信号为以上信号输入到接收系统后的输出信号10。为便于瞬变电磁仪器记录数据的重建,可忽略环境中的背景噪声信号。2.1 互感电动势互感电动势VM(t)可以表达为:VM(t)=-MI(t)t,0 t0(2)式中:M为发射线圈与接收线圈之间的互感系数。显然,互感电动势VM(t)取决于互感系数M和发射电流关断时间t0的大小。而实际中,t0一般由仪器自身性能所决定且越小越好。因此,在现有条件下,一般通过控制互感系数M来改变互感电动势大小。2.2 接收系统的暂态过程接收系统的暂态过程主要取决于接收系统的冲击响应函数,
11、其可表示为11|G1(t)=20e-t22-1et2-1-e-t2-1G2(t)=20sin(t1-2)1-2e-tG3(t)=20te-t(3)式中:为接收系统谐振频率,=0(r R+1);r 为接收线圈电阻;R 为接收电路匹配电阻;0为接收线圈固有谐振频率,0=1(LC);L、C是接收线圈的分布电感和电容;为接收系统阻尼系数,z=d/,=()rC+L R()2LC;G1(t)、G2(t)和G3(t)分别是欠阻尼、过阻尼和阻尼匹配下的接收系统冲击响应函数。2.3 接收系统输入输出关系在不考虑环境背景噪声条件下,接收系统的输入电压信号可表示为:Uinput(t)=VM(t)+Vnon-step
12、(t)(4)按照系统线性时不变理论,接收系统输出电压Uoutput(t)可表示为:12Uoutput(t)=G(t)Uinput(t)(5)338第32卷第4期2.4 瞬变电磁仪器记录数据分析图1为接收系统在阻尼匹配状态条件下的瞬变电磁输入输出信号曲线。由此可见,仪器实际记录数据(即接收系统输出数据)与实际输入数据之间存在不同程度的差异。一次场干扰不仅存在于关断时间以前,在发射电流关断以后,接收系统的暂态过程会将一次场干扰从关断时间t0以前大幅度地延长到关断时间以后,是造成瞬变电磁浅层探测盲区的主要原因;接收系统为阻尼匹配状态时,瞬变电磁仪器记录的数据质量最高;瞬变电磁仪器记录的电压数据存在有
13、效分辨时间ts,ts的大小决定探测盲区的大小,而其本身又取决于发射-接收互感系数、关断时间以及接收系统的阻尼状态等因素。以上分析表明,减小发射-接收线圈的互感系数是减小有效分辨时间ts的有效途径13。t/ms0.00.51.01.52.02.53.0emf/V10-810-710-610-510-410-310-210-1100101V(t)e(t)t0=0.2msts=1ms图1接收系统在阻尼匹配状态条件下的输入输出信号曲线Figure 1.Input-output signal curve of receiving systemunder damping matching conditio
14、n3线圈改进与实验3.1 线圈绕制方法与理论依据为使瞬变电磁场有效分辨时间提前,本文改进一种优化线圈装置以消除瞬变电磁收发线圈之间的互感干扰。此装置主要对线圈的绕制方法进行改进,绕制方法及线圈模型如图2所示。以圆形线圈结构为例,发射线圈和接收线圈在同一平面,以同一点为中心。发射线圈以a为半径绕制合适的匝数,接收线圈分为大小不同的内外两圈,内圈22的半径设定为a,外圈21的半径为b。接收线圈先以a为半径绕成一圈内圈,再扩大线圈半径到b,以原来的反方向绕制一圈外圈,接下来缩小半径到a以外圈的反方向绕制内圈,通过计算并改变发射线圈和内外接收线圈的半径及线圈匝数,绕制合适的线圈匝数,使一次场响应在接收
15、线圈内部抵消,这样理论上就能完全消除线圈间一次场互感影响。下面给出该线圈的理论依据。图2改进线圈绕制方法示意图Figure 2.Diagram of winding method for the improved coil假设空间中有一平面 xoy,半径为 a的载流圆线圈放置其中,圆心坐标与坐标轴原点重合,在空间中任取一点P(r,),则P点对应的磁感应强度为:B=04LIdlr3(6)其中:dl=ade=a(-sini+cosj)d(7)R=(rsin-acos)i-asinj+rcosk(8)dl R=a rcoscosi+rcossinj+(a-rsincos)k d(9)将(2)、(3)
16、、(4)代入(1)式化简,得:B=0al4021R3 rcoscosi+rcossinj+(a-rsincos)k d式中:R3=(rsin-acos)2+(asin)2+(rcos)232=(r2+a2-2arsincos)32(11)上式中i、j、k分别为xoy平面上单位向量的磁感应强度。根据载流线圈磁场对称性可得,磁感应强度在y轴分量矢量和为0,因此空间任意一点磁感应强度只与半径r和角有关,即:Bz=0I4a021-rasincos(1+r2a2-2rasincos)32d(12)此时,令=2,可得载流线圈xoy平面内任意周昊钰,等:瞬变电磁测试线圈改进及其在长三角城市地质探测中的应用(
17、10)339安徽地质2022年点磁感应强度:Bz=0I4a021-racos(1+r2a2-2racos)32d(13)由于该装置原理是内外接收线圈的一次场响应抵消,则设单匝发射线圈半径为a,电流为I,接收线圈半径为ka,则可以得到:0aBz2rdr=akaBz2rdr(14)令m=ra(0 m 1)代入得发射线圈得总磁通量表达式:根据第一类、第二类椭圆积分公式化简得T=0I2012m(m-1)K(2m/m+1)-(m+1)E(2m/m+1)(m+1)(m-1)dm(16)经过求解,发现当a=1 m,I=1A时,单匝发射线圈1 的平面内总磁通量T=9.585902 7 10-6T m2。由于该
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