本发明属于勘探地球物理技术领域，具体涉及一种基于磁场测量的堤坝渗漏通道检测方法及其装置。
背景技术：
我国是水患多发的国家，洪水灾害造成的损失十分巨大。由于垮坝或决堤是引起洪水灾害的重要原因，而堤坝渗漏是引起垮坝或决堤的直接原因。在上世纪90年代，中南大学基于流场法理论率先研制出了堤坝管涌渗漏检测仪，并生产出定型产品推广应用，取得了良好的效果。目前所使用的堤坝管涌渗漏仪均是在渗漏通道出口至堤坝前水域间建立交流电场，利用局部电流密度或电场强度奇异变大的位置确定堤坝渗漏入口位置。现有的方法均是测量水中电流密度或电场强度来寻找堤坝渗漏入口的位置，在确定渗漏入口的位置之外，如何确定渗漏通道这是堤坝检测的重要方面。但是，到目前为止，还没有人采用磁场测量方法来确定堤坝管涌通道的位置，而磁场测量快速、操作方便、成本低，因此利用磁场测量来确定堤坝渗漏通道十分有意义，可以为堤坝的渗漏通道的快速检测提供手段，值得进一步深入研究。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于磁场测量的堤坝渗漏通道检测方法及其装置，首次实现利用磁场测量方法来确定堤坝管涌通道的位置，提供了一种全新的检测方法，高效地定位堤坝内部渗漏通道，为堤坝的防护和监测提供了技术手段。
一方面，本发明提供的一种基于磁场测量的堤坝渗漏通道检测方法及其装置，包括如下步骤：
s1：获取信号发射机不供电时堤坝上每个磁观测点上的背景磁感应强度矢量以及供电时每个磁观测点上的总磁感应强度矢量；
其中，在堤坝的两侧布设发射电极a和b，所述发射电极a位于水库中并与水接触，所述发射电极a和b之间连接信号发射机，在所述提坝上按照预设线距和点距排布磁观测点；
s2：分别计算每个磁观测点上的总磁感应强度矢量与背景磁感应强度矢量的差值得到每个磁观测点的磁异常矢量；
其中，基于每个磁观测点的磁异常矢量构成提坝的磁异常场；
s3：基于磁异常场中每个磁观测点的磁异常矢量推演出电流密度分布；
其中，电流密度分布不为零处对应为提坝上渗漏通道位置。
当通过发射电极a和b注入电流信号时，电流沿着堤坝渗漏通道产生的优先导电路径引导时，渗漏通道中的电流会产生磁异常，因此，本发明通过磁异常来确定提坝上渗漏通道的位置。不难理解，渗漏通道中肯定会因为水流流动而形成水流流动路径，其导电性会明显高于背景(岩石、黏土或水泥等非水物质)，因此，导电电流路径可以与堤坝渗漏通道的水流流动路径相关联，而导电电流路径是通过磁场分布可以确定。且本发明通过公式推理也验证了磁感应强度矢量对电导率的梯度敏感性，因此堤坝渗漏通道中的电荷流动所产生的流场的特征相对于周围均匀材料的导电性有很强的下降，就可以通过磁性测量检测到。
因此，本发明通过先获取背景磁感应强度矢量以及通过a、b电极注入电流信号后得到的总磁感应强度矢量得到磁异常矢量，再基于磁异常矢量来获取电流密度分布，即渗漏通道位置处，基于磁异常矢量获取的电流密度分布不会为零，即可以获取到渗漏通道内缩产生的电流密度分布。非渗漏通道位置处(岩石、黏土或水泥等非水物质背景)，基于磁异常矢量获取的电流密度分布为零。应当理解，本发明得到的电流密度分布并非指总磁异常矢量在提坝上电流密度分布，而是针对磁异常矢量在提坝上产生的电流密度分布。
进一步优选，步骤s3是基于磁异常场与电流密度场的关系推演出电流密度分布；
其中，将提坝三维空间离散为m个单元，每个单元具有相同的体积以及每个单元中存在恒定电流密度，磁异常场与电流密度场的关系如下：
bs＝kj
式中，bs为磁异常场矩阵，矩阵大小为3n×1，
其中，任意第i个磁观测点的磁异常矢量
式中，
进一步优选，步骤s3中基于磁异常场与电流密度场的关系采用磁异常曲线的特征点法、切线法、二维反演方法或线性三维反演方法推演出电流密度分布。
基于上述磁异常场与电流密度场的关系采用各种不同的算法来求解电流密度分布，其中反演的方法也包括但是不限制于高斯牛顿法、非线性共轭梯度法、遗传算法。
进一步优选，采用线性三维反演方法推演出电流密度分布的过程如下：
首先，根据最小乘算法原理建立目标函数φ(j)并得到目标函数的线性逆问题的解决方案；
其中，目标函数如下：
φ(j)＝[wd(dobs-kj)]t[wd(dobs-kj)] λ[wm(j-j0)]t[wm(j-j0)]
解决方案的公式如下：
式中，λ为正则化因子，j0为电流密度的先验模型，dobs为观测数据，wd、wm均为权重矩阵，权重矩阵wd为观测数据dobs的误差协方差矩阵的倒数组成的对角矩阵，权重矩阵wm为光滑度矩阵，也称为权系数矩阵，通常取单位矩阵im；
然后，将提坝上的磁异常场矩阵以及位置矩阵代入解决方案的公式中计算出电流密度场矩阵得到提坝上的电流密度分布；
其中，磁异常场矩阵bs(3n×1)为观测数据dobs。进一步优选，在观测点利用磁探头采集磁感应强度矢量。
另一方面，本发明提供的一种基于上述方法的装置包括：发射电极a和b、信号发射机、接收器以及分析处理器；
其中，发射电极a和b分别设置在提坝的两侧，所述发射电极a位于水库中并与水接触，所述信号发射机连接于发射电极a和b之间；在所述提坝上按照预设线距和点距排布磁观测点，所述接收器设于磁观测点处采集磁感应强度矢量；
所述分析处理器与所述接收器连接，用于获取接收器在信号发射机不供电时采集的每个磁观测点上的背景磁感应强度矢量以及在信号发射机供电时采集的每个磁观测点上的总磁感应强度矢量，并识别出提坝上渗漏通道位置。
进一步优选，所述接收器为磁探头或磁力仪。
其中，接收器为磁探头时其不需要接地，克服了堤坝接地条件差的困难。
进一步优选，所述发射电极b位于陆地。
进一步优选，所述信号发射机的发射信号为直流信号或者频率为0.1～380hz的交流信号。
有益效果
本发明给出了通过理论推理获知磁感应强度矢量对电导率的梯度敏感性，因此堤坝渗漏通道中的电荷流动所产生的流场的特征相对于周围均匀材料的导电性有很强的下降，就可以通过磁性测量检测到。本发明基于该发现布置发射电极a和b，并通过注入电流信号与不注入电流信号下各个观测点上的磁感应强度矢量得到磁异常矢量，进而根据磁异常矢量来确定电流密度分布，其中，存在不为零的电流密度分布则视为提坝上渗漏通道产生的。进而本发明提供了一种全新的手段来确定提坝渗漏通道位置的方法，首次采用磁场测量的方式来实现渗漏通道位置的定位，且基于磁场测量自身具有快速，操作方便，成本低的优势，进而使得本发明可以更快速、高效低确定提坝渗漏通道。
附图说明
图1为本发明基于磁场测量的堤坝渗漏通道检测示意图。其中a、b为发射电极，a位于水库一侧的水中，b位于堤坝的另一侧的水中或者地下；i(ω,t)为供电电流；实心圆为磁感应强度矢量磁观测点，布设在堤坝上。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
本发明通过推理出该磁异常矢量的公式获知磁感应强度矢量对电导率的梯度敏感性，推理过程如下：
本发明包括在两个电极之间(地面或钻孔中)注入电流，并沿三个正交方向测量磁感应强度强度。
本方法涉及到准静态条件下的麦克斯韦方程(即忽略守恒方程中的时间导数)，如下公式：
其中e为电场强度，b＝μh，b为磁感应矢量(或称为磁通密度)；h是磁化场，μ为自由空间的磁导率，jc为传导电流密度。
根据方程(1)，电场可以通过
式中，js表示源区内的源电流密度(也称为初级电流密度)，σe是源区外的体积电流密度。
在观测点p(r)(磁强计位置)处，磁感应强度矢量可分解背景场磁感应强度矢量b0(r)和由渗漏通道中的电流产生的磁感应强度矢量bs(r)：
b(r)＝b0(r) bs(r)(5)
利用旋度，我们利用biot和savart定律，可以获得：
其中，r表示堤坝上预先布设的磁观测点p(r)的位置，r′表示围绕源点m的积分点的位置，
本发明由于导线位于地面上并且用于将电流电极a和b连接到发电机，还存在另一个磁感应强度。在本发明中电流控制js的来源是已知的。因此，我们可以很容易地删除背景场得到异常场：bs(r)＝b(r)-b0(r)。
利用
均匀地下
对于异常场而言，根据电流密度与电磁场之间的关系，我们可以将公式(7)写成如下形式：
式中，j(r′)＝σe为渗漏通道中的电流密度。
基于上述理论基础，本发明思路为先获取磁异常场，再利用磁异常场来获取渗漏通道中的电流密度分布，进而确定提坝上的渗流通道。如图1所示，本发明在堤坝的两侧布设供电电极a和b，其中供电电极a位于水库，并直接与水接触，供电电极b位于水库的另一侧，可以是水里也可以是陆地，并连接到信号发射机；在堤坝上按照设计的线距和点距布设观测点，利用接收器来采集观测点的磁感应强度矢量，本实施例中接收器选用采用磁探头或磁力仪逐点测量磁感应强度矢量。
本发明提供的一种基于磁场测量的堤坝渗漏通道检测方法及其装置，包括如下步骤：
s1：获取信号发射机不供电时堤坝上每个磁观测点上的背景磁感应强度矢量以及供电时每个磁观测点上的总磁感应强度矢量；
譬如，第i个磁观测点上的背景磁感应强度矢量
s2：分别计算每个磁观测点上的总磁感应强度矢量与背景磁感应强度矢量的差值得到每个磁观测点的磁异常矢量。
第i个磁观测点上的
s3：基于磁异常场中每个磁观测点的磁异常矢量推演出电流密度分布；
其中，电流密度分布不为零处对应为提坝上渗漏通道位置。本实施例中选用线性三维反演方法推演出电流密度分布，过程如下：
将提坝三维空间离散为m个单元，假设地下每个单元具有相同的体积v以及每个单元中存在恒定电流密度
对于n个测点而言，磁异常场与电流密度场的关系如下：
bs＝kj(11)
式中，bs为磁异常场矩阵，矩阵大小为3n×1，
式中，
本发明通过在观测点监测磁感应强度矢量得到磁异常场矩阵bs，且位置矩阵k已知，那下一步是如何求解电流密度场矩阵，本发明实施例中根据最小乘算法原理建立目标函数φ(j)并得到目标函数的线性逆问题的解决方案；
其中，目标函数如下：
φ(j)＝[wd(dobs-kj)]t[wd(dobs-kj)] λ[wm(j-j0)]t[wm(j-j0)]
解决方案的公式如下：
式中，λ为正则化因子，j0为电流密度的先验模型，dobs为观测数据，wd、wm均为权重矩阵，权重矩阵wd为观测数据dobs的误差协方差矩阵的倒数组成的对角矩阵，权重矩阵wm为光滑度矩阵。其中，先验模型是基于历史实验数据或者历史监测数据中电流密度分布、渗漏通道、磁异常场的历史数据推导的。
将提坝上的磁异常场矩阵以及位置矩阵代入解决方案的公式中计算出电流密度场矩阵得到提坝上的电流密度分布，其中，磁异常场矩阵bs(3n×1)为观测数据dobs。
应当说明的是，其他可行的实施例中进一步优选，步骤s3中基于磁异常场与电流密度场的关系，还可以采用磁异常曲线的特征点法、切线法、二维反演方法推演出电流密度分布，其中反演的方法也包括但是不限制于高斯牛顿法、非线性共轭梯度法、遗传算法。
另一方面，本发明提供的一种基于上述方法的装置包括：发射电极a和b、信号发射机、接收器以及分析处理器；
其中，发射电极a和b分别设置在提坝的两侧，发射电极a位于水库中并与水接触，所述信号发射机连接于发射电极a和b之间；在提坝上按照预设线距和点距排布磁观测点，所述接收器设于磁观测点处采集磁感应强度矢量；
分析处理器与所述接收器连接，用于获取接收器在信号发射机不供电时采集的每个磁观测点上的背景磁感应强度矢量以及在信号发射机供电时采集的每个磁观测点上的总磁感应强度矢量，并识别出提坝上渗漏通道位置。分析处理器可以是包含处理芯片的计算机或者其他终端设备，其存储了上述方法对应的程序，调用运行存储的程序实现渗漏通道位置确定。
其中，优选接收器为磁探头或磁力仪。信号发射机的发射信号为直流信号或者频率为0.1～380hz的交流信号。
需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。
1.一种基于磁场测量的堤坝渗漏通道检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
s1：获取信号发射机不供电时堤坝上每个磁观测点上的背景磁感应强度矢量以及供电时每个磁观测点上的总磁感应强度矢量；
其中，在堤坝的两侧布设发射电极a和b，所述发射电极a位于水库中并与水接触，所述发射电极a和b之间连接信号发射机，在所述提坝上按照预设线距和点距排布磁观测点；
s2：分别计算每个磁观测点上的总磁感应强度矢量与背景磁感应强度矢量的差值得到每个磁观测点的磁异常矢量；
其中，基于每个磁观测点的磁异常矢量构成提坝的磁异常场；
s3：基于磁异常场中每个磁观测点的磁异常矢量推演出电流密度分布；
其中，电流密度分布不为零处对应为提坝上渗漏通道的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤s3是基于磁异常场与电流密度场的关系推演出电流密度分布；
其中，将提坝三维空间离散为m个单元，每个单元具有相同的体积以及每个单元中存在恒定电流密度，磁异常场与电流密度场的关系如下：
bs＝kj
式中，bs为磁异常场矩阵，矩阵大小为3n×1，
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤s3中基于磁异常场与电流密度场的关系采用磁异常曲线的特征点法、切线法、二维反演方法或线性三维反演方法推演出电流密度分布。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：采用线性三维反演方法推演出电流密度分布的过程如下：
首先，根据最小乘算法原理建立目标函数φ(j)并得到目标函数的线性逆问题的解决方案；
其中，目标函数如下：
φ(j)＝[wd(dobs-kj)]t[wd(dobs-kj)] λ[wm(j-j0)]t[wm(j-j0)]
解决方案的公式如下：
式中，λ为正则化因子，j0为电流密度的先验模型，dobs为观测数据，wd、wm均为权重矩阵，权重矩阵wd为观测数据dobs的误差协方差矩阵的倒数组成的对角矩阵，权重矩阵wm为光滑度矩阵；
然后，将提坝上的磁异常场矩阵以及位置矩阵代入解决方案的公式中计算出电流密度场矩阵得到提坝上的电流密度分布；
其中，磁异常场矩阵bs(3n×1)为观测数据dobs。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在观测点利用磁探头采集磁感应强度矢量。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述方法的装置，其特征在于：包括：发射电极a和b、信号发射机、接收器以及分析处理器；
其中，发射电极a和b分别设置在提坝的两侧，所述发射电极a位于水库中并与水接触，所述信号发射机连接于发射电极a和b之间；在所述提坝上按照预设线距和点距排布磁观测点，所述接收器设于磁观测点处采集磁感应强度矢量；
所述分析处理器与所述接收器连接，用于获取接收器在信号发射机不供电时采集的每个磁观测点上的背景磁感应强度矢量以及在信号发射机供电时采集的每个磁观测点上的总磁感应强度矢量，并识别出提坝上渗漏通道位置。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述接收器为磁探头或磁力仪。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述发射电极b位于陆地。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述信号发射机的发射信号为直流信号或者频率为0.1～380hz的交流信号。
技术总结