本文選題：小回線源　切入點：瞬變電磁法　出處：《中國地質(zhì)大學(xué)(北京)》2015年博士論文

【摘要】：瞬變電磁法作為電法勘探的一個重要分支,因其獨有的特點適用于工程地球物理探測。本文針對水庫大壩和堤防滲漏探測的實際,探索用長方形小回線裝置進(jìn)行瞬變電磁法大壩滲漏通道探測,采用基于非均勻剖分方式的FDTD方法,來正演模擬堤壩模型中不同滲漏構(gòu)造的瞬變電磁場響應(yīng)特征及空間分布規(guī)律,并最終將長方形小回線源瞬變電磁法應(yīng)用于大壩滲漏探測。主要研究工作與成果如下：(1)由均勻半空間解析解和層狀介質(zhì)數(shù)字濾波解的理論公式,推導(dǎo)出均勻半空間矩形回線源在時間域電磁場各分量的表達(dá)式；總結(jié)適合于復(fù)雜模型計算的非均勻復(fù)合網(wǎng)格有限差分計算方法,并通過對迭代步長、邊界條件和激勵源施加等方面的限定,實現(xiàn)了基于非均勻剖分的FDTD正演。在確保結(jié)果精度的基礎(chǔ)上,提高了計算效率。(2)為了驗證基于非均勻剖分三維有限差分算法的正確性,將均勻半空間模型的解析解與FDTD解進(jìn)行比對,并進(jìn)行誤差分析,發(fā)現(xiàn)通電時間長短不影響早期解的精度,但通電時間越長,得到準(zhǔn)確解的時間越長；通過對常見層狀模型的數(shù)字濾波解同F(xiàn)DTD正演結(jié)果比對,發(fā)現(xiàn)該算法僅在早期時刻有一定誤差,晚期時刻吻合較好,進(jìn)一步檢驗了算法的可靠性。(3)通過對比相同等效面積的長方形與正方形回線源激勵的瞬變電磁響應(yīng),提出適合堤壩瞬變電磁探測的長方形小回線裝置。構(gòu)建均勻堤壩模型,采用非均勻剖分方式的FDTD算法模擬均勻壩體模型的瞬變電磁場響應(yīng)；在壩體中設(shè)置不同形狀和類型柱狀、板狀、復(fù)雜滲漏異常體,通過對抽取斷面的電場和磁場分量的分布來研究含滲漏異常體壩體模型的瞬變電磁場響應(yīng)。結(jié)果表明,模擬結(jié)果與設(shè)置模型一致,說明該正演程序可以模擬出含多個滲漏異常體的復(fù)雜模型；并通過同均勻壩體模型響應(yīng)求差的方式來研究滲漏異常體的在地表磁場分量的異常場,為下一步瞬變電磁三維反演研究提供了基礎(chǔ)。(4)在多個水庫大壩和圍堰使用小回線源瞬變電磁探測方法進(jìn)行了滲漏探測現(xiàn)場試驗,探測成果為滲漏隱患的處理找準(zhǔn)了方向,結(jié)果得到了驗證。表明長方形小回線源瞬變電磁滲漏探測方法用于水利工程滲漏探測是可行的。
[Abstract]:Transient electromagnetic method, as an important branch of electrical exploration, is suitable for engineering geophysical exploration because of its unique characteristics. In this paper, the transient electromagnetic method is used to detect the leakage passage of dam with rectangular small loop device. The FDTD method based on non-uniform dissection is used to forward simulate the response characteristics and spatial distribution of transient electromagnetic field of different seepage structures in dike model. Finally, the rectangular small loop source transient electromagnetic method is applied to the detection of dam leakage. The main work and results are as follows: 1) the theoretical formula of uniform half-space analytical solution and layered medium digital filtering solution. The expressions of each component of electromagnetic field in time domain of rectangular loop source in uniform half space are derived, and the finite difference method of nonuniform composite grid for complex model calculation is summarized, and the iterative step size is given. In order to verify the correctness of the 3-D finite difference algorithm based on non-uniform dissection, the FDTD forward modeling based on non-uniform dissection is realized by the boundary condition and excitation source limitation. On the basis of ensuring the accuracy of the results, the computational efficiency is improved. The analytical solution of the uniform half-space model is compared with the FDTD solution, and the error analysis is carried out. It is found that the length of the electrification time does not affect the accuracy of the early solution, but the longer the electrification time is, the longer the exact solution is obtained. By comparing the digital filtering solutions of common layered models with the results of FDTD forward modeling, it is found that the algorithm only has some errors in the early period and the late stage is in good agreement. The reliability of the algorithm is further tested. By comparing the transient electromagnetic responses of rectangular and square loop sources with the same equivalent area, a rectangular small loop device suitable for transient electromagnetic detection of dikes is proposed, and a uniform embankment model is constructed. The transient electromagnetic field response of the uniform dam model is simulated by using the FDTD algorithm of non-uniform dissection, and different shapes and types of columnar, plate-shaped and complicated seepage abnormal bodies are arranged in the dam body. The transient electromagnetic field response of the dam body model with seepage is studied by the distribution of the electric field and magnetic field components of the extracted section. The results show that the simulation results are consistent with the set model. It shows that the forward program can simulate the complex model with multiple seepage anomalies, and study the anomalous field of magnetic field in the surface of the seepage anomaly by the method of response difference of the same uniform dam model. This paper provides the foundation for the further research of transient electromagnetic 3D inversion. (4) the leakage detection field test is carried out in several reservoirs, dams and cofferdams using the method of transient electromagnetic detection with small loop source. The results of the detection find the right direction for the treatment of potential leakage problems. The results show that the detection method of transient electromagnetic leakage with rectangular small loop source is feasible for hydraulic engineering leakage detection.
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TV698.1;P631.325

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本文編號：1687075