基于紅外熱成像法的隧道滲漏水檢測技術(shù)

毛 南 平

(國網(wǎng)寧波供電公司，浙江 寧波 315000)

?

基于紅外熱成像法的隧道滲漏水檢測技術(shù)

毛 南 平

(國網(wǎng)寧波供電公司，浙江 寧波 315000)

基于紅外熱成像法的基本原理，提出了基于紅外熱成像法的隧道滲漏水檢測方法，并通過試驗，檢測了該方法在隧道檢測中的可行性與檢測精度，指出該方法可以得出滲漏水處的面積,為解決隧道修復(fù)不當(dāng)?shù)膯栴}提供了依據(jù)。

紅外熱像，電纜隧道，滲漏水檢測，滲漏水面積

0 引言

隨著國家的迅速發(fā)展，電力需求不斷增加，電力電纜數(shù)量也隨之增加。由于不占用地上空間，對周圍環(huán)境影響小以及不易受氣候變化影響等特點(diǎn)，電纜隧道也逐漸發(fā)展起來,隨之而來的電纜隧道病害也慢慢顯現(xiàn)出來，其中滲漏水對于電力設(shè)施來說是一個嚴(yán)重的問題。隧道水害對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、洞內(nèi)電力設(shè)施、運(yùn)營檢修安全等產(chǎn)生諸多不良影響，甚至可能會危及隧道功能的實(shí)現(xiàn)[1]?！兜叵鹿こ谭浪夹g(shù)規(guī)范》中規(guī)定電纜隧道防水等級不得小于二級，即不允許漏水，結(jié)構(gòu)表面可有少量濕漬，但總濕漬面積不應(yīng)大于總防水面積的6/1 000，任意100 m2防水面積上的濕漬不超過4處，單個濕漬的面積不大于0.15 m2。目前國內(nèi)外用于隧道滲漏水的研究主要體現(xiàn)在滲漏形式及處理方式以及滲漏水檢測的研究上。

蒲春平等[2]研究了國內(nèi)隧道及地下工程滲漏狀況及防水的形式和做法;于利，羅國權(quán)，葛群，呂英干等[3-6]以實(shí)際的特定的隧道為例研究了隧道滲漏水原因及防水治理方法;郭英波，馬春波等[7,8]研究了火電工程中電纜隧道結(jié)構(gòu)裂縫變形的原因，并提出了可行性控制方法；李固華,羅勇等[9,10]研究了隧道襯砌裂縫的成因，并提出了綜合預(yù)防病害的措施。

隧道滲漏水檢測技術(shù)主要有傳統(tǒng)的方法及地質(zhì)雷達(dá)法等，其中傳統(tǒng)的檢測方法為人工檢測，檢測效率低，精度低且勞動量大，而地質(zhì)雷達(dá)檢測法不適用于遠(yuǎn)距離的滲漏檢測且工作量大[11]。紅外成像法憑借其響應(yīng)速度快、測量范圍寬、非接觸測量及測量結(jié)果直觀形象的特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。

A.Haack 和 J.Schreyer等[12]總結(jié)了無損檢測的各種方法及相應(yīng)的實(shí)驗，指出了紅外熱成像技術(shù)檢測隧道滲漏水的可行性。Terumi Inagaki和Yoshizo Okamoto[13]通過實(shí)驗研究了不同條件下孔滲漏的紅外輻射規(guī)律。豆海濤等[14,15]通過實(shí)驗研究了不同滲漏狀態(tài)對應(yīng)的紅外熱圖像規(guī)律及其影響因素，他們都只給出了部分紅外熱像規(guī)律,而沒有給出一種可以實(shí)際應(yīng)用的判斷依據(jù)。

綜上所述，目前對于電纜隧道滲漏水的研究主要集中在如何檢測以及如何修復(fù)上，而對于判斷隧道滲漏水處是否需要修復(fù)這一問題至今還沒有人進(jìn)行相應(yīng)的研究。修復(fù)不及時以及過度修復(fù)都會對電纜隧道帶來危害，影響其使用壽命，所以，合理的判斷隧道滲漏水處是否需要修復(fù)是必須的。針對缺乏紅外技術(shù)實(shí)際用于隧道滲漏水檢測的依據(jù)，本研究組提出了一種紅外熱像隧道滲漏水檢測技術(shù)，該技術(shù)可以對測得的滲漏水處的紅外熱像圖進(jìn)行處理得出滲漏水面積，同時通過將滲漏水面積與電纜隧道防水要求做對比,進(jìn)而判斷出該隧道是否需要修復(fù)。

1 紅外檢測原理

1.1 紅外檢測技術(shù)基本原理

任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射電磁波的本領(lǐng)，當(dāng)物體處于絕對零度以上時，因為其內(nèi)部帶電粒子的運(yùn)動，以不同波長的電磁波形式向外輻射能量，波長涉及紫外、可見、紅外光區(qū)，但主要處于(0.8～15)μm 的紅外區(qū)內(nèi)，物體自身的輻射是各個方向的，其紅外輻射能量大小按其波長的分布與其表面溫度有著十分密切的關(guān)系，因此通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確的得到物體表面的溫度。

黑體的輻射能量與其溫度的關(guān)系由史蒂芬—波茲曼定律給出。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

W=ε×δ×T4

(1)

其中，δ為普朗克常數(shù)；ε為輻射率；T為絕對溫度。

紅外滲漏水檢測時是測量通過物體表面的溫度差，由于水的溫度比隧道襯砌表面溫度低，當(dāng)隧道滲水時，有水的位置溫度要比其他部位低一些，利用這些存在溫度差的圖像，可直觀的看出隧道表面的滲漏水情況。

1.2 紅外成像儀工作原理

紅外熱成像技術(shù)是一門獲取和分析來自非接觸熱成像裝置的熱信息的科學(xué)技術(shù)，正如照相技術(shù)記錄的是物體反射的可見光的信息，熱成像技術(shù)記錄的則是物體輻射的能量信息。紅外熱像儀將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見的圖像，其成像原理如圖1所示。物體的紅外輻射經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦到焦平面探測器上，探測器產(chǎn)生電信號，經(jīng)過放大及數(shù)字化到熱像儀的電路處理部分，從而生成紅外圖像。

2 紅外圖像處理

紅外圖像處理是整個測試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其具體流程如圖2所示。

為了減少圖像處理過程中的數(shù)據(jù)量以及簡化處理算法，首先將紅外熱像圖轉(zhuǎn)為灰度圖。

數(shù)字圖像用于后期應(yīng)用，其噪聲是最大的問題，因此需要對圖像進(jìn)行降噪處理。本文采用高斯濾波法對圖像進(jìn)行處理。高斯濾波是一種線性平滑濾波，是對整幅圖像進(jìn)行加權(quán)平均的過程。

圖像二值化是圖像處理中的一項基本技術(shù)，圖像二值化時閥值的選擇是非常關(guān)鍵的，本文采用最大類間方差法進(jìn)行閥值的計算。

對圖像進(jìn)行邊緣化處理，將低溫區(qū)提取出來，然后進(jìn)一步計算出滲水區(qū)面積。對于滲水區(qū)面積的求法，首先提取出紅外圖像中低溫區(qū)所占像素數(shù)，然后計算出低溫區(qū)所占像素數(shù)與整張圖片的像素數(shù)的比值，該比值即為滲水區(qū)域面積占所測量面積的比例，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際測量面積求出滲水區(qū)域的面積值。根據(jù)紅外熱像儀檢測范圍分析圖(見圖3)，得出紅外熱像儀所測實(shí)際面積可表示為：

A1=W1·H1

(2)

其中：

(3)

(4)

其中，α為熱像儀寬度方向視場角；β為熱像儀高度方向視場角；d為鏡頭到被測物體的距離；W1為測量范圍寬度方向的尺寸；H1為測量范圍高度方向的尺寸。

3 實(shí)驗

實(shí)驗設(shè)備采用MAG32紅外熱像儀，其主要參數(shù)如表1所示，實(shí)驗設(shè)備如圖4所示。

表1 MAG32紅外熱像儀參數(shù)表

本實(shí)驗采用了定制的水泥塊模擬隧道不同大小的點(diǎn)狀缺陷，實(shí)驗過程中通過可控流速與流量的供水裝置對水泥塊持續(xù)供水，紅外熱像儀安裝在高度與轉(zhuǎn)向可調(diào)的三角支架上。測量時鏡頭到被測物體的距離d=400 mm。

任選一水泥塊實(shí)驗時測得的紅外熱像圖(如圖5a)所示)進(jìn)行處理提取其低溫區(qū)域面積如圖5b)所示。由軟件分析得出其低溫區(qū)即滲水面積為1 520.8 mm2，與實(shí)測結(jié)果相符。

為了檢測該滲漏水檢測技術(shù)在實(shí)際隧道檢測中的可行性及檢測精度，本文對使用實(shí)驗中所用裝備對隧道內(nèi)部滲漏水處拍攝的紅外熱像圖(如圖6a)所示)進(jìn)行了處理，提取出的滲水部分如圖6b)所示，其面積大小為4 499.03 mm2，與實(shí)測滲水面積相符。

4 結(jié)語

實(shí)驗證明本文中描述的基于紅外熱成像法的隧道滲漏水檢測技術(shù)可以檢測出很小面積的滲水情況并準(zhǔn)確的計算出其滲水面積。統(tǒng)計各處滲漏水面積大小及具體位置，并將其與電纜隧道滲漏水等級要求進(jìn)行對比，從而可以判斷出隧道是否需要修補(bǔ)以及需要修補(bǔ)的具體位置。此外，紅外成像法響應(yīng)速度快、測量范圍寬、非接觸測量及測量結(jié)果直觀形象，本文中基于紅外熱成像法的隧道滲漏水檢測技術(shù)原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)合隧道滲漏水要求等級的判斷思想將推進(jìn)其在隧道滲漏水檢測中的應(yīng)用。

[1] 陳孝湘,李廣福,吳勤斌.電力電纜隧道結(jié)構(gòu)常見病害分類及防治[J].電力勘測設(shè)計，2015(1):10-14.

[2] 蒲春平,孫耀南.隧道與地下工程滲漏水現(xiàn)狀及其防治措施綜述[J].世界隧道，1999(2):45-49.

[3] 于 利,周云麟.地下管廊及電纜隧道滲漏分析及處理[J].低溫建筑技術(shù)，2003(1):87.

[4] 羅國權(quán).工廠電纜隧道滲漏分析及防水治理[A].第十屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會[C].2010.

[5] 葛 群,王 勁,吳志杰,等.老隧道裂縫、滲漏水原因分析及處理方案[J].西部探礦工程，2009(9):37.

[6] 呂英干.淺談電纜隧道滲漏水的處理[J].浙江電力，2004(6):53-55.

[7] 郭英波,靳 波.火電工程中電纜隧道裂縫原因分析及控制[J].河北電力技術(shù)，2004(2):36.

[8] 馬春波,王國權(quán).淺析電纜隧道裂縫分析及控制[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011(2):72.

[9] 李固華,郭建國.隧道襯砌裂縫和滲漏的成因、預(yù)防及治理[J].鐵道建筑,2003(8):23.

[10] 羅 勇.隧道襯砌開裂機(jī)理及控制方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011.

[11] 陸曉華.隧道滲漏及表觀損傷檢測方法對比分析[J].科技信息,2013(7):381.

[12] A.Haack,J.Schreyer,G.Jackel.State-of-the-art of Non-destructive Testing Methods for Determining the State of a Tunnel Lining[J].Tunnelling and Underground Space Technology,1995,4(10):413-431.

[13] Inagaki T,Okamoto Y.Diagnosis of the leakage point on a structure surface using infrared thermography in near ambient conditions[J].Ndt & amp;E International,1997(2):99.

[14] 豆海濤,黃宏偉,薛亞東.隧道襯砌滲漏水紅外輻射特征影響因素試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011(8):2426.

[15] 豆海濤,黃宏偉,薛亞東.隧道滲漏水紅外輻射特征模型試驗及圖像處理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011(6):3386.

A detection technology of tunnel leakage based on infrared thermal imaging method

Mao Nanping

(StateGridNingboPowerSupplyCompany,Ningbo315000,China)

The basic principles of infrared thermal imaging are introduced, and a detection technology of tunnel leakage based on infrared thermal imaging method is presented. By the test, the paper tests the feasibility and test accuracy of the method in the tunnel test. The leakage area can be obtained by this method, and the further evidence for tunnel repair is provided.

infrared thermography, cable tunnel, water leakage detection, leakage area

1009-6825(2016)31-0181-03

2016-08-25

毛南平(1966- )，男，高級工程師

U456

A