基于紅外圖像的多物探方法在水利工程中的應(yīng)用

李涵曼，李政勰，王青山，崔宏艷

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.河南省水利移民事務(wù)中心，河南 鄭州 450003；3.南水北調(diào)中線信息科技有限公司，北京100089；4.河南省趙口引黃灌區(qū)二期工程建設(shè)管理局，河南 開封 475000）

水利工程對于優(yōu)化水資源時空配置、解決水資源短缺問題具有非常重要的作用，保障水利工程安全對其發(fā)揮功能和取得效益具有十分重要的意義。如何快速發(fā)現(xiàn)工程可能存在問題的部位，并對相關(guān)隱患部位進行分析，了解工程實際運行狀況，僅靠單一的物探方法很難實現(xiàn)。不同的物探方法有其相應(yīng)的使用環(huán)境要求和優(yōu)缺點，因此在實際工程運用中，針對不同的探測需求，將多種物探方法結(jié)合，才能更加全面獲取工程的健康信息。

針對輸水工程線路長、范圍廣、隱患探測效率低的問題，筆者引入紅外圖像對工程隱患進行探測，并進一步使用便攜式雷達、超聲波和高密度電法等多物探方法對工程隱患的具體信息和隱患的誘因進行了分析。

1 基于紅外圖像的多物探隱患探測方法

當水利工程存在滲漏隱患時，流固耦合的存在使得滲漏部位與周圍巖體存在溫度差，因此可以通過對紅外圖像［1－3］中異常溫度區(qū)域進行分析，確定隱患區(qū)域，實現(xiàn)隱患“面”的發(fā)現(xiàn)，進一步使用多物探方法對隱患區(qū)域進行探測。單一方法缺陷檢測針對性較強，但實際工程中，現(xiàn)場情況多樣，安全隱患的成因也多樣，因此可選用2種或3種以上物探方法對工程進行探測［4－9］，并將多種方法探測結(jié)果進行對比校正，以獲得更為精準的隱患信息。

基于紅外圖像的多物探方法即：通過分析紅外圖像，快速發(fā)現(xiàn)可能存在安全隱患的區(qū)域，實現(xiàn)“面”的確定；利用便攜式地質(zhì)雷達快速探測淺層隱患的特點［10］，實現(xiàn)隱患“線”的發(fā)現(xiàn)；利用超聲深層監(jiān)測效果好的特點，實現(xiàn)隱患“點”的確定；利用高密度電法對探測區(qū)域的電性差異敏感的特點［11］，實現(xiàn)隱患成因的分析。因此，將紅外圖像分析與多物探方法相結(jié)合，可實現(xiàn)“面－線－點－因”的隱患探測（見圖1）。

圖1 隱患探測方法

2 工程實例

某渠道長24.07 km，渠道斷面為梯形，表面襯砌板厚度為10 cm，設(shè)計底寬16.5～23.0 m，堤頂寬4 m，設(shè)計流量165 m3／s，加大流量190 m3／s，設(shè)計水深5 m，加大水深5.4 m，渠底比降1／25 000。該渠道主要由挖方段和半挖半填及少量填方段組成，因此高地下水位可能引起渠道襯砌板脫空、塌陷等險情，為全面了解工程概況，實時掌握工程可能存在的安全隱患，采用基于紅外圖像的多物探方法對該渠段進行探測。

2.1 紅外圖像分析

鑒于黑體輻射的存在，任何物體都具有溫度，并對外輻射電磁波，紅外成像技術(shù)利用這一原理，通過光電技術(shù)將物體的熱輻射信號轉(zhuǎn)化為可供人類視覺分辨的圖像，因此紅外圖像展現(xiàn)的是物體表面不同位置的溫度。當工程處于健康狀態(tài)時，其表面溫度應(yīng)該處于穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)，因此可以通過對工程表面的溫度進行探測，發(fā)現(xiàn)存在明顯異常溫度的部位，并進一步分析該部位可能存在的安全隱患。

本文采用日本NEC公司生產(chǎn)的TH9100紅外熱成像儀對整個目標渠道進行巡檢，通過分析存在異常溫度區(qū)域的紅外圖像，確認可能出現(xiàn)滲流隱患的渠段，典型渠段紅外圖像見圖2。

圖2 典型渠段紅外圖像

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，紅外圖像存在2塊明顯的低溫異常區(qū)域，與周圍溫差超過1℃，由于渠道周圍并無高大建筑物或者樹木形成陰涼區(qū)域，因此認為該紅外圖像對應(yīng)區(qū)域存在異常。由于工程由挖方段和半挖半填及少量填方段組成，因此猜測可能存在高地下水位引起的面板脫空問題，具體的隱患位置和類型還需要進一步分析確定。

2.2 多物探方法探測

為進一步確定隱患的具體位置，以及可能的面板脫空情況，使用多物探的方法對溫度異常區(qū)域進行探測。選取存在溫度異常區(qū)域的襯砌面板和其相鄰的正常溫度的襯砌面板進行探測，其探測線路設(shè)置如圖3所示，縱向為河流方向，共布設(shè)16條探測線路（其中測線1～8為正常襯砌板，測線8～16為存在低溫異常區(qū)的襯砌板）；橫向為從一級馬道到渠道中間方向，共布設(shè)12條探測線路。

圖3 便攜式雷達探測線路

便攜式雷達設(shè)備采用日本JRC的NJJ－95B便攜式工程雷達，該儀器探測深度為5～300 mm（鋼管直徑6 mm以上）；深度分辨率在淺層模式約1 mm，在深層模式約2 mm；水平分辨率（間距）在表面方向為7.5 cm以上。該儀器能夠進行手動表面波處理、固定表面波處理、削減處理、峰值處理、原畫面回放處理等。該儀器的探測原理是根據(jù)發(fā)射電磁波的反射波強度變化判斷土層不密實區(qū)域的位置和埋深，從而發(fā)現(xiàn)襯砌板存在脫空的大致位置。隱患區(qū)域便攜式雷達探測結(jié)果見圖4，可以看出，在深度10 cm處（面板厚度區(qū)域），右側(cè)低溫異常區(qū)域的襯砌板存在明顯的脫空異常。通過分析多條線路探測結(jié)果，確定右側(cè)脫空區(qū)域在縱向10～12線路、橫向8～11線路位置。

圖4 便攜式雷達探測結(jié)果對比

混凝土超聲斷層檢測掃描儀型號為A1040 MIRA，該儀器探測深度為50～2 000 mm，最小反射球體尺寸在M400混凝土中400 mm深度下直徑為30 mm，工作溫度范圍為－10～50℃，工作頻率為50 kHz，利用的超聲波種類為橫波。超聲波的探測點位為圖3中橫向和縱向測線交叉位置，超聲探測結(jié)果如圖5所示，分別從C、D兩個不同的切面分析兩塊襯砌板的脫空現(xiàn)象。從C切面圖可以明顯看出溫度異常的襯砌板存在明顯的脫空現(xiàn)象，但是脫空深度未知；從D切面圖可以看出在深度10～40 cm處襯砌板存在明顯的脫空現(xiàn)象，認為溫度異常的襯砌板脫空厚度約為30 cm。

圖5 超聲探測結(jié)果

高密度電法探測采用瑞典ABEM Terrameter LS高密度電法儀，所使用電纜的標記間隔為1 m，儀器工作溫度為0°～60°，流體電阻率傳感器電壓為0.05～1 000.00 mV。高密度電法的測量線路布置如圖6所示，共布置了3條測線。1＃測線緊挨一級馬道排水溝布置，線路經(jīng)過強排泵站，橫跨泵站的高密度電法測點編號為16、17，兩個測點之間的距離為3.5 m，線路經(jīng)過的強排泵站位置樁號為1040＋34.8—1040＋38.29。2＃測量線路在泵房正后方。1＃、2＃測量線路的間距為4.1 m，2＃、3＃測量線路的間距為3.0 m，每條測量線路長度為40 m。已知兩塊襯砌板的樁號分別為1040＋19.29—1040＋22.79、1040＋22.79—1040＋26.79，高密度電法線路的測量樁號為1040＋007.29—1040＋047.29。

圖6 高密度電法探測線路布置

高密度電法的探測結(jié)果如圖7所示，圖7中B處為1＃測量線路經(jīng)過的強排泵站位置，A處為兩塊相鄰襯砌板對應(yīng)的護坡部位，可以明顯看出兩處電阻率呈現(xiàn)顯著差異，因此A處脫空區(qū)域很有可能是B處高地下水位引起的，在地下B處和A處存在滲漏通道，導(dǎo)致A處襯砌板脫空。

圖7 高密度電法探測結(jié)果（單位：Ω·m）

推測A、B兩處的電法區(qū)別是由其本身填充物的電阻率差異造成的，但埋設(shè)時兩處填充物應(yīng)該是一致的，因此該電法探測結(jié)果差異可能是土體疏松不密實造成的，在這種情況下，土體之間孔隙大，土體滲透系數(shù)比較大，如果有雨水存在，水體則更容易從該處經(jīng)過，該處也更容易形成滲漏通道。B處存在襯砌板脫空現(xiàn)象除與高地下水位相關(guān)外，也可能與雨水等外部水源有關(guān)。

3 結(jié) 論

針對水利工程隱患探測，基于“先整體后局部，先粗略后精細”的物探原則，通過紅外圖像分析快速發(fā)現(xiàn)工程可能存在的安全隱患，可有效解決水利工程探測效率低的問題，進一步使用多物探方法對隱患區(qū)域進行探測，由面到點層層遞進，可確認隱患位置，并對隱患成因進行分析，對水利工程隱患探測具有非常好的實際意義。