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(duì)于優(yōu)化水資源時(shí)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(duì)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(duì)相關(guān)隱患部位進(jìn)行分析，了解工程實(shí)際運(yùn)行狀況，僅靠單一的物探方法很難實(shí)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(diǎn)，因此在實(shí)際工程運(yùn)用中，針對(duì)不同的探測(cè)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(duì)輸水工程線路長(zhǎng)、范圍廣、隱患探測(cè)效率低的問題，筆者引入紅外圖像對(duì)工程隱患進(jìn)行探測(cè)，并進(jìn)一步使用便攜式雷達(dá)、超聲波和高密度電法等多物探方法對(duì)工程隱患的具體信息和隱患的誘因進(jìn)行了分析。

1 基于紅外圖像的多物探隱患探測(cè)方法

當(dāng)水利工程存在滲漏隱患時(shí)，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(duì)紅外圖像［1－3］中異常溫度區(qū)域進(jìn)行分析，確定隱患區(qū)域，實(shí)現(xiàn)隱患“面”的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步使用多物探方法對(duì)隱患區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。單一方法缺陷檢測(cè)針對(duì)性較強(qiáng)，但實(shí)際工程中，現(xiàn)場(chǎng)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(duì)工程進(jìn)行探測(cè)［4－9］，并將多種方法探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比校正，以獲得更為精準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)“面”的確定；利用便攜式地質(zhì)雷達(dá)快速探測(cè)淺層隱患的特點(diǎn)［10］，實(shí)現(xiàn)隱患“線”的發(fā)現(xiàn)；利用超聲深層監(jiān)測(cè)效果好的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)隱患“點(diǎn)”的確定；利用高密度電法對(duì)探測(cè)區(qū)域的電性差異敏感的特點(diǎn)［11］，實(shí)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(shí)現(xiàn)“面－線－點(diǎn)－因”的隱患探測(cè)（見圖1）。

圖1 隱患探測(cè)方法

2 工程實(shí)例

某渠道長(zhǎng)24.07 km，渠道斷面為梯形，表面襯砌板厚度為10 cm，設(shè)計(jì)底寬16.5～23.0 m，堤頂寬4 m，設(shè)計(jì)流量165 m3／s，加大流量190 m3／s，設(shè)計(jì)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(xiǎn)情，為全面了解工程概況，實(shí)時(shí)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(duì)該渠段進(jìn)行探測(cè)。

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(duì)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(hào)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(dāng)工程處于健康狀態(tài)時(shí)，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(duì)工程表面的溫度進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在明顯異常溫度的部位，并進(jìn)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(duì)整個(gè)目標(biāo)渠道進(jìn)行巡檢，通過分析存在異常溫度區(qū)域的紅外圖像，確認(rèn)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(rèn)為該紅外圖像對(duì)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(cè)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(jìn)一步分析確定。

2.2 多物探方法探測(cè)

為進(jìn)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(duì)溫度異常區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。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(jìn)行探測(cè)，其探測(cè)線路設(shè)置如圖3所示，縱向?yàn)楹恿鞣较颍膊荚O(shè)16條探測(cè)線路（其中測(cè)線1～8為正常襯砌板，測(cè)線8～16為存在低溫異常區(qū)的襯砌板）；橫向?yàn)閺囊患?jí)馬道到渠道中間方向，共布設(shè)12條探測(cè)線路。

圖3 便攜式雷達(dá)探測(cè)線路

便攜式雷達(dá)設(shè)備采用日本JRC的NJJ－95B便攜式工程雷達(dá)，該儀器探測(cè)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?yàn)?.5 cm以上。該儀器能夠進(jìn)行手動(dòng)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(cè)原理是根據(jù)發(fā)射電磁波的反射波強(qiáng)度變化判斷土層不密實(shí)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(dá)探測(cè)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(cè)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(dá)探測(cè)結(jié)果對(duì)比

混凝土超聲斷層檢測(cè)掃描儀型號(hào)為A1040 MIRA，該儀器探測(cè)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(cè)點(diǎn)位為圖3中橫向和縱向測(cè)線交叉位置，超聲探測(cè)結(jié)果如圖5所示，分別從C、D兩個(gè)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(rèn)為溫度異常的襯砌板脫空厚度約為30 cm。

圖5 超聲探測(cè)結(jié)果

高密度電法探測(cè)采用瑞典ABEM Terrameter LS高密度電法儀，所使用電纜的標(biāo)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(cè)量線路布置如圖6所示，共布置了3條測(cè)線。1＃測(cè)線緊挨一級(jí)馬道排水溝布置，線路經(jīng)過強(qiáng)排泵站，橫跨泵站的高密度電法測(cè)點(diǎn)編號(hào)為16、17，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離為3.5 m，線路經(jīng)過的強(qiáng)排泵站位置樁號(hào)為1040＋34.8—1040＋38.29。2＃測(cè)量線路在泵房正后方。1＃、2＃測(cè)量線路的間距為4.1 m，2＃、3＃測(cè)量線路的間距為3.0 m，每條測(cè)量線路長(zhǎng)度為40 m。已知兩塊襯砌板的樁號(hào)分別為1040＋19.29—1040＋22.79、1040＋22.79—1040＋26.79，高密度電法線路的測(cè)量樁號(hào)為1040＋007.29—1040＋047.29。

圖6 高密度電法探測(cè)線路布置

高密度電法的探測(cè)結(jié)果如圖7所示，圖7中B處為1＃測(cè)量線路經(jīng)過的強(qiáng)排泵站位置，A處為兩塊相鄰襯砌板對(duì)應(yīng)的護(hù)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(cè)結(jié)果（單位：Ω·m）

推測(cè)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(shí)兩處填充物應(yīng)該是一致的，因此該電法探測(cè)結(jié)果差異可能是土體疏松不密實(shí)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(duì)水利工程隱患探測(cè)，基于“先整體后局部，先粗略后精細(xì)”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(cè)效率低的問題，進(jìn)一步使用多物探方法對(duì)隱患區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，由面到點(diǎn)層層遞進(jìn)，可確認(rèn)隱患位置，并對(duì)隱患成因進(jìn)行分析，對(duì)水利工程隱患探測(cè)具有非常好的實(shí)際意義。