南水北調(diào)工程運行安全檢測技術(shù)研究

李志竑，孫慶宇，關(guān) 煒

（水利部南水北調(diào)規(guī)劃設(shè)計管理局，100038，北京）

南水北調(diào)工程是當(dāng)今世界上最宏偉的跨流域調(diào)水工程，是解決中國北方地區(qū)水資源短缺、優(yōu)化水資源配置、改善生態(tài)環(huán)境的重大戰(zhàn)略舉措，對安全運行要求極高。中線一期工程總干渠沿線地質(zhì)地形條件復(fù)雜，渠道、渡槽、隧洞、管涵（PCCP）、倒虹吸等大型輸水建筑物眾多；東線一期工程穿越河網(wǎng)眾多，由泵站、調(diào)蓄水庫等構(gòu)成了龐大而復(fù)雜的輸水系統(tǒng)。工程全面通水運行以來，其運行安全一直是管理者和社會關(guān)注的重點。探明常規(guī)和極端條件下工程安全穩(wěn)定運行影響因素，理清影響工程健康的問題分類，研發(fā)能夠診斷、識別、評估工程健康性狀的技術(shù)和裝備尤為重要。

在調(diào)水工程的長期運行性態(tài)研究方面，以有限元為代表的宏觀數(shù)值模擬方法已得到廣泛應(yīng)用，關(guān)于材料、結(jié)構(gòu)的長期時變特性和性能演化的研究也取得了豐碩成果，但是，受材料本構(gòu)模型、大變形和非連續(xù)分析能力、三維復(fù)雜離散模型構(gòu)建及求解等問題的限制，宏觀和細觀模擬在揭示建筑物損傷演化上都面臨較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在檢測標(biāo)準(zhǔn)體系方面，我國已建立了較為系統(tǒng)的水利水電工程安全監(jiān)測設(shè)計規(guī)范，針對單一建筑物質(zhì)量檢測的方法和標(biāo)準(zhǔn)也基本完備，但是，南水北調(diào)工程運行過程中面臨各種風(fēng)險考驗，仍缺乏系統(tǒng)的問題分級分類和監(jiān)測、檢測融合的評價體系。在檢測裝備研發(fā)方面，我國與國際先進水平相比仍有較大差距。美國Pure Technology公司研發(fā)的無損檢測、安全監(jiān)測裝備在世界上居于領(lǐng)先地位，但其僅提供相關(guān)技術(shù)服務(wù)。已有的線性渠道水上檢測技術(shù)往往存在檢測效率與檢測深度相互矛盾的缺點，深度超50 m的渠堤物性參數(shù)快速檢測技術(shù)及裝備相對匱乏，渠道水下檢測大多僅限于表觀，尤其是南水北調(diào)中線渠道工程特有的防滲體系檢測研究較少。

一、研究內(nèi)容

從多因素耦聯(lián)下南水北調(diào)工程長期性能演變與病害產(chǎn)生機理、南水北調(diào)工程多場多維損傷信息感知、融合理論與方法等關(guān)鍵問題研究入手，重點解決南水北調(diào)工程運行安全隱患檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、PCCP管斷絲綜合檢測、涵隧水下快速檢測、渠道工程無人機紅外高光譜和雙目成像表觀巡檢、內(nèi)部缺陷高效高分辨率智能檢測、多源檢測數(shù)據(jù)的智能分析與綜合評價、信息細節(jié)層次模型和流方法輕量化顯示等技術(shù)問題，研究南水北調(diào)工程主要隱患檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提出工程安全狀態(tài)評估方案，研發(fā)線性渠道工程及大型輸水建筑物運行安全檢測裝備，構(gòu)建多源監(jiān)測檢測大數(shù)據(jù)分析與智能預(yù)警系統(tǒng)，并進行應(yīng)用示范。

二、研究方法

針對項目擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，以機理研究-標(biāo)準(zhǔn)和評估方案研究-專用裝備研發(fā)-大數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)集成-工程應(yīng)用為主線的技術(shù)路線進行研究，基于水工、巖土、地球物理、電子信息、光纖傳感、軟件工程等多學(xué)科理論，運用資料收集、數(shù)值模擬、理論分析、軟硬件開發(fā)、物理模型試驗和原型觀測等多種研究方法，結(jié)合空潛地多維檢測手段，融合聲光電等多場檢測信息，實現(xiàn)工程的智能化診斷和預(yù)警。

三、研究成果

1.性能演變與病害產(chǎn)生機理

采用裂縫帶理論成功將微平面M7模型與裂縫帶理論耦合在一起，建立了宏細觀耦合方法，并以此建立耦合模型開展數(shù)值分析，結(jié)合銹蝕與凍融聯(lián)合作用下預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)劣化的細觀特征及試驗研究，探索多因素耦聯(lián)作用下大型建筑物性能演變與病害成因及極端因素作用下大型建筑物的損傷演變與長期安全性態(tài)。該方法成功應(yīng)用于南水北調(diào)中線一期工程洺河渡槽缺陷演變分析，計算結(jié)果符合一般規(guī)律。

結(jié)合南水北調(diào)工程實際，對典型渠段的沉降量、長時間高強度降雨進行了數(shù)值仿真模擬分析，揭示了沉降隨時間變化及渠道邊坡位移變化規(guī)律。以南水北調(diào)中線一期工程十二里河渡槽為典型，開展了渠堤和建筑物接合部位正常運行工作性態(tài)及極端條件性能演變分析，揭示了齒墻底部結(jié)構(gòu)較為薄弱的特性，應(yīng)加強對該處混凝土的檢測與加固。

2.檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

南水北調(diào)工程存在著PCCP管、泵站、暗涵、閘門等眾多的大型建筑物，針對這些建筑物運行時面臨的PCCP斷絲、裂縫、金屬損傷等問題，檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相應(yīng)的檢測方法與技術(shù)，詳細描述了方法與技術(shù)的適用性、適用條件、儀器與設(shè)備要求、外業(yè)準(zhǔn)備要求、現(xiàn)場工作要求、資料處理解釋要求及成果圖件要求。南水北調(diào)工程存在著長距離的線性工程，沿途有高填方、深挖方和膨脹土等渠段，線性工程在運行時面臨著滲漏、變形、裂縫等問題，檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了針對這些問題相應(yīng)的檢測方法與技術(shù)，詳細描述了方法與技術(shù)的適用性、適用條件、儀器與設(shè)備要求、外業(yè)準(zhǔn)備要求、現(xiàn)場工作要求、資料處理解釋要求及成果圖件要求。以檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，針對大型建筑物和線性工程，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，提出了診斷方法與評估方案。

3.檢測裝備

針對南水北調(diào)工程大型建筑物，研發(fā)了PCCP管放空檢測裝備、PCCP管水下綜合診斷成套裝備、輸水涵隧水下綜合檢測裝備、渡槽結(jié)構(gòu)車載綜合檢測裝備。針對南水北調(diào)渠道工程（線性工程），研發(fā)了無人機載一體化智能巡檢裝備、拖曳式高精度智能電磁感應(yīng)裝備、水下防滲襯砌智能檢測綜合裝備。7套裝備從點到面、從局部到整體，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)的提升，空-地-水三位一體，實現(xiàn)對南水北調(diào)工程性態(tài)全覆蓋的快速智能感知。

（1）PCCP管放空檢測裝備

在放空條件下，PCCP管放空檢測裝備對埋地PCCP管斷絲分布區(qū)域的軸向位置進行檢測定位，并識別斷絲根數(shù)，從而為管道除險加固提供依據(jù)。管身斷絲區(qū)域定位精度為10～20 cm；管身斷絲區(qū)域根數(shù)識別精度為10%以內(nèi)；管身斷絲最小分辨精度為5～10根。

本裝備采用具有原創(chuàng)性的R-wave線圈布置方式，運用數(shù)值仿真計算方法替代經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，作為比對依據(jù)，對斷絲區(qū)域進行檢測、定位和識別。與同類裝備相比，本裝備對管道軸向大范圍斷絲根數(shù)的識別精度較高，并可以區(qū)分雙層纏絲管道內(nèi)外層斷絲，從而為輸水管道除險加固提供更為精準(zhǔn)的依據(jù)。

（2）PCCP管水下綜合診斷成套裝備

在充水運行狀態(tài)下，PCCP管水下綜合診斷成套裝備對PCCP管進行內(nèi)壓、變形和斷絲監(jiān)測，綜合判斷管道安全狀態(tài)，以便及時預(yù)警，保障管道安全運行。應(yīng)變監(jiān)測空間分辨率為20 cm/10 km；斷絲監(jiān)測空間定位精度為5 m/20 km；內(nèi)水壓力監(jiān)測精度為50 Pa。

本裝備采用光纖傳感技術(shù)手段對管道結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場、管道輸水的壓力場、水聲場進行綜合監(jiān)控。其中的關(guān)鍵是對水聲場進行監(jiān)測以實時了解管道的斷絲情況，采用高頻分布式振動監(jiān)測系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)采集，對海量數(shù)據(jù)進行過濾分析，從中提取斷絲信號。

（3）輸水涵隧水下綜合檢測裝備

本裝備采用水下機器人為平臺，集成清洗、表觀缺陷、滲漏等檢測功能于一體，并可定點對襯砌脫空進行檢測，從而實現(xiàn)有水情況下對輸水建筑物內(nèi)部進行全面檢測。應(yīng)用水速：0～2 m/s；內(nèi)水壓力：0～1 MPa。

水下機器人采用升壓系留電源提供不間斷的電能供應(yīng)，可實現(xiàn)無限續(xù)航，滿足大水域的長時間探測需求。安裝有12個大功率電機提供強勁的運行動力，能夠適應(yīng)倒虹吸等高流速動態(tài)水域的巡檢環(huán)境。具有水下構(gòu)筑物表面附著物清洗功能，在探測過程中去除苔蘚、淤泥等的視覺干擾，提高表觀檢測的準(zhǔn)確度。采用光纖通信將水下探測裝置采集的水下構(gòu)筑物雙目圖像傳輸至地面工作站進行信息處理，具有表觀成像清晰化、缺陷檢測、尺寸測量等功能，同時研發(fā)了水下混凝土構(gòu)筑物內(nèi)部無損超聲探傷檢測單元。

（4）渡槽結(jié)構(gòu)車載綜合檢測裝備

渡槽結(jié)構(gòu)車載放空綜合檢測裝備在渡槽放空狀態(tài)下對渡槽內(nèi)壁的裂縫、變形和內(nèi)部損傷進行檢測，替代常規(guī)人工檢測。最大檢測速度為5 km/h；裂縫檢測精度為0.2～0.5 mm；變形檢測精度為0.1 mm。

本裝備采用了遙控機器人搭載傳感系統(tǒng)進行自動化檢測，提高了檢測效率。利用機器視覺采集裂縫圖像，運用輕量化全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提取裂縫特征，實現(xiàn)對裂縫高精度矢量化識別。利用斷面激光掃描與非線性優(yōu)化擬合處理數(shù)據(jù)的方法分析渡槽的變形模式，為分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和安全裕度提供依據(jù)。通過在行進過程中對彈性波的自動激發(fā)、采集和成像，實現(xiàn)渡槽混凝土結(jié)構(gòu)的均勻性、密實性和強度缺陷的快速檢測。

（5）無人機載一體化智能巡檢裝備

無人機載一體化智能巡檢裝備采用大疆M600 Pro無人機掛載五目智能傳感器對輸水干渠或堤壩等水利基礎(chǔ)設(shè)施進行巡檢，在滿足檢測精度的條件下，無人機以10 m飛行高度、20～30 km/h的飛行速度、大于20 min的巡航時間，對南水北調(diào)工程中輸水干渠破損、滲漏等病害進行快速巡檢。五目智能傳感器包括雙目相機、可見光相機、紅外相機與激光測距儀，其中可見光相機用于直接采集并識別裂縫等表面破損，識別尺寸高達200萬像素；雙目相機用于裂縫、脫落等病害的尺寸參數(shù)測量；紅外相機采集滲漏等病害；激光測距儀用于距離測量。

本裝備提出了基于改進Frangri濾波的裂縫輪廓快速識別方法，基于絕對偏差的中值濾波（MAD）和形態(tài)學(xué)濾波相結(jié)合的紅外圖像濾波方法，以及基于形態(tài)學(xué)重建和自動閾值化分割的渠堤紅外滲漏快速提取方法，解決了人工檢測識別方法速度慢、效率低和傳統(tǒng)機器視覺方法因圖像邊緣模糊而造成的過分割或欠分割問題。

（6）拖曳式高精度智能電磁感應(yīng)裝備

拖曳式高精度智能電磁感應(yīng)裝備利用工程測量車為載體，以5～15 km/h的檢測速度在行進過程中實時采集數(shù)據(jù)和處理成圖，并通過人工智能識別技術(shù)，第一時間對渠堤50 m深度以內(nèi)的滲漏、填筑不密實等隱患進行快速識別，圈定異常區(qū)域。

本裝備解決了凈二次場提取、大電流關(guān)斷等關(guān)鍵技術(shù)問題，具有檢測速度快（10 km/h）、深度大（超過50 m）、橫向分辨率高（0.2 m）、抗干擾能力強及穩(wěn)定性突出等特點。

（7）水下防滲襯砌智能檢測裝備

水下防滲襯砌智能檢測裝備主要解決襯砌及其基礎(chǔ)破壞檢測問題，利用無人船搭載低頻聲納來穿透水底，從而獲取混凝土內(nèi)部和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)成像信息。靜水最大檢測水深50 m，最大速度可達4 m/s，水底最大穿透深度大于5 m。本裝備實現(xiàn)了設(shè)備的輕量化、4 kHz檢測、無人船搭載和水下檢測等功能。

4.預(yù)警系統(tǒng)

監(jiān)測檢測智能預(yù)警系統(tǒng)是含多源監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)管理、多源分析與評價、風(fēng)險因子動態(tài)識別、智能預(yù)警和BIM+3DGIS可視化展示等功能于一體的集成系統(tǒng)。

通過分析南水北調(diào)工程現(xiàn)有的監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)類型和格式，集成多源監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)的智能分析與綜合評價、大數(shù)據(jù)深度挖掘分析算法、信息細節(jié)層次模型的輕量化顯示等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出一套基于B/S架構(gòu)的適用于南水北調(diào)工程的數(shù)據(jù)分析與智能預(yù)警處置集成系統(tǒng)，并接入工程監(jiān)測系統(tǒng)，與7套檢測裝備一起在河南省新鄉(xiāng)市南水北調(diào)工程100 km渠段及典型建筑物進行了示范，示范結(jié)果證明了裝備及系統(tǒng)的實用性。

四、結(jié)論與展望

1.結(jié)論

本研究探索了南水北調(diào)工程大型建筑物及渠道性能演變與病害成因，提出了運行安全檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。針對大型建筑物，研發(fā)了PCCP管放空檢測裝備和水下綜合診斷成套裝備、輸水涵隧水下綜合檢測裝備、渡槽結(jié)構(gòu)車載綜合檢測裝備。針對渠道工程（線性工程），研發(fā)了無人機載一體化智能巡檢裝備、拖曳式高精度智能電磁感應(yīng)裝備、水下防滲襯砌智能檢測裝備。7套裝備從點到面、從局部到整體，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)的提升，空-地-水三位一體，實現(xiàn)對南水北調(diào)工程性態(tài)全覆蓋的快速智能感知，并開發(fā)完成基于監(jiān)測檢測大數(shù)據(jù)分析的智能預(yù)警系統(tǒng)，綜合檢測效率提升50%以上。

2.展望

工程監(jiān)測與檢測的快速化與智能化是智慧南水北調(diào)工程泛感知系統(tǒng)提升的基礎(chǔ)。目前，監(jiān)測與檢測裝備的效率、精度、智能化及對工程實體的覆蓋面仍有較大提升空間，需要進一步開展相關(guān)研究。