高壩樞紐泄洪消能建筑物智能巡檢與安全評(píng)價(jià)理論方法和技術(shù)研究展望

陳永燦，王皓冉，李永龍，劉知貴，涂揚(yáng)舉，李 理，陳 剛，馬芳平，謝 輝

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，四川 成都 610213；3.西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621010；4.國(guó)能大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

高壩樞紐是支撐水能高效開(kāi)發(fā)和水資源綜合利用的重要戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施，持續(xù)并穩(wěn)定地為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供能源供給、防洪保障，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。截至2018年底，中國(guó)水電裝機(jī)容量達(dá)到了3.52億kW，水電在國(guó)家能源體系中占據(jù)了重要位置。已建或在建的80余座200 m級(jí)以上高壩主要分布在水能資源集中的西南地區(qū)。以長(zhǎng)江流域?yàn)槔芍Я鹘ㄓ?萬(wàn)多座庫(kù)壩，大型庫(kù)壩近300座[1]，并擁有白鶴灘、溪洛渡、錦屏一級(jí)、大崗山等一批大型、特大型高壩樞紐。大機(jī)組發(fā)電、大流量泄洪、高速水流消能成為常態(tài)，對(duì)樞紐運(yùn)行期泄洪消能建筑物的安全性、穩(wěn)定性、耐久性要求十分高，泄洪消能問(wèn)題十分突出。深入研究高壩樞紐安全泄洪與高效消能是保障水電工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵，具有十分重要的意義。

泄洪消能建筑物破壞成為高壩樞紐工程中常見(jiàn)的威脅大壩安全的關(guān)鍵問(wèn)題，2007年至2010年實(shí)施的《全國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固專項(xiàng)規(guī)劃》[2]表明泄洪消能建筑物破壞導(dǎo)致的病險(xiǎn)水庫(kù)案例占比高達(dá)74.6%。挑流消能在國(guó)內(nèi)外高壩樞紐泄洪消能工程中應(yīng)用廣泛，在大型水利樞紐的運(yùn)行中，泄洪孔口與水墊塘是易受損又尤為重要的泄洪消能建筑物，承載著下泄水流、改善流態(tài)、消散能量的作用。泄洪孔口與水墊塘常常伴隨有不穩(wěn)定的動(dòng)水壓力與脈動(dòng)壓力，容易造成局部甚至大范圍的過(guò)流面混凝土損傷破壞，嚴(yán)重威脅水利樞紐運(yùn)行安全。國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程中，曾發(fā)生多起泄洪孔口及水墊塘過(guò)流面結(jié)構(gòu)損傷案例，例如：中國(guó)的景洪水電站在2018年進(jìn)行全面安全檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)其泄洪孔口出現(xiàn)多處裂縫、磨蝕以及止水破壞等損傷[3]；五強(qiáng)溪、安康水電站等，運(yùn)行期水墊塘、消力池都出現(xiàn)過(guò)不同程度的破壞；孟加拉國(guó)的Karnafuli水電站、贊比亞的Kariba水電站、墨西哥的Malpaso水電站也發(fā)生過(guò)泄洪孔口及水墊塘等結(jié)構(gòu)損傷事故，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)社會(huì)后果[4-5]。

定期對(duì)運(yùn)行期的水電樞紐開(kāi)展泄洪消能結(jié)構(gòu)過(guò)流面損傷巡檢已成為掌握其工作性態(tài)、評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全狀況的重要手段。依照規(guī)范，巡檢的重點(diǎn)為查明混凝土結(jié)構(gòu)裂縫、空蝕、沖刷、破損形成的粗骨料出露、坑槽、露筋等缺陷，并說(shuō)明缺陷位置、規(guī)模、性狀[6-7]。西南河流含沙水體在水墊塘底部形成的附著淤積等復(fù)雜水下檢測(cè)條件，以及高速水流與過(guò)流面損傷的耦合機(jī)制認(rèn)識(shí)不清，嚴(yán)重制約了高壩樞紐泄洪孔口、水墊塘等消能設(shè)施運(yùn)行期的安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)。《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》[8]提出探索新一代信息技術(shù)與水電生產(chǎn)深度融合，隨著裝備技術(shù)、信息技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，依托特種機(jī)器人性能優(yōu)勢(shì)和智能巡檢技術(shù)手段，輔助甚至逐步取代水電站人工巡檢成為趨勢(shì)。過(guò)流面破損機(jī)制研究與智能巡檢方法的突破與融合，可使精準(zhǔn)完備的泄洪消能結(jié)構(gòu)安全分析評(píng)價(jià)得以實(shí)現(xiàn)，從而有效支撐高壩樞紐的安全運(yùn)維和智能管控。

綜上所述，高壩大庫(kù)建設(shè)的新常態(tài)、樞紐大量投產(chǎn)運(yùn)行的新趨勢(shì)形成了獨(dú)特的以拱壩壩身泄洪孔口與水墊塘為代表的泄洪消能安全防控新問(wèn)題，應(yīng)受到極大關(guān)注。本文面向西南峽谷高壩樞紐運(yùn)行期面臨的泄洪消能安全問(wèn)題，揭示高速含沙水流與過(guò)流面損傷的作用機(jī)制，突破強(qiáng)適應(yīng)、高效率的智能化巡檢與損傷識(shí)別的理論方法與技術(shù)難題，通過(guò)闡明損傷特性與分布特征，實(shí)現(xiàn)基于“模擬—檢測(cè)—監(jiān)測(cè)”數(shù)據(jù)融合的泄洪消能建筑物安全評(píng)估。并以大渡河流域大崗山高壩樞紐壩身孔口、水墊塘為工程背景，對(duì)智能巡檢方法和評(píng)價(jià)模型進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。研究成果對(duì)保障梯級(jí)水電站群發(fā)電安全，提高水電運(yùn)維的精細(xì)化管理水平具有重大科學(xué)價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

系統(tǒng)和科學(xué)地開(kāi)展高拱壩泄洪孔口及水墊塘智能巡檢與安全評(píng)價(jià)的研究需要融合水工水力學(xué)、信息與控制等多個(gè)學(xué)科，探明高速水流條件下的損傷演化規(guī)律，研究適用于復(fù)雜環(huán)境的巡檢方法，突破損傷特征識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)安全分析與評(píng)價(jià)體系。

1.1 泄洪消能建筑物損傷規(guī)律

針對(duì)泄洪孔口及水墊塘運(yùn)行期損傷的研究主要是通過(guò)流場(chǎng)水動(dòng)力特性分布規(guī)律分析泄洪孔口破壞，水墊塘過(guò)流壁面裂縫、磨蝕、止水破壞等典型損傷的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)泄洪消能建筑物結(jié)構(gòu)體型及運(yùn)行條件進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化。在水動(dòng)力特性方面，楊敏等[9]基于水彈性模型試驗(yàn)，分析了白鶴灘水電站反拱型水墊塘的水動(dòng)力荷載特性。張建民等[10]通過(guò)水工模型試驗(yàn)，對(duì)水墊塘沖擊區(qū)底板動(dòng)水動(dòng)力進(jìn)行了測(cè)量。許唯臨等[11-12]分別對(duì)拉西瓦、小灣水墊塘進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了水墊塘內(nèi)水動(dòng)力要素的3維分布規(guī)律。陳永燦和許協(xié)慶[13]基于數(shù)值模擬方法，研究了射流對(duì)下游河床沖擊的作用機(jī)制。在泄洪孔口破壞方面，繆鵬程等[14]通過(guò)對(duì)比多個(gè)模型在高速水流脈動(dòng)壓力作用下的隨機(jī)響應(yīng)，分析了高拱壩壩身孔口對(duì)壩體整體動(dòng)力特性的影響及穩(wěn)定作用。岳鵬博等[15]開(kāi)展了泄洪表孔分流齒坎空化特性模型試驗(yàn)，并針對(duì)空蝕問(wèn)題開(kāi)展了分流齒坎結(jié)構(gòu)優(yōu)化。朱今凡等[16]采用3維有限元法對(duì)高孔挑流鼻坎裂縫成因進(jìn)行了分析。在水墊塘裂縫損傷方面，Asadollahi等[17]基于3維塊體穩(wěn)定性算法估算了水墊塘池底的動(dòng)水壓力，并探究了動(dòng)水壓力對(duì)裂縫的影響機(jī)制。李愛(ài)華等[18]探討了高壩水墊塘內(nèi)脈動(dòng)壓力在底板縫隙水介質(zhì)中的傳播機(jī)理。在過(guò)流壁面沖刷磨蝕破壞方面，大量研究表明：沖刷磨蝕破壞是由上游下泄高速含沙水流推動(dòng)水墊塘中高硬度卵石、雜物對(duì)過(guò)流壁面進(jìn)行反復(fù)沖磨而產(chǎn)生的[19-21]。水流流速、水舌入射角、水墊厚度、水中含沙量等是影響沖刷磨蝕破壞的主要影響因素。此外，高速水流會(huì)誘發(fā)過(guò)流壁面產(chǎn)生空化現(xiàn)象，導(dǎo)致空蝕破壞進(jìn)而加劇壁面磨蝕損傷的發(fā)展[22]。在水墊塘板間止水破壞方面，聶海勇等[23]分析了混凝土周邊縫止水破壞機(jī)理，并提出了可靠的修復(fù)方案。在結(jié)構(gòu)體型優(yōu)化方面，Yan等[24]依據(jù)水流流態(tài)對(duì)水墊塘長(zhǎng)、寬尺寸優(yōu)化進(jìn)行了探索。楊家修等[25]探討了水墊塘下游二道壩及底板高程對(duì)于水動(dòng)力指標(biāo)的影響。王新等[26]以流態(tài)和動(dòng)水壓力為指標(biāo)，對(duì)水墊塘體型的合理性進(jìn)行了論證。

然而，現(xiàn)有研究仍主要依據(jù)水動(dòng)力特性獨(dú)立開(kāi)展。未充分考慮水動(dòng)力特性與裂縫、空蝕等典型損傷間存在相互耦合關(guān)系。一方面，高速水流的沖刷作用是導(dǎo)致過(guò)流壁面損傷的直接原因。另一方面，裂縫、磨蝕等典型損傷的出現(xiàn)使得壁面平整度惡化，從而影響到局部流場(chǎng)水力特性。此外，各類損傷之間也存在相互促進(jìn)作用，目前對(duì)于各類損傷之間的影響機(jī)制尚未形成系統(tǒng)的、相關(guān)聯(lián)的研究[27]。針對(duì)損傷影響因素的研究也多停留在枚舉的層面上，沒(méi)有深入明晰影響泄洪孔口及水墊塘安全性態(tài)的直接因素和間接因素，也并未明確各因素對(duì)于水墊塘損傷的影響程度。

1.2 高壩樞紐復(fù)雜環(huán)境智能巡檢

受到泄洪孔口及水墊塘復(fù)雜工作環(huán)境的影響，獲取客觀的、高質(zhì)量的、規(guī)模化的研究數(shù)據(jù)存在諸多不利因素?，F(xiàn)有泄洪消能建筑物水下混凝土結(jié)構(gòu)巡檢的方法主要有以下幾種：1）有纜遙控水下機(jī)器人（remote operated vehicle, ROV）巡檢方法，該類方法主要通過(guò)人工遙控方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取?？笨怂娧芯克↖REQ）開(kāi)發(fā)了一系列用于水電大壩檢查的ROV[28]。Yu等[29]使用帶有固定距離跟蹤控制策略的ROV進(jìn)行傾斜的水電大壩壩體檢查。Sugimoto等[30]對(duì)水電大壩壁面和大壩閘門(mén)設(shè)備進(jìn)行檢查。Shimono等[31-32]將ROV和水面船相結(jié)合，用于實(shí)際水電大壩的場(chǎng)景。2）自主式水下機(jī)器人（autonomous underwater vehicle, AUV）巡檢方法，該類方法通過(guò)預(yù)先設(shè)定的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。Ridao等[33]采用AUV對(duì)大壩面板進(jìn)行自主式的巡檢。Neto等[34]采用AUV搭載視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行水電高壩壩體的巡檢。Cruz等[35]采用預(yù)先編好的程序自動(dòng)完成特定的水下檢查作業(yè)。3）專用定制的水下機(jī)器人巡檢方法，該類方法采用深度定制的作業(yè)流程對(duì)局部水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)檢查。由Yang等[36]設(shè)計(jì)的Anchor Diver 5.2定制檢測(cè)系統(tǒng)，在日本Amagase大壩進(jìn)行了評(píng)估。Sakagami等[37]設(shè)計(jì)了負(fù)壓的裝置，保持機(jī)器人與水電壩面表面之間的機(jī)械接觸，以獲得清晰的連續(xù)圖像。Li等[38]設(shè)計(jì)了UIS-1消力池專用巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，采用圖像進(jìn)行消力池骨料裸露比的計(jì)算。而針對(duì)泄洪孔口這類水面以上建筑物的巡檢，Ridolfi等[39]研究了壩面不同地面控制點(diǎn)的布置對(duì)無(wú)人機(jī)航拍 3 維建模的精度影響。Henriques[40]和Angeli[41]等利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行圖像采集并進(jìn)行 3 維重建，對(duì)缺陷進(jìn)行量化研究。Buffi等[42]在拱壩巡檢中，借助傳統(tǒng)地形測(cè)量方法及相關(guān)工具，改善無(wú)人機(jī) 3 維建模局部區(qū)域的畸變和整體稠密點(diǎn)云的誤差。Khaloo等[43]對(duì)混凝土重力壩采用固定翼和旋翼無(wú)人機(jī)在不同尺度下進(jìn)行壩面圖像采集。

然而，泄洪消能建筑物過(guò)流面結(jié)構(gòu)巡檢主要以遙操作為主，依靠人工在線閉環(huán)進(jìn)行環(huán)境的感知和多個(gè)自由度控制，不適合大面積連續(xù)區(qū)域的作業(yè)。采用自主式巡檢方法采集時(shí)，受限于溢流孔口半開(kāi)放空間或水墊塘聲學(xué)設(shè)備多次反射帶來(lái)的誤差及慣性導(dǎo)航設(shè)備累積誤差，自主巡檢受到定位精度的影響極大?，F(xiàn)有巡檢方法面臨著巡檢區(qū)域大、巡檢效率低、巡檢過(guò)程中未充分考慮損傷分布規(guī)律等問(wèn)題。因此，現(xiàn)有泄洪孔口或水墊塘的混凝土智能巡檢方法依然無(wú)法滿足工程實(shí)際需求。

1.3 損傷特征感知技術(shù)

采用新型的傳感方法與信息處理手段，進(jìn)行水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷特征感知是工程和學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，以計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的檢測(cè)方法成為水工結(jié)構(gòu)損傷特征感知的一種重要手段。朱兆彤等[44]提出采用水下聲吶感知方法獲得結(jié)構(gòu)缺損圖像。朱新民等[45]采用高精度 3 維激光掃描儀對(duì)表觀缺陷進(jìn)行檢測(cè)，替代了傳統(tǒng)的人工普查法。研究人員相繼提出了聲學(xué)、光學(xué)等豐富的缺陷傳感方式。Xie等[46]提出將激光超聲技術(shù)應(yīng)用于水下?lián)p傷缺陷的識(shí)別和定位，可估計(jì)缺陷的寬度和大小。Yang等[47]提出結(jié)合光流法和圖像匹配法來(lái)估計(jì)混凝土表面損傷分布的位置，該方法適用于對(duì)固定區(qū)域的量化分析。付軍等[48]提出利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行水下大壩結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別，該方法能有效反映缺陷的形態(tài)學(xué)特征，并分析裂縫的位置結(jié)構(gòu)。Pathirage等[49]提出了一種基于自動(dòng)編碼器的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別框架。隨著深度學(xué)習(xí)在目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域快速發(fā)展，利用卷積網(wǎng)絡(luò)識(shí)別損傷缺陷也逐漸成為研究熱點(diǎn)。Fei等[50]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的損傷缺陷分割算法。Tabernik等[51]提出分段式損傷缺陷檢測(cè)算法，采用分割網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行缺陷像素級(jí)定位，并采用分類網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)裂縫的準(zhǔn)確分類。為評(píng)估水下建筑物結(jié)構(gòu)失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)，通常需要對(duì)損傷缺陷的大小、形狀和深度信息進(jìn)行表征量化。Ni等[52]提出了基于Zernike算子的裂紋寬度估計(jì)方法。Xu等[53]提出基于點(diǎn)云表面損傷缺陷的3 維重建與測(cè)量方法，通過(guò)提取點(diǎn)云輪廓線來(lái)獲得損傷缺陷信息的量化指標(biāo)。Wang等[54]提出利用二值裂紋圖像自動(dòng)測(cè)量裂縫寬度的方法。Li等[55]采用注意力機(jī)制改進(jìn)了U-Net神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)磨蝕的圖像進(jìn)行了骨料的語(yǔ)義分割。

然而，單一傳感探測(cè)設(shè)備的感知方法具有局限性，對(duì)高拱壩泄洪孔口及水墊塘損傷的信息獲取能力不足，無(wú)法精準(zhǔn)感知損傷特征。其次，受周?chē)鷱?fù)雜環(huán)境光線、畸變等不利因素的影響，難以獲得高質(zhì)量、規(guī)?；膿p傷研究數(shù)據(jù)，損傷樣本小、樣本不均衡將導(dǎo)致識(shí)別精準(zhǔn)率低。因此，泄洪消能結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別與量化研究仍有較大提升空間[56]。

1.4 結(jié)構(gòu)安全分析與評(píng)價(jià)方面

針對(duì)泄洪消能建筑物結(jié)構(gòu)安全分析與評(píng)價(jià)的傳統(tǒng)方法有事故樹(shù)分析法、層次分析法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊評(píng)價(jià)法等。Khakzad等[57]對(duì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法與事故樹(shù)法進(jìn)行對(duì)比研究，指出前者更加科學(xué)準(zhǔn)確但同時(shí)也需要大量全面的數(shù)據(jù)支撐。Peyras等[58]提出了基于概率的風(fēng)險(xiǎn)分析與可靠性方法相結(jié)合的安全評(píng)價(jià)模型，對(duì)工程中發(fā)生的復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行建模并對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)估。Morales-Nápoles等[59]則對(duì)傳統(tǒng)的離散化貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)安全分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中出現(xiàn)的連續(xù)變量提出了非參數(shù)連續(xù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法，從而提高了評(píng)價(jià)的精確度。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法等傳統(tǒng)基于概率的評(píng)價(jià)方法需要使用大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量的大小將直接關(guān)系到評(píng)估的準(zhǔn)確度，而在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中并不總能滿足此條件。針對(duì)此，Karuna等[60]提出了在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不足時(shí)采用區(qū)間分析與模糊集理論等非概率方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的數(shù)學(xué)模型。張亞琳等[61]則結(jié)合D-S證據(jù)理論，發(fā)展了融合多種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)安全綜合評(píng)價(jià)方法。上述評(píng)估方法大多僅針對(duì)建筑物自身的損傷指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估而未考慮人工管理與巡檢等因素的影響。因此，Zhang等[62]提出了基于改進(jìn)的D-S證據(jù)理論與反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的多源數(shù)據(jù)融合方法，通過(guò)反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供基本概率分配，進(jìn)而使用D-S綜合規(guī)則實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合。練繼建等[63]建立了較完善的指標(biāo)體系，綜合運(yùn)行管理數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)檢測(cè)數(shù)據(jù)建立了模糊綜合評(píng)價(jià)模型。Wu等[64]提出了針對(duì)消力池的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。Rao等[65]提出了考慮多因素耦合效應(yīng)的評(píng)價(jià)體系，通過(guò)層次分析法與專家評(píng)價(jià)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重，并采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行安全評(píng)估。

然而，目前針對(duì)庫(kù)壩結(jié)構(gòu)安全分析與評(píng)價(jià)的研究大多是對(duì)評(píng)價(jià)方法的研究，由于對(duì)泄洪消能結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理的研究有待深入，且大多只關(guān)注結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)而忽視巡檢數(shù)據(jù)等因素，因此，在評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取方面研究尚有不足。如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)此進(jìn)行融合改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)仍是研究的重點(diǎn)難點(diǎn)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在泄洪消能建筑物檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作，但有關(guān)智能巡檢與評(píng)價(jià)的技術(shù)方案與理論體系的研究尚不充分，難以滿足高壩泄洪孔口和水墊塘安全運(yùn)維的迫切需求。首先，缺乏高速水流作用下過(guò)流面損傷演變規(guī)律的理論研究，需要全面掌握典型損傷特征與分布規(guī)律，揭示水動(dòng)力荷載與混凝土損傷演化的耦合機(jī)理。其次，缺乏高效巡檢理論和智能檢測(cè)技術(shù)，需要破解巡檢范圍大、巡檢效率低、環(huán)境適應(yīng)性差之間的矛盾，改進(jìn)損傷感知方法并提升損傷識(shí)別效率。最后，缺乏“巡檢—監(jiān)測(cè)—模擬”融合的結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)模型研究，對(duì)于典型損傷機(jī)理與評(píng)價(jià)模型的研究仍相對(duì)獨(dú)立，且沒(méi)有就水工結(jié)構(gòu)損傷與水動(dòng)力機(jī)制的結(jié)合開(kāi)展系統(tǒng)研究，相關(guān)研究工作亟待開(kāi)展。

2 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題及研究?jī)?nèi)容

2.1 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

2.1.1 高速水流與過(guò)流面耦合作用下的損傷形成機(jī)理與演化規(guī)律

高速水流與過(guò)流面損傷相互作用機(jī)制是探究泄洪消能建筑物智能巡檢方法與安全評(píng)估理論的重要支撐，有利于彌補(bǔ)復(fù)雜水動(dòng)力荷載下?lián)p傷演化及累積效應(yīng)的科學(xué)認(rèn)知不足。研究關(guān)鍵水動(dòng)力因子對(duì)損傷演化的影響機(jī)制，揭示高速水流與過(guò)流面耦合作用下的損傷形成機(jī)理與演化規(guī)律，是擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

2.1.2 適用于復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)巡檢理論與方法

針對(duì)高壩樞紐泄洪消能建筑泄洪孔口、水墊塘等復(fù)雜環(huán)境，在常規(guī)方法巡檢過(guò)程中巡檢控制適應(yīng)性差、數(shù)據(jù)采集精度偏低的問(wèn)題，開(kāi)展復(fù)雜環(huán)境多信息科學(xué)認(rèn)知機(jī)理研究，建立復(fù)雜環(huán)境巡檢區(qū)信息統(tǒng)一表達(dá)體素模型，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合自適應(yīng)控制理論，研究高精度智能控制巡檢方法，是擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

2.1.3 機(jī)理分析與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)融合的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)理論

泄洪消能結(jié)構(gòu)荷載作用復(fù)雜，巡檢數(shù)據(jù)、常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)之間缺乏融合，通過(guò)單一數(shù)據(jù)均無(wú)法對(duì)泄洪消能結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合判斷。構(gòu)建機(jī)理分析與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)融合的結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)理論，實(shí)現(xiàn)綜合性的科學(xué)評(píng)價(jià)，是擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

2.2 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.2.1 高速水流水動(dòng)力荷載高精度數(shù)值模擬技術(shù)

由于泄洪消能建筑物具備水流流速高、紊動(dòng)強(qiáng)以及流態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn)，脈動(dòng)壓力等關(guān)鍵水動(dòng)力荷載往往難以精確模擬。采用DES和VOF方法，綜合泄洪消能建筑物運(yùn)行特點(diǎn)，構(gòu)建適用于泄洪孔口及水墊塘高速水流的3維水動(dòng)力模型，對(duì)流場(chǎng)水動(dòng)力特性開(kāi)展數(shù)值模擬，明晰各水力要素分布規(guī)律。

2.2.2 多維感知信息的損傷智能分類與量化技術(shù)

針對(duì)智能巡檢采集的過(guò)流面損傷數(shù)據(jù)因光學(xué)成像畸變、背景復(fù)雜、圖像形態(tài)特征弱等因素導(dǎo)致?lián)p傷辨識(shí)時(shí)間長(zhǎng)、量化準(zhǔn)確率不高的共性問(wèn)題，結(jié)合遷移學(xué)習(xí)方法建立損傷特征智能辨識(shí)模型與基于候選集的損傷分類與量化方法，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的正向訓(xùn)練調(diào)優(yōu)與逆向訓(xùn)練提速，大幅提升損傷特征識(shí)別與量化效率。

2.3 研究?jī)?nèi)容

針對(duì)四川高壩樞紐泄洪消能建筑物運(yùn)行期面臨的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，以高拱壩泄洪孔口及水墊塘為研究對(duì)象，從過(guò)流面耦合損傷演變機(jī)理、復(fù)雜環(huán)境認(rèn)知機(jī)理與自適應(yīng)巡檢理論、損傷智能辨識(shí)與量化方法、結(jié)構(gòu)安全分析與評(píng)價(jià)等4個(gè)方面開(kāi)展研究。

2.3.1 高速水流作用下過(guò)流面耦合損傷演變機(jī)理

1）復(fù)雜流場(chǎng)下泄洪消能建筑物水動(dòng)力特性數(shù)值模擬。

基于計(jì)算流體力學(xué)，開(kāi)展高速泄洪流場(chǎng)水力特性3維數(shù)值模擬，分析泄洪孔口及水墊塘流場(chǎng)的流速、脈動(dòng)壓強(qiáng)、紊動(dòng)動(dòng)能等水力要素的變化規(guī)律。擬利用分離渦模型DES等高精度紊流模型，對(duì)不同泄流量、不同孔口開(kāi)度等工況下過(guò)流面所受荷載進(jìn)行數(shù)值模擬，分析水力參數(shù)與分布對(duì)過(guò)流面損傷的影響，為開(kāi)展泄洪消能建筑物損傷演化與安全評(píng)價(jià)研究奠定基礎(chǔ)。

2）泄洪孔口與水墊塘典型損傷特征與分布規(guī)律。

結(jié)合復(fù)雜流場(chǎng)下的水動(dòng)力特性與過(guò)流面混凝土力學(xué)性質(zhì)，開(kāi)展典型損傷的主要特征及分布規(guī)律的診斷分析，明晰過(guò)流面混凝土損傷類型、損傷位置、損傷規(guī)模等主要性狀，提出損傷風(fēng)險(xiǎn)概率分布與損傷特征等級(jí)，并建立泄洪消能建筑物損傷分區(qū)與水動(dòng)力特性的內(nèi)在聯(lián)系，支撐高效的智能巡檢與準(zhǔn)確的安全評(píng)價(jià)。

3）水動(dòng)力荷載與混凝土損傷演化的耦合機(jī)理。

綜合高速泄洪水流動(dòng)力特性的數(shù)值模擬與典型損傷特性，系統(tǒng)研究流速、脈動(dòng)壓強(qiáng)、紊動(dòng)動(dòng)能等水力要素與磨蝕、裂縫等典型損傷的相互關(guān)系，探究不同類型損傷之間的耦合作用機(jī)制；基于流體水力學(xué)與固體材料損傷力學(xué)的流固耦合理論，重點(diǎn)研究關(guān)鍵水動(dòng)力因子對(duì)損傷演化的累積效應(yīng)，揭示宏觀的關(guān)鍵荷載與微觀損傷擴(kuò)展規(guī)律之間的相互作用機(jī)制，為泄洪消能建筑物結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)奠定理論基礎(chǔ)。

2.3.2 復(fù)雜環(huán)境多信息認(rèn)知機(jī)理與自適應(yīng)巡檢方法

1）泄洪消能復(fù)雜巡檢環(huán)境的多信息認(rèn)知機(jī)理。

針對(duì)壩身泄洪孔口異型、狹窄、半開(kāi)放空間與水墊塘水下淤積、渾濁、弱光等復(fù)雜環(huán)境，開(kāi)展環(huán)境信息語(yǔ)義表示方法研究，對(duì)其包含的空間、時(shí)間、尺度及屬性進(jìn)行表征及量化分析，并構(gòu)建空間 3 維分布環(huán)境態(tài)勢(shì)信息場(chǎng)，研究多信息間的驅(qū)動(dòng)變化機(jī)理，揭示其相互關(guān)系和共性特征，為泄洪孔口及水墊塘等復(fù)雜巡檢環(huán)境建模提供理論支撐。

2）巡檢區(qū)多信息體素模型建模方法。

在多信息認(rèn)知機(jī)理研究基礎(chǔ)上，利用信息場(chǎng)建立基于三關(guān)聯(lián)層的復(fù)雜環(huán)境巡檢區(qū)的概念表達(dá)框架，包括流固環(huán)境因素（空間、尺度）、抽象域（光、氣流、地磁）和動(dòng)態(tài)變化（時(shí)間）。對(duì)空地和水下環(huán)境建模采用體素方式，其中，巡檢全域場(chǎng)空間對(duì)應(yīng)整體3維體素，泄洪孔口流面、閘墩、水墊塘護(hù)坦、導(dǎo)墻、二道壩等結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)對(duì)象區(qū)域局部3維體素，結(jié)合抽象域和時(shí)間變化，可形成復(fù)雜環(huán)境巡檢區(qū)多信息表達(dá)建模。

3）精準(zhǔn)抵近的自適應(yīng)巡檢方法。

針對(duì)裂縫、磨蝕等過(guò)流面損傷需要精準(zhǔn)近距離采集的需求，使用區(qū)域局部體素坐標(biāo)集作為期望函數(shù)，將泄洪孔口巡檢無(wú)人機(jī)/水墊塘巡檢水下機(jī)器人（ROV）的SLAM實(shí)時(shí)高精度定位坐標(biāo)作為控制函數(shù)，動(dòng)態(tài)變化時(shí)間作為激活函數(shù)，構(gòu)建基于自適應(yīng)控制理論的近距離精準(zhǔn)巡檢方法，匹配不同巡檢傳感器的最佳采集距離需求。

2.3.3 泄洪消能結(jié)構(gòu)損傷特征智能辨識(shí)與量化方法

1）基于遷移學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)損傷特征智能辨識(shí)與分類方法。

針對(duì)巡檢采集的有效損傷數(shù)據(jù)樣本噪聲大、特征不顯著等問(wèn)題，利用遷移學(xué)習(xí)的思想構(gòu)建損傷多模態(tài)特征識(shí)別與分類模型，研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搜索（NAS）的方法；以遷移網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練調(diào)優(yōu)，將損傷辨識(shí)與分類融為一體，有效提高裂縫、磨蝕的背景分割效率，實(shí)現(xiàn)典型損傷的即時(shí)分類，減少時(shí)間開(kāi)銷。

2）泄洪消能結(jié)構(gòu)損傷高精度量化表征方法。

基于完成辨識(shí)和分類的結(jié)構(gòu)損傷2維光學(xué)、3維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，研究損傷邊緣提取與量化區(qū)域確定方法，對(duì)裂縫損傷的長(zhǎng)度與寬度、磨蝕損傷的深度與面積等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行幾何測(cè)量。針對(duì)量化過(guò)程中強(qiáng)噪聲和量化離群值導(dǎo)致的測(cè)量精度下降問(wèn)題，研究基于經(jīng)驗(yàn)信息候選集和改進(jìn)逆向訓(xùn)練的方法，建立噪聲-量化級(jí)聯(lián)分類優(yōu)化模型，提高損傷的測(cè)量精度。

2.3.4 多元信息融合的結(jié)構(gòu)安全分析與評(píng)價(jià)體系

1）拱壩泄洪消能結(jié)構(gòu)安全評(píng)估指標(biāo)體系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

基于水動(dòng)力、工程地質(zhì)等條件，結(jié)合智能巡檢、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬等信息，利用信息物元可拓模型解析多源異構(gòu)數(shù)據(jù)并通過(guò)事故樹(shù)法與層次分析法剖析事故元素，擬定結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。針對(duì)過(guò)流面水壓力荷載等關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)損傷狀態(tài)下泄洪孔口及水墊塘的瞬時(shí)壓力變化進(jìn)行分析，明晰脈動(dòng)壓力荷載在過(guò)流面裂縫內(nèi)部的作用機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)泄洪消能建筑物運(yùn)行特點(diǎn)建立對(duì)應(yīng)不同安全程度的壓強(qiáng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2）基于“巡檢—監(jiān)測(cè)—模擬”融合的結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)模型建立與應(yīng)用。

基于泄洪消能建筑物結(jié)構(gòu)的安全指標(biāo)體系，采用專家評(píng)分法及乘積標(biāo)度法確定指標(biāo)的權(quán)重，提出針對(duì)泄洪孔口及水墊塘的典型損傷分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，綜合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法與模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)整合并建立綜合判斷體系，進(jìn)而針對(duì)不同結(jié)構(gòu)段提出典型安全風(fēng)險(xiǎn)排序，確定整體安全風(fēng)險(xiǎn)的概率分布情況。以大崗山水電站為背景，開(kāi)展泄洪孔口及水墊塘結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方法示范應(yīng)用，驗(yàn)證安全評(píng)價(jià)模型的可靠性。

3 研究方法與技術(shù)路線

圍繞科學(xué)問(wèn)題與內(nèi)容設(shè)置，綜合數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、模型建立等方法，系統(tǒng)開(kāi)展高拱壩壩身泄洪孔口及水墊塘運(yùn)行期損傷的智能巡檢方法及識(shí)別研究，并依托大渡河大崗山水電站為實(shí)際工程，應(yīng)用檢測(cè)模擬方法與評(píng)價(jià)模型，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technology roadmap

3.1 高速水流作用下過(guò)流面耦合損傷演變機(jī)理

3.1.1 泄洪孔口及水墊塘過(guò)流高精度數(shù)值模擬

針對(duì)泄洪孔口及水墊塘復(fù)雜流場(chǎng)作用下的水動(dòng)力特性變化問(wèn)題，基于計(jì)算流體力學(xué)的3維數(shù)值模擬方法，采用分離渦模型DES等高精度紊流模型，結(jié)合追蹤自由液面的VOF法，建立大崗山泄洪孔口及水墊塘3維幾何模型計(jì)算域，基于有限體積法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解，模擬不同特征水位、不同孔口開(kāi)度等實(shí)際運(yùn)行工況下泄洪孔口及水墊塘所受的脈動(dòng)壓強(qiáng)、流速、紊動(dòng)能等主要水力要素分布。

3.1.2 混凝土過(guò)流面損傷演化機(jī)理描述與損傷概率分析

根據(jù)混凝土損傷發(fā)育的過(guò)程，采用損傷力學(xué)的理論分析方法,分析混凝土表面損傷演化的機(jī)理，并結(jié)合泄洪孔口及水墊塘水動(dòng)力特性的數(shù)值模擬與典型損傷特性，建立脈動(dòng)壓強(qiáng)、流速、紊動(dòng)動(dòng)能等水力要素與磨蝕、裂縫等典型損傷的相互關(guān)系，從理論角度建立水墊塘運(yùn)行期水動(dòng)力荷載與混凝土損傷發(fā)育的耦合機(jī)理模型，獲取關(guān)鍵水動(dòng)力因子對(duì)損傷演化的促進(jìn)效應(yīng)。采用風(fēng)險(xiǎn)概率的分析方法，提出損傷破壞等級(jí)與損傷風(fēng)險(xiǎn)概率分布，按照過(guò)流面混凝土塊為最小單元指標(biāo)，獲取泄洪孔口及水墊塘過(guò)流面范圍內(nèi)不同損傷的等級(jí)分區(qū)圖，建立水動(dòng)力特性與過(guò)流面損傷等級(jí)分區(qū)的影響關(guān)系。

3.2 復(fù)雜環(huán)境多信息認(rèn)知機(jī)理與自適應(yīng)巡檢方法

3.2.1 復(fù)雜環(huán)境數(shù)據(jù)語(yǔ)義表征及空間3維分布環(huán)境信息場(chǎng)建立

基于同一語(yǔ)義表示方法，針對(duì)壩身泄洪孔口異型、狹窄、半開(kāi)放空間與水墊塘水下淤積、渾濁、弱光等復(fù)雜環(huán)境所蘊(yùn)含的多維環(huán)境信息語(yǔ)義進(jìn)行解析，量化其表征的環(huán)境要素及屬性，將其按照空間、時(shí)間、尺度及屬性進(jìn)行分類。如：泄洪孔口異形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)屬于空間語(yǔ)義分類，水墊塘的水下淤泥數(shù)據(jù)屬于時(shí)間、尺度與空間語(yǔ)義分類，復(fù)雜環(huán)境中的氣流信息因涉及點(diǎn)時(shí)間、規(guī)律計(jì)算與空間分布屬于時(shí)間、屬性與空間分類。因?yàn)樗械沫h(huán)境信息語(yǔ)義都涉及到空間語(yǔ)義屬性，故建立表述所有復(fù)雜環(huán)境信息的3維空間分布環(huán)境信息場(chǎng)：將數(shù)據(jù)場(chǎng)定義為隨時(shí)間變化、在3維空間分布的多維信息變量，是空間域和時(shí)間域到值域的映射；3維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)場(chǎng)是在一定的有限3維空間內(nèi)分布，并且隨時(shí)間變化的地理變量。巡檢區(qū)域的空間界定了空地環(huán)境要素的空間界限和精確位置，是多維時(shí)空信息集成的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的方法將空間對(duì)象抽象為點(diǎn)、線、面、體4大類不同，空間的劃分可分為場(chǎng)空間和對(duì)象場(chǎng)空間兩類，其分別對(duì)應(yīng)巡檢全域場(chǎng)模型和對(duì)象模型。在此基礎(chǔ)上建立一個(gè)變化的概念表達(dá)框架，包括流固環(huán)境變化因素、抽象域和時(shí)間變化語(yǔ)義3個(gè)相關(guān)聯(lián)的層次。其中，流固環(huán)境特征是變化參與的主體，時(shí)間過(guò)程是變化的驅(qū)動(dòng)力，抽象域是變化發(fā)生的描述和模式。對(duì)一個(gè)流固環(huán)境中的某個(gè)具體變化來(lái)說(shuō)，3者相互作用形成一個(gè)變化實(shí)例，構(gòu)成互關(guān)聯(lián)層。

3.2.2 泄洪孔口及水墊塘巡檢系統(tǒng)驗(yàn)證測(cè)試

擬在大崗山水電站高拱壩泄洪孔口及水墊塘進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，為提高智能巡檢作業(yè)效率，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)拱壩3維體素模型結(jié)合泄洪孔口、水墊塘的結(jié)構(gòu)模型，并與前期已有的檢測(cè)數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建巡檢虛擬演練平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，采用旋翼無(wú)人機(jī)搭載采集與定位模塊，融合視覺(jué)與激光定位數(shù)據(jù)，對(duì)泄洪孔口過(guò)流面、閘墩邊墻的損傷開(kāi)展數(shù)據(jù)抵近采集；水下巡檢采用雙模水下機(jī)器人，搭載Easytrak Alpha 2665水聲定位儀、Tritech 701高度計(jì)、A50多普勒計(jì)程儀，在水墊塘預(yù)設(shè)定位分析的位置點(diǎn)進(jìn)行巡檢任務(wù)規(guī)劃和實(shí)際定位數(shù)據(jù)收集，對(duì)定位和任務(wù)規(guī)劃方案進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.3 復(fù)雜水下環(huán)境可視化檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

針對(duì)泄洪消能建筑物現(xiàn)場(chǎng)水下檢測(cè)中淤積、渾濁、無(wú)光等環(huán)境特點(diǎn)，搭建模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)計(jì)優(yōu)化“清淤-置換”的可視化采集方法和檢測(cè)裝置，如圖2所示。通過(guò)水體置換與觀測(cè)的方式采集損傷圖像，并擬結(jié)合水下多介質(zhì)條件下畸變矯正方法，實(shí)現(xiàn)渾濁與淤積條件下磨損、裂縫等表觀缺陷毫米級(jí)檢測(cè)。將檢測(cè)裝置模塊與水下機(jī)器人融合，通過(guò)水池聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)后，在大崗山水墊塘開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)合自適應(yīng)巡檢控制算法，力爭(zhēng)破解水下結(jié)構(gòu)過(guò)流面淤積遮蔽的檢測(cè)難題。

圖2 水下機(jī)器人結(jié)合“清淤-置換”可視化檢測(cè)技術(shù)Fig.2 Underwater robot combine with ‘desilt-replace’visualization detection technology

3.3 泄洪消能結(jié)構(gòu)損傷特征智能辨識(shí)與量化方法

3.3.1 多模態(tài)異構(gòu)傳感信息融合模型建立

結(jié)合泄洪消能結(jié)構(gòu)的作業(yè)面分布和使用環(huán)境，研究不同層次的聲光聯(lián)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)，在多物理維度上實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)信息互補(bǔ)。針對(duì)同一傳感器探測(cè)單幀數(shù)據(jù)存在的信息缺失或探測(cè)范圍受限問(wèn)題，研究基于灰度分布和特征點(diǎn)的聲學(xué)和光學(xué)圖像的數(shù)據(jù)級(jí)融合拼接技術(shù)，通過(guò)加權(quán)平均、模擬退火、圖像金字塔等算法實(shí)現(xiàn)水工建筑物的大視角、高分辨率觀測(cè)；針對(duì)單一種類傳感器數(shù)據(jù)維度缺失問(wèn)題，研究聲光信息的特征級(jí)融合技術(shù)，通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)、邏輯推理等方法增強(qiáng)目標(biāo)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)單一傳感器信息的“升維”處理。

3.3.2 損傷遷移學(xué)習(xí)智能辨識(shí)的實(shí)驗(yàn)

利用遷移學(xué)習(xí)構(gòu)建2維圖像和3維點(diǎn)云語(yǔ)義分割的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究損傷數(shù)據(jù)與大型數(shù)據(jù)集上共有的特征集，使用在大型數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)優(yōu)異的骨干網(wǎng)絡(luò)作為特征編碼器，提取損傷的多層次隱含特征，設(shè)計(jì)特定的解碼器在特征圖上進(jìn)行采樣操作，從多維度海量的檢測(cè)數(shù)據(jù)中，以最小檢測(cè)單元將損傷進(jìn)行分割，可提高識(shí)別損傷尺寸精度。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搜索（NAS）的方法，在約束條件下，通過(guò)優(yōu)化的方法，配置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，模仿專家加速網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練手動(dòng)調(diào)優(yōu)，篩選大量超參數(shù)配置，快速構(gòu)建智能辨識(shí)模型。

3.3.3 損傷高精度量化方法實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

建立泄洪孔口及水墊塘多源傳感數(shù)據(jù)的空間邏輯關(guān)系，采用多視角、運(yùn)動(dòng)重構(gòu)等方法進(jìn)行損傷3維立體特征構(gòu)建，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試尺度不變特征變換（SIFT）算法特征提取與匹配方法的效果，以建立多模態(tài)傳感信息的3維損傷模型；并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行像素、體素層面的損傷幾何特征計(jì)算分析，如裂縫損傷的長(zhǎng)度與寬度、磨蝕損傷的深度與面積等，獲取損傷的定量化數(shù)據(jù)。采用經(jīng)驗(yàn)信息候選集和改進(jìn)逆向訓(xùn)練的方法，建立噪聲-量化級(jí)聯(lián)分類優(yōu)化模型，進(jìn)一步降低測(cè)量誤差。搭建一批含有不同大小和尺寸的裂縫、磨蝕損傷試塊，比較分析量化方法的精度，驗(yàn)證該方法的有效性，損傷量化方法如圖3所示。

圖3 損傷高精度量化方法Fig.3 High precision quantitative measurement of damage

3.4 多信息融合的泄洪消能結(jié)構(gòu)安全分析與評(píng)價(jià)

3.4.1 泄洪消能結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)模型建立

泄洪消能建筑物監(jiān)測(cè)及巡檢數(shù)據(jù)來(lái)源眾多且異構(gòu)性強(qiáng)，基于邊界條件、荷載條件及損傷機(jī)理研究，綜合使用事故樹(shù)法與層次分析法溯源復(fù)雜事故因素并構(gòu)建多尺度、多層次的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖4所示。在確立了層級(jí)之間隸屬關(guān)系之后，綜合使用乘積標(biāo)度法與專家評(píng)分法計(jì)算同層各指標(biāo)之間的權(quán)重，并對(duì)其重要性進(jìn)行量化，為進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)做準(zhǔn)備。通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法與模糊評(píng)價(jià)法對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，按照從底層到頂層、從單因素到多因素的順序進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全綜合評(píng)價(jià)，從而得到水墊塘整體結(jié)構(gòu)安全隸屬于各評(píng)語(yǔ)等級(jí)的模糊度大小，最后對(duì)比評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定其具體的安全等級(jí)并給出相應(yīng)的評(píng)語(yǔ)，從而完成水墊塘結(jié)構(gòu)的定量安全分析與綜合評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建。

圖4 泄洪消能建筑物結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)體系Fig.4 Safety assessment system for flood discharge and energy dissipation building structure

3.4.2 巡檢數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，對(duì)數(shù)值模擬所獲得的脈動(dòng)壓強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行采樣，確定脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根的分布情況及水流脈動(dòng)強(qiáng)度較高的區(qū)域，并依據(jù)結(jié)果，確定巡檢的重點(diǎn)區(qū)域。針對(duì)泄洪孔口及水墊塘過(guò)流面常見(jiàn)的磨蝕、裂縫、止水破壞等典型損傷的成因及分布規(guī)律，結(jié)合智能巡檢與損傷感知的成果，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，開(kāi)展典型損傷的主要特征診斷與統(tǒng)計(jì)分析，明確過(guò)流面的損傷類型、損傷范圍，以及損傷位置等關(guān)鍵信息，從而可獲得過(guò)流面表觀混凝土的骨料裸露比、大小與深度、裂縫長(zhǎng)度等主要損傷量化參數(shù)。

3.4.3 拱壩泄洪消能結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)

在上述理論模型和統(tǒng)計(jì)方法的基礎(chǔ)之上，結(jié)合國(guó)能大渡河公司大崗山水電站等的相關(guān)監(jiān)測(cè)、巡檢數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。由于泄洪孔口及水墊塘的不同段具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生不同的損傷類型、損傷特征及變化規(guī)律。因此，首先使用綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)泄洪孔口及水墊塘各段進(jìn)行分別評(píng)價(jià)；而后，提出典型安全風(fēng)險(xiǎn)排序，并在此基礎(chǔ)之上確定水墊塘整體安全風(fēng)險(xiǎn)概率分布，從而實(shí)現(xiàn)從定量角度對(duì)泄洪消能整體結(jié)構(gòu)安全的分析評(píng)價(jià)；最后，根據(jù)對(duì)泄洪消能結(jié)構(gòu)安全分析的結(jié)果給出評(píng)語(yǔ)及改進(jìn)建議。

4 結(jié)論與展望

西南高壩樞紐眾多，高拱壩泄洪孔口及水墊塘等泄洪消能建筑物的定期巡檢與安全評(píng)價(jià)已經(jīng)成為保障工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在泄洪消能建筑物檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作，但有關(guān)智能巡檢與評(píng)價(jià)的技術(shù)方案與理論體系的研究尚不充分，難以滿足高壩泄洪孔口和水墊塘安全運(yùn)維的迫切需求。

針對(duì)泄洪消能建筑物運(yùn)行期水流特性多變、損傷機(jī)理復(fù)雜、巡檢環(huán)境惡劣、巡檢效率低下、損傷識(shí)別量化困難等瓶頸，以高拱壩樞紐泄洪孔口及水墊塘的智能巡檢與安全運(yùn)行為典型場(chǎng)景，揭示西南高山峽谷地區(qū)泄洪消能建筑物過(guò)流面損傷形成機(jī)理與演化規(guī)律，研發(fā)復(fù)雜環(huán)境強(qiáng)適應(yīng)性泄洪孔口及水墊塘結(jié)構(gòu)自主智能巡檢方法，攻克多維感知信息的損傷智能分類與量化關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建“原位巡檢—監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)—水力模擬”多源數(shù)據(jù)融合的泄洪孔口及水墊塘結(jié)構(gòu)安全分析與評(píng)價(jià)模型。研究成果可支撐高壩樞紐泄洪消能建筑物的安全運(yùn)維與智能管控，保障梯級(jí)水電站群發(fā)電安全，提升水電運(yùn)維的精細(xì)化管理水平。