渠堤渗漏检测技术及多源融合新技术初探

2022-05-07武娟娟刘明潇

广东水利电力职业技术学院学报 2022年2期

武娟娟，刘震，刘明潇，孙羽

（华北水利水电大学港口航道与海洋发展研究中心，郑州 450046）

平原河流与输水渠道普遍存在渗漏破坏问题，尤其在填方渠段更易发生。填方渠道的水面高于周边地面，且渠堤迎水面大，在没有停水期的持续运行中，渠堤存在产生裂隙、脱空进而导致高填方渠道内水外渗的隐患[1]。高填方区会出现地面局部沉降、滑坡等现象。高温时，在渠道迎水面出现防渗面板拱起或龟裂现象；低温时，防渗体收缩，温度缝和裂纹则成为渗漏水流的入口。究其原因，主要来自三方面：①目前我国尚无关于填方渠道完整的设计规范，填方渠道工程设计主要参照土石坝或路堤堤防设计规范。而填方渠道设计条件与土石坝及江河堤防设计有很大的区别，填方渠道没有针对渗漏破坏与渗漏修复的处理规范；②长距离线性工程沿线地质条件变化多端、填筑料源不同，填筑顺序不一致，填方渠道差异、沉降问题更为明显，更易造成渠道渗漏破坏；③影响高填方渠道安全的首要因素就是渗透破坏，但由于填方渠道结构特殊，对于大跨度的线性工程原有的检测技术难以有效进行实时、连续监测，无法及时修复与补救发生渗漏的地方[2]。虽然渠道渗漏在早期不易检测，影响也较小，但一旦发生渗漏且面积较大时，就表明渠道安全问题很严重。由于输水渠道填方段距离很长，即使是较小的渗漏点，沿线也会导致大量的渗漏。

填方渠道渗漏防治必须防微杜渐，因此渠堤渗漏检测技术是填方渠道安全运行的关键技术之一，研究高填方渠道渗漏检测意义重大。为此，笔者针对填方渠道渗漏检测技术发展现状，对其技术特点、测试原理、适用环境、优势与不足等进行分类评述。同时根据现有多源检测技术及大数据应用现状，针对目前填方渠道渗漏检测的技术需要，研究探讨了“天-地-水”一体化渠堤渗漏检测新技术的应用，以期为填方渠道渗漏检测技术进步起推动作用。

1 渠堤渗漏检测技术现状与评述

江河堤防、渠道渠堤水下渗漏检测方法虽然种类繁多，但从工作原理上看，大致可分为钻探取样法、人工探视法、地球物理探测法、智能集成检测载体技术等几类。其中前三类是沿用较久的传统检测方法，智能检测载体则是近年来人工智能与水利行业多方技术需求相结合的产物。

1.1 钻探取样法

该方法采用专用钻机从渠堤中钻取芯样，通过对芯样的外观、物理性质、化学性质等特性进行分析，以判定渠堤土体内部结构变化与土体防渗质量（见图1-2）。其中土壤芯样的断层率、含水率等特性对渠道渠堤的渗漏性质判别具有重要意义[3]。此法操作简单、价格便宜，但却是一种半破损的现场检测方法，会对渠道路堤造成局部破坏。由于其检测时间长、范围小，不能满足快速测量和大面积无损检测的要求。

图1 钻探取样

图2 钻探芯样

1.2 人工探视法

1.2.1 人工巡逻法

为了检测渠堤断面上的渗透压力分布以及浸润线、渗流量、地下水位等[4]，在渠道底部或渠道断面上，采用嵌入式或半嵌入式安装渗流计、压力管、水位计等检测设备。渠道管理人员定期定量巡查仪器，观测渠道断面的水压变化，以便及时发现渗透现象（见图3-4）。这类渗流检测设备不能实现连续与移动检测，也不能进行断面间的渠堤渗流检测[5]。如果设备部件损坏，维修时还会对堤岸造成扰动。

图3 人工巡查、记录

图4 人工地毯式巡查

1.2.2 潜水员检测

潜水员携带专业检测设备（如专业水下相机、摄像机和渗流检测仪器），潜入渠道水下进行堤坡渗漏检测，主要依据水下图像采集与仪器检测来判断渠堤是否出现渗漏；对可能发生渗漏的点位进行定位和记录。

潜水员常用检测方法为“实时高清摄像+喷墨示踪”组合法。潜水员在水质较好的环境中使用高清摄像机对渠道渠堤可能发生渗漏破坏区段进行视频检测、渗流调查、局部详查，携带喷墨装置对发现的渗漏点进行检查，在可能渗漏通道入口处释放含有可溶解盐、巧光素等化学物质的示踪剂，同时采用高清摄像实时记录示踪剂在渗流作用下被带入通道的影像，根据流向流速判断渗漏入口、并推算流量。渗漏入口水流卷吸力会将示踪剂吸入通道，根据渗漏出口示踪剂出露位置和高程查明渗漏通道大致分布，从而确定渗漏通道[6]（见图5-7）。

图5 水下高清式摄像

图6 高清摄像精确定位入渗点

图7 渗漏出口集水处水体变色

在水质浑浊、流态不稳、漏量较小的环境下，高清摄像技术+喷墨示踪技术探查效果不明显，因此该法使用也有局限。

1.3 地球物理探测技术

这是一种参考地矿勘察的探测方法，是基于渠堤土体地球物理正常场和出现渗流场中电导率、磁导率、声、弹性、温差等物理性质的差异，采用多种物探方法和仪器，探测地球物理场的自然分布或裂隙变化特征，通过分析探测数据识别坝体渗漏状况。

主要勘探方法包括：电探测、磁探测、声波探测、地热探测等。

1.3.1 电法探测

渠堤中发生渗透破坏的土壤导电性良好（电阻率低），电法勘探就是利用渠堤渗漏区与未渗漏区土体之间的导电差异性，寻找渗漏破坏区的一种地球物理勘探方法。电法勘探通过跟踪观测人工建立的电场分布，研究大坝内潜在渗漏区及其变化。若存在渗漏现象，渗漏区电阻率会低于正常土体，可以通过仪器快速采集和实时数据处理，这些优势使高密度电阻率法得到广泛应用[7]。一般在堤防可能渗漏区密集布置测点，实现准确、快速、地毯式测量观测区地质信息数据，是将电剖面法和电测探法结合的做法（其工作流程见图8、高密度电法仪见图9）。

图8 高密度电阻率法检测工作

图9 高密度电法仪

1.3.2 磁法探测

大坝渗漏时，渗流沿裂隙流动同时切断地磁场的磁力线[8]。根据法拉第原理，水流动产生感应电动势，并在周围形成感应磁场，能使地磁场发生局部变化，产生磁异常。通过以专用仪器识别磁异常来探寻渠堤中的渗漏区域，即磁法探测。磁法探测又分为电磁法与地质雷达探测法。

（1）电磁法

目前应用较为广泛的是瞬变电磁法与地下磁流体探测法。瞬变电磁法是根据泄漏点处电磁性质的差异判断坝体是否存在泄漏[9]。瞬变电磁仪向地下垂直发射一次脉冲磁场，通过观察二次场，检测泄漏异常。发生渗漏的区域电导率相对较高，造成二次磁场较强，籍此可发现渗漏位置，其工作原理见图10。此法能克服地形和布线电阻干扰，检测出埋藏较深的渗漏隐患；受重金属介质干扰时，检测结果需要验证。地下磁流体探测法是利用地下自然磁场的漏磁特征信息，了解并熟悉地下电性剖面的电性差异，反演地质构造特征、发现渗漏点位置。通过测量沟内自然电磁波在地面产生的电场变化特征，确定泄漏区和泄漏点[10]。检测工作示意见图11。地下磁流体探测工作效率高，不易受地理环境影响。

图10 瞬变电磁法检测工作

（2）探地雷达探测法

该方法是基于渗漏通道的电导率σ 和介电常数ε 与正常渠道堤防渗漏故障检测方法之间的差异[11]。使用探地雷达天线阵列技术可以提高检测的准确性和有效性[12]。它可以连续无损检测，具有效率高、精度高、反演容易等优点。电磁波穿透深度主要受σ 的影响，传播速度由ε 决定。当渠堤出现渗漏时，由于周围介质含水量较大，σ 和ε 增大，容易形成清晰的电气界面，使电磁波信号发出强烈的反射，明显异于正常反射[13]。探地雷达及其工作示意见图12-13。

图12 无线探地雷达

图13 地质雷达探测法检测工作

1.3.3 声法探测

图14 3D 声纳检测仪

图15 水下声纳探测

1.3.4 地温法探测

渠堤发生渗流会引起周围环境温度的变化，将温度传感器测头埋设在渠堤底部或不同断面处，通过各测点温度传感器传递的信息来发现和检测渠堤渗流状态。主要检测方法有温度示踪法、分布式光纤法。

温度示踪法是在堤基和堤岸不同位置埋设多组高灵敏度温度传感器，在消除温度扰动影响后确定测量点温度的方法。通过对测点温度信息的综合研判，确定测点温度异常是否由渗水引起，从而实现坝体中渗漏点的定位检测（其流程见图16）。

图16 温度示踪法检测工作

分布式光纤法通过加热光纤温度测量系统实时、连续地检测光纤周围的渠堤温度变化，从而发现渗漏位置（其光纤分布方式见图17）。

图17 分布式光纤法光纤分布

1.4 智能集成检测载体技术——水下机器人

水下机器人是一种智能集成泄漏检测载体技术，可在高度危险环境、污染环境和零能见度水中长期工作[16]。根据ROV 与母船之间是否有电缆连接，可将ROV 分为两种类型[17]（见图18-19）。

图18 有缆水下机器人

图19 无缆水下机器人

水下机器人由水面及水下设备组成，可根据不同检测需求装载不同的渗漏检测设备，大大提高了渗漏检测的自主性和灵活性。由于水下机器人功能强大、数据传输稳定、运行时间不受限制、环境适应性强，所以近年来在堤防渗漏检测中得到广泛应用。

2 “多源融合、天-地-水一体化”堤防渗漏检测系统展望

2.1 一体化检测的创新思路

2.1.1 创新理念与原理

由表4可知，用2种方式对牛肉丁进行嫩化，产品的感官评价变化不明显，但是相对于钙盐嫩化，醋渍嫩化效果好，醋渍嫩化后，牛肉丁的弹性佳，外焦内嫩。因此，嫩化方式确定为醋渍嫩化。

为满足当前对填方渠道渗漏检测无损、精确、高效、连续等技术特性的需求[18]，在分析现有检测方法短板与渠堤渗漏特点的基础上，笔者认为可充分利用已有先进监测技术及大数据应用等技术优势，通过技术集成实现渗漏监测技术创新。

基于人工智能、电磁学及地下水动力学原理，提出“多源融合、天-地-水一体化”的检测理念，应用图像识别分析技术、无人机-水下机器人智能监测技术、互联网+5G 技术和沿程监控系统，开展对大型输水明渠渗漏信息的全方位监测、分析与处理。这种一体化渗漏检测系统，可以为科学、精确、高效地查明渠堤渗漏等安全隐患提供新思路。

2.1.2 基本技术构成与功能设计

依据“多源融合的信息采集分析”理念，提出“天-地-水”一体化填方渠道渗漏检测系统的技术集成，主要分为采集、传输、分析三个子系统。采集子系统的核心技术为：无人机红外成像巡检，水下声纳机器人声纳扫描，热力-水动力耦合溯源；机动地质雷达探测，配合地磁场分析；还有基于5G 移动通信技术的检测数据实时传输子系统和对各类采集数据的多源融合分析子系统。子系统工作示意如图20 所示。

图20 “天-地-水”一体化渠道渗漏检测子系统工作示意

一体化监测工作包括：

（1）“天”--无人机搭载红外成像摄像头，巡检时通过红外成像技术快速发现渗水出露点并报送位置信息，监测人员依据“热力-水动力耦合溯源”技术，现场测量出露点水温与渠道水温差，估算渗水路径长度并确定渗水量。

（2）“地”--配合天、水监测信息，在堤顶采用机动的无线探地雷达，利用精密磁测技术[19]扫描确定渠堤土体中的地磁流体场特征，精准跟踪定位渗漏水流的渗流路径。

（3）“水”--利用水下机器人搭载声纳检测仪，根据无人机巡检信息，进行重点水下监测，结合图像识别方法探寻填方渠道渗漏源头、结构裂隙位置及渗流水动力特性。

（4）传输与分析：“天-地-水”三方检测数据利用5G 移动通信技术实时传输到远程分析中心；通过系统一体化协同、信息综合分析处理，得到堤防土体渗流场实时状况；如发生渗漏现象，判断后及时发送渗漏预警信息，并报送工程维修部门实施截渗处置。

2.2 可行性分析与技术展望

“天-地-水”一体化填方渠道渗漏检测系统的主要特点是高新技术的集成与系统的智能化。目前水下声纳机器人与探地雷达检测填方渠道渗漏技术已较为成熟，工作稳定可靠；5G 移动通信凭借高速率、低延时、大连接的技术优势在国内已广泛应用；采用无人机的红外成像巡检以其快捷、精准、范围广的技术特点已在一些输水渠道的渗漏检测领域大显身手；热力-水动力耦合溯源技术借助地下水数值模拟，通过对热传播的准确模拟，大大提高了对堤防渗漏路径预测的科学性及可靠性。

“天-地-水”一体化体现了多源数据融合、信息集成分析的新理念，利用无人机、无线探地雷达、水下机器人搭载声纳检测仪三者相结合进行渗漏点检测，突破了传统检测渗漏方法的单一性，实现天、地、水空间信息采集的统一性。它可以高效、及时、准确获得渠堤渗漏信息，提高检测效率，有效降低渠堤渗漏破坏风险，是一项极具发展潜力的新技术。

为了解决南水北调中线干渠填方渠段渗漏的预测与防范，笔者与相关部门正在协作开展基于无人机、水下机器人联合巡检技术装备的研发和探地雷达检测技术的完善工作。据悉，国内已有水利科研院所和高校在开展分项技术与装备的研发，开发利用多源数据建立渠堤渗漏耦合研判模型。通过“科研+设计+设备制造+现场应用”的联合攻关模式，发挥管理部门、科研单位和设备制造企业各自优势与协同作战能力。开展试验研究、技术研发、设备制造、系统集成与试点应用，实现输水渠道渗漏检测、预警技术的现代化是完全可能的。