水利工程运行安全检测关键技术及其应用

李兆锋 陈江平 陈敏 王峰 王鹏飞

摘要：水利工程在长期运行后会出现明显的病害并存在内部的隐患，所以运行期工程的安全检测至关重要。针对水下和内部等不同部位，介绍了近年来发展形成的地球物理检测新技术新方法，能够快速高效识别不同工程部位的安全状态和存在的病险;同时，实际工程中取得的良好应用效果表明：这些方法能够满足当前水利工程安全检测典型需求，可为水利工程运行安全提供全面、可靠的检测成果和科学支撑。

关键词：安全检测; 地球物理; 水利工程; 运行安全

中图法分类号：TV698.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.013

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0066 - 07

0 引 言

1949年以来，中国兴水利、除水害，大力开发和发展水利水电事业。经历了1950～1957年发展初期、1958～1966年高速发展时期和改革开放后的巩固和技术发展成熟时期[1]，中国至今已建成各类水库9.8万多座，各类河流堤防43万km，规模以上水闸10万多座，基本构筑了较全面的江河防洪、城乡供水、农田灌溉等水利工程体系[2]，成为中国在新时代社会、经济、生活绿色发展和健康发展的重要保障。

在水利工程持续高速建设发展的同时，大量老旧坝体、堤防随着长期运行老化且受各种自然灾害的侵蚀，已出现各种不同的病害、存在影响程度不一的隐患。早期曾发生板桥土坝、石漫滩土坝和沟后水库失事、溃坝的现象，目前全国仍有近2万座小型水库存在病险隐患。虽然近年来通过全国大规模的病险库坝加固除险和江河堤防大建设，国内水利工程安全状况已经有了较大的改善，但潜在的病害和隐患仍严重威胁着水利工程的安全平稳运行。

为保障水利工程安全运行、保证其社会生态功能效益充分发挥，需要对病险水库、水闸、调水工程和堤防险工险段的状况进行隐患排查和安全鉴定，逐步实现工程安全隐患早消除、安全风险早化解[2]。

为应对新时期水利工程规模大、致险因素复杂、病害隐蔽等特点，在安全检测和隐患排查技术方面，除了地球物理传统方法[3]、精细探测技术[4]和时移探测技术[5]外，根据工程表观、水下和内部检测需要，将地球物理探测技术结合无人机、水下机器人及物联网新技术，发展出了无人机载智能化快速巡检技术、水下综合一体化检测技术、磁电阻率法及水下高密度电法等，通过解释工程表观和内部的地球物理特征信息，可快速有效判断工程安全状态和存在的病险，是水利工程安全检测的新技术、新方法，也是运行期大规模、大体积工程快速精细探测与隐患辨识的全新解决方案，可为水利工程安全运行和信息化运行管理提供可靠的技术支撑。

1 无人机载智能化快速巡检技术

无人机技术和摄影测量技术[6]在电网巡检[7]、输电线路巡检[8]、桥梁检测[9]和建筑检测[10]中已经开展了不少研究，并取得较好的综合应用成果。而该无人机载智能化快速巡检技术针对类似南水北调工程距离长、跨度大、巡检体量大但表观常规检测效率低的情况，可实现外观破损病害、表观渗漏点等快速高效识别和一体化智能快速巡检。但该技术的应用必须依靠专业飞手进行现场操控，对飞手的经验要求较高;技术应用时要求天气晴朗、风力较小，才能确保取得较好的巡检效果。

1.1 无人机载智能化快速巡检装备

无人机载智能化快速巡检装备包括机载多功能光电吊舱、地面工作站、无人机等，可实现快速、智能化、一体化多参数数据信息采集与传输，能够满足当前工程检测的要求。

1.1.1 一体多功能光电吊舱

多功能光电吊舱（图1）搭载连续变倍高清可见光攝像机、红外热像机、双目相机和激光测距仪，实现五目集成化;实现基于可见光的破损目标识别、拍摄及图像回传，红外热像仪的渗漏目标识别、拍摄及图像回传，激光测距以及基于双目相机的裂缝尺寸精细化测量。其中，连续变倍高清摄像机在10 m高度可识别20 mm以下宽度的裂缝;双目相机在重点区域实施毫米级裂缝测量;红外相机在10 m高度时测温精度为±2℃;激光测距仪测距精度为±5%。

1.1.2 可见光图像裂缝快速识别方法

针对无人机航拍可见光图像受天气、光照等环境因素的影响导致图像噪声高的问题，该技术采用基于富尺度卷积神经网络的裂缝快速识别方法。在传统的U-net模型的基础上融合了残差和特征矫正的思想，将残差模块（ResNet模块）和Squeeze and Excitation模块（SE模块）集成到U-net模型上，将破损的低层细节特征和高层语义特征融合起来，提高了小尺寸病害的识别精度;同时SE模块可以学习全局信息有选择地强调有用的特征，并通过重新校准抑制背景噪声中不太有用的特征，提升了干扰环境下破损的识别精度[11]。

1.1.3 基于裂缝骨架提取-双目测量-距离修正的裂缝测量技术

在完成堤坝病害智能识别基础上，创新地采用裂缝骨架提取-双目测量-距离修正的双目测量技术，实现堤坝破损病害的智能识别与测量。

采用Zhao-Suen快速细化算法提取裂缝骨架，以裂缝骨架长度表示裂缝长度。Zhao-Suen快速细化算法具有良好的收敛性、连通性特点，同时还能在保持图形基本形状的基础上，使用较少的迭代次数获取图像的中心线，减少运算时间。

再采用Canny算子算法进行裂缝边缘检测，对获取到的裂缝边缘采用开算法进行降噪优化处理，过滤不符合标准的裂缝，得到裂缝骨架边缘曲线。对该类裂缝图采用Sift算法与双目相机获取的图进行匹配，继而采用双目视觉测量原理计算方法，计算出裂缝边缘点的空间三维坐标，最后进行裂缝尺寸的计算。

1.1.4 红外渗漏区域识别方法

由于堤坝渗漏区域一般具有低温特征，红外渗漏区域识别技术基于注意力机制对U-net的编码器部分进行改进，利用来自温度兴趣区的辅助信息对红外图像数据进行融合，使其具有更好的红外图像分割性能，从而更加精准地提取红外图像中的渗漏区域，实现堤坝渗漏区域精确识别。图2为温度兴趣特征图与红外图像。

1.2 工程应用

华北某堤防段全长48.94 km，是某运行期水利工程的深挖渠道段。在日常的巡查中发现，该工程主要病害为干渠两侧道路及衬砌的破损与裂缝。采用无人机载智能化快速巡检技术对该渠道进行全段表观病害巡检，巡检时飞行高度稳定在10 m，飞行速度为20 km/h，飞手乘车随机前行，地面站操作员实时观察病害采集情况。在病害频发段，通过人工巡检记录病害位置与尺寸，然后操作无人机沿该段飞行采集数据，重点病害位置处控制无人机悬停采集。

该巡检技术获得的典型破损裂缝检测结果如图3所示，在双目相机辅助病害参数计算的情况下，机载吊舱测量裂缝宽度分别为5.20 mm和5.21 mm，人工实测值分别为5.47 mm和5.76 mm，测量误差均小于10%。另外，部分渠段存在坝顶道路内部脱空或含水及背坡面雨后积水的现象，在机载红外相机下表现出较明显的低温特征，其中脱空区域和渗漏检测结果如图4中黄色圈定区域所示。

2 水下综合一体化检测技术

水利工程在通水运行多年后，特别是调水型渠道在持续大流量调水情况下，容易引发部分渠段衬砌面板破损、结构开裂、渗漏等问题，从而造成均匀沉降，危及结构安全，为工程带来潜在安全威胁，因此必须定期对水下构筑物进行水下检测和安全评估。该水下综合一体化检测技术将水下机器人技术[12]与地球物理检测技术科学结合，能很好地实现对水下构筑物特定目标的高效精准检测。但在实际应用中，实际动态水域环境越复杂，对水下机器人和检测装置的协同操作有着越高的要求;且该技术更适合对水下构筑物特定部位进行精细检测，其大范围水下检测的工作效率还有待提高。

2.1 水下综合检测装备硬件系统

水下综合检测装备硬件系统（图5）为搭载水下清洗装置、水下双目立体视觉感知系统、数据远距离传输系统和水下构筑物缺陷超声波阵列成像检测系统的水下机器人，能够实现在高速水流下的灵活控制，对构筑物表面的清洗以及在线水下涵隧内壁图像获取、数据传输、图像清晰化、涵隧内壁缺陷的检测与测量及内壁内部损伤的探测等功能，是一种长续航、大动力、智能化的渠道箱涵水下综合检测装备。

2.2 表观成像清晰化技术

针对水下光学图像退化严重和悬浮物干扰的情况，采用一种基于时空信息联合建模的水下图像复原技术。首先，对降质图像进行建模，通过选取不同大小的图像块，构建对比度编码图像，并从中生成两个增强的图像：① 突出了更精细的细节;② 消除了暗度。使用多尺度融合方法实现保留图像细节信息的同时还原图像的亮度信息，提高水下成像质量。然后，构建时-空显著性模型，对各种形态、大小的悬浮物进行有效检测，利用视频帧的冗余特性对水体悬浮物区域进行高保真度修复，进一步提高图像的对比度和清晰度。

2.3 水下构筑物表面缺陷检测技术

针对水下检测环境，深入分析该环境成像特点，以三维投影点汇集在一条曲线而非直线上的水下极线约束条件，采用水下双目立体相机标定与立体匹配方法技术，降低水体中折射带来的影响，提高水下立体匹配准确率;构建出水下构筑物缺陷数据集，并采用Yolov3网络方法进行缺陷数据学习，对复原的清晰水下图像进行分析，检测构筑物表面是否存在缺陷，并采用全卷积神经网络进行像素级精细化分割，利用双目视觉构筑物表面的三维几何形状，实现水下构筑物表面裂缝等缺陷的准确检测与尺寸定量测量。

2.4 水下混凝土构筑物无损探伤技术

针对无接触水下混凝土构筑物损伤检测需要，已形成了一套包括高压脉冲式与任意波形激励式的水下混凝土构筑物超声检测的相关探伤与成像方法，建立了一套性能优异的硬件系统装置，包括高压可调方脉冲激励源、大功率大带宽任意波形激励源、数字控制与数据处理板卡，并研发出了满足水下混凝土衬砌脱空探测需求的换能器阵列;研发了大功率超声激发及采集系统，并针对性地研究探索信号获取及信息处理方法，提出了基于连续超声波的水下混凝土构筑物非接触式裂伤检测成套新方法，实现了非接触式的水下混凝土构筑物超声检测。

2.5 工程应用

为了解某水利工程退水闸水下构筑物在长期运行过程中是否存在安全隐患，采用水下综合一体化检测技术对下水构筑物进行水下作业并开展相关检测工作。

工作期间，水下机器人稳定运行，使用前端搭载的电动滚刷水下清洗装置对指定水下构筑物表面进行清洗，能有效地去除涵隧内壁表面的青苔和附着物。如图6所示，在对水下构筑物表面进行清洗后近悬停拍摄，可清晰拍摄到构筑物表面裂隙，并获取大量水下构筑物图像;再采用水下表面缺陷检测技术，通过算法与软件可准确识别裂缝长度范围并测量其尺寸，检测效果满足工程运行期安全检测需求及SL/T 291.1-2021《水利水电工程勘探规程第1部分：物探》等相关规范或标准要求。

3 水下地層精细探测技术

除了调水工程水下构筑物易出现安全隐患外，水库、河湖等具有蓄水功能的工程在多年运行后会出现泥沙淤积现象，导致水体水量和环境容量降低，影响工程应对突发性洪水等自然灾害的能力，或影响航道的通航能力和行洪道的行洪能力。为快速、全面获取水下地形和淤积层信息，采用水下地层精细探测成套技术，通过电性与弹性类探测方法结合，提取水下地层多物性参数，结合水下钻孔取芯信息，综合多参数数据智能处理与分析，最终获取水下地层信息。但在浅水区域开展探测工作时需要考虑多次波对有效弹性波信号的影响，且该技术一般情况下需要钻探取芯信息以对物探成果进行标定。

3.1 水域高密度电法技术

水下地层精细探测成套技术在使用多波束水下地形测绘技术和水面拖拽式地震反射技术获取地层弹性波信息的同时，还需在超大水深条件下开展水下高密度电法探测，以准确获取地层电性信息，尤其是在淤积层较厚的水域。

水域高密度电法技术是在常规浅水区域采用布设水面漂浮电缆采集数据[13]。为实现在水库等超大水深条件下（水深超60 m）准确获取淤积层、砂层等地层电性信息，研制了高抗拉、高抗压、高稳定的水下高密度电法沉底电缆，实现了超大水深水底高密度电法数据采集，保证原始数据精度高、重复性好，如图7所示;为消除电缆上方水体对反演成果的影响，采用全空间反演技术对数据进行反演处理，结合钻孔地层分层信息，实现水下地层精细探测。

3.2 水下高密度电法在水库中的应用

湖北某水库已蓄水多年且出现了较明显的淤积现象，严重影响了水库的库容和调蓄能力。因此，对该水库开展了水库淤积层与含砂量评估工作，采用水下高密度电法技术，对水底地层进行划分，结合已知钻孔信息，确定了淤积厚度、砂层厚度及分布情况，如图8所示，可见淤泥层比砂砾石层厚度平均大3 m，说明该技术可为水库淤积量与含砂量评估和安全运行提供科学依据。

4 渗漏磁电阻率法探测技术

上述3种新技术可有效辨识工程表观出现的病险和隐患现象，但如何探测堤坝渗漏等工程内部隐患，一直是工程安全运行过程中重点关注的问题之一。以往常规物探方法在探测较为复杂的渗漏问题时效果不理想[14]，通过创新地采用渗漏磁电阻率法探测技术，可高效无损地探测工程渗漏通道，这将成为水利工程渗漏探测的关键技术。该技术主要适用于在坝后有较明显渗漏点的堤段，且对周围电磁干扰有着较高的要求。

4.1 磁电阻率法

磁电阻率法是一种基于滲漏通道中库水导电性的新方法，其基于毕奥-萨伐尔定律，通过测量通电水体中电流产生的磁场大小和方向，反推电流场的分布特征[15]。

实际工作中，使用可调频供电设备在渗漏通道进出水口附近（或坝体堤防的上、下游）供入特定频率电流，形成渗漏通道的电流回路;再在圈定测区内按设计的测线测点，采用高精度磁场张量测量技术，测量各个点的磁场、通过滤波去噪等方法绘制磁场平面等值线特征图，根据该磁场特征通过建模分析获得对应电流分布模型，最终推断出渗漏通道的平面位置和埋深。

磁电阻率法是一种新型的无损、三维、适用性广、高效轻便的渗漏通道探测技术，能较好地适用于水库大坝、堤防等水利工程场景，只需要在区域表面进行数据采集，受场地制约较少，且通过三维成果可视化能够直观快速了解渗漏通道的分布情况。

4.2 磁电阻率法在水库中的应用

江西省某中型水库大坝为土石坝，自1977年建成后已多次出现较重大险情，2010年新建混凝土防渗心墙并进行帷幕灌浆，蓄水后在左坝肩出现2个明显渗漏点。

应用磁电阻率法对坝体测区开展高精度磁场探测，再对数据进行处理与分析，绘制出该坝体附近磁场强度比率值成果图，根据图中高比率值区域等值线分布特征推断左坝肩存在两条优势渗漏通道，如图9所示。后期通过水库放空在上游左坝脚发现3个空洞，结合地质资料中的渗漏通道对应深度处为茅口组灰岩，综合推断该处渗漏通道为岩溶引起，且探测成果准确度较高，能够满足工程施工维护需要。

5 结 语

大量水利工程已转入运行维护阶段，为保证工程安全运行、满足工程安检需求，地球物理关键探测技术已与无人机技术、水下机器人技术、物联网技术等新技术较充分地融合，形成了针对特定工程部位的成套检测体系。

无人机载智能化快速巡检技术能实现外观破损病害、表观渗漏点快速识别和一体化智能快速巡检，大大提高了工程表观巡检效率和隐患病害准确辨识;水下综合一体化检测技术，则能高效稳定实现水下表面缺陷检测和构筑物无损探伤;而水下地层精细探测成套技术和多参数智能综合解译技术可实现测区内淤积层和砂层的精细划分和含量评估，为库区及河湖淤积综合利用提供了科学支撑;磁电阻率法是一种新的高效探测工程内部渗漏通道三维分布的解决方案，能够满足当前工程渗漏处理施工对探测成果的要求。

后续工作中，需根据物探技术发展和检测需要的变化，不断改进完善技术体系，以使物探技术能在水电工程安全运行维护工作中继续发挥技术支撑作用。

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Advanced detecting technology and application for hydraulic engineering

operation safety

LI Zhaofeng1，2，3， CHEN Jiangping1，2，3， CHEN Min1，2，3，WANG Feng1，2，3，WANG Pengfei1，2，3

（1. Changjiang Geophysical Exploration & Testing Co.， Ltd. （Wuhan）， Wuhan 430010， China; 2. National Dam Safety EngineeringResearch Center， Wuhan  430010， China; 3. Health Diagnostics  Innovation Centre for Water Conservancy Project ， CISPDR Corporation， Wuhan 430010， China）

Abstract： Some water conservancy projects will appear many obvious diseases and latent hazards after long-term operation， so the detection of operation safety is essential for hydraulic engineering. Aiming at the exterior， underwater part and interior of the project， the new geophysical detection technologies and methods developed in recent years were expounded， which could efficiently identify the safety state and the latent hazards in different positions. Besides， the good results in practical engineering application showed that： these methods could provide comprehensive and reliable detection results， as well as scientific supports for hydraulic engineering operation safety.

Key words：detecting technology; geophysics; hydraulic engineering; operation safety