基于红外图像的多物探方法在水利工程中的应用

2022-11-28李涵曼李政勰王青山崔宏艳

人民黄河 2022年11期

李涵曼，李政勰，王青山，崔宏艳

（1.南京水利科学研究院，江苏南京 210029；2.河南省水利移民事务中心，河南郑州 450003；3.南水北调中线信息科技有限公司，北京100089；4.河南省赵口引黄灌区二期工程建设管理局，河南开封 475000）

水利工程对于优化水资源时空配置、解决水资源短缺问题具有非常重要的作用，保障水利工程安全对其发挥功能和取得效益具有十分重要的意义。如何快速发现工程可能存在问题的部位，并对相关隐患部位进行分析，了解工程实际运行状况，仅靠单一的物探方法很难实现。不同的物探方法有其相应的使用环境要求和优缺点，因此在实际工程运用中，针对不同的探测需求，将多种物探方法结合，才能更加全面获取工程的健康信息。

针对输水工程线路长、范围广、隐患探测效率低的问题，笔者引入红外图像对工程隐患进行探测，并进一步使用便携式雷达、超声波和高密度电法等多物探方法对工程隐患的具体信息和隐患的诱因进行了分析。

1 基于红外图像的多物探隐患探测方法

当水利工程存在渗漏隐患时，流固耦合的存在使得渗漏部位与周围岩体存在温度差，因此可以通过对红外图像［1－3］中异常温度区域进行分析，确定隐患区域，实现隐患“面”的发现，进一步使用多物探方法对隐患区域进行探测。单一方法缺陷检测针对性较强，但实际工程中，现场情况多样，安全隐患的成因也多样，因此可选用2种或3种以上物探方法对工程进行探测［4－9］，并将多种方法探测结果进行对比校正，以获得更为精准的隐患信息。

基于红外图像的多物探方法即：通过分析红外图像，快速发现可能存在安全隐患的区域，实现“面”的确定；利用便携式地质雷达快速探测浅层隐患的特点［10］，实现隐患“线”的发现；利用超声深层监测效果好的特点，实现隐患“点”的确定；利用高密度电法对探测区域的电性差异敏感的特点［11］，实现隐患成因的分析。因此，将红外图像分析与多物探方法相结合，可实现“面－线－点－因”的隐患探测（见图1）。

图1 隐患探测方法

2 工程实例

某渠道长24.07 km，渠道断面为梯形，表面衬砌板厚度为10 cm，设计底宽16.5～23.0 m，堤顶宽4 m，设计流量165 m3／s，加大流量190 m3／s，设计水深5 m，加大水深5.4 m，渠底比降1／25 000。该渠道主要由挖方段和半挖半填及少量填方段组成，因此高地下水位可能引起渠道衬砌板脱空、塌陷等险情，为全面了解工程概况，实时掌握工程可能存在的安全隐患，采用基于红外图像的多物探方法对该渠段进行探测。

2.1 红外图像分析

鉴于黑体辐射的存在，任何物体都具有温度，并对外辐射电磁波，红外成像技术利用这一原理，通过光电技术将物体的热辐射信号转化为可供人类视觉分辨的图像，因此红外图像展现的是物体表面不同位置的温度。当工程处于健康状态时，其表面温度应该处于稳定的温度范围内，因此可以通过对工程表面的温度进行探测，发现存在明显异常温度的部位，并进一步分析该部位可能存在的安全隐患。

本文采用日本NEC公司生产的TH9100红外热成像仪对整个目标渠道进行巡检，通过分析存在异常温度区域的红外图像，确认可能出现渗流隐患的渠段，典型渠段红外图像见图2。

图2 典型渠段红外图像

由图2可以发现，红外图像存在2块明显的低温异常区域，与周围温差超过1℃，由于渠道周围并无高大建筑物或者树木形成阴凉区域，因此认为该红外图像对应区域存在异常。由于工程由挖方段和半挖半填及少量填方段组成，因此猜测可能存在高地下水位引起的面板脱空问题，具体的隐患位置和类型还需要进一步分析确定。

2.2 多物探方法探测

为进一步确定隐患的具体位置，以及可能的面板脱空情况，使用多物探的方法对温度异常区域进行探测。选取存在温度异常区域的衬砌面板和其相邻的正常温度的衬砌面板进行探测，其探测线路设置如图3所示，纵向为河流方向，共布设16条探测线路（其中测线1～8为正常衬砌板，测线8～16为存在低温异常区的衬砌板）；横向为从一级马道到渠道中间方向，共布设12条探测线路。

图3 便携式雷达探测线路

便携式雷达设备采用日本JRC的NJJ－95B便携式工程雷达，该仪器探测深度为5～300 mm（钢管直径6 mm以上）；深度分辨率在浅层模式约1 mm，在深层模式约2 mm；水平分辨率（间距）在表面方向为7.5 cm以上。该仪器能够进行手动表面波处理、固定表面波处理、削减处理、峰值处理、原画面回放处理等。该仪器的探测原理是根据发射电磁波的反射波强度变化判断土层不密实区域的位置和埋深，从而发现衬砌板存在脱空的大致位置。隐患区域便携式雷达探测结果见图4，可以看出，在深度10 cm处（面板厚度区域），右侧低温异常区域的衬砌板存在明显的脱空异常。通过分析多条线路探测结果，确定右侧脱空区域在纵向10～12线路、横向8～11线路位置。

图4 便携式雷达探测结果对比

混凝土超声断层检测扫描仪型号为A1040 MIRA，该仪器探测深度为50～2 000 mm，最小反射球体尺寸在M400混凝土中400 mm深度下直径为30 mm，工作温度范围为－10～50℃，工作频率为50 kHz，利用的超声波种类为横波。超声波的探测点位为图3中横向和纵向测线交叉位置，超声探测结果如图5所示，分别从C、D两个不同的切面分析两块衬砌板的脱空现象。从C切面图可以明显看出温度异常的衬砌板存在明显的脱空现象，但是脱空深度未知；从D切面图可以看出在深度10～40 cm处衬砌板存在明显的脱空现象，认为温度异常的衬砌板脱空厚度约为30 cm。

图5 超声探测结果

高密度电法探测采用瑞典ABEM Terrameter LS高密度电法仪，所使用电缆的标记间隔为1 m，仪器工作温度为0°～60°，流体电阻率传感器电压为0.05～1 000.00 mV。高密度电法的测量线路布置如图6所示，共布置了3条测线。1＃测线紧挨一级马道排水沟布置，线路经过强排泵站，横跨泵站的高密度电法测点编号为16、17，两个测点之间的距离为3.5 m，线路经过的强排泵站位置桩号为1040＋34.8—1040＋38.29。2＃测量线路在泵房正后方。1＃、2＃测量线路的间距为4.1 m，2＃、3＃测量线路的间距为3.0 m，每条测量线路长度为40 m。已知两块衬砌板的桩号分别为1040＋19.29—1040＋22.79、1040＋22.79—1040＋26.79，高密度电法线路的测量桩号为1040＋007.29—1040＋047.29。

图6 高密度电法探测线路布置

高密度电法的探测结果如图7所示，图7中B处为1＃测量线路经过的强排泵站位置，A处为两块相邻衬砌板对应的护坡部位，可以明显看出两处电阻率呈现显著差异，因此A处脱空区域很有可能是B处高地下水位引起的，在地下B处和A处存在渗漏通道，导致A处衬砌板脱空。

图7 高密度电法探测结果（单位：Ω·m）

推测A、B两处的电法区别是由其本身填充物的电阻率差异造成的，但埋设时两处填充物应该是一致的，因此该电法探测结果差异可能是土体疏松不密实造成的，在这种情况下，土体之间孔隙大，土体渗透系数比较大，如果有雨水存在，水体则更容易从该处经过，该处也更容易形成渗漏通道。B处存在衬砌板脱空现象除与高地下水位相关外，也可能与雨水等外部水源有关。