声纳探测技术在水利工程渗漏点检测中的应用

温 旋

(江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225002)

作为水利工程中重要组成部分，水库堤坝在整个水利系统中发挥着重要的作用，其具有泄洪、防洪、灌溉以及城乡供水等功能，能够产生巨大的经济效益和社会效益。近几年，水利行业迅速崛起，在国家政策的扶持、政府的领导下，水利工程数量和质量正在不断提升，截至到2017年，国内已经修建完整并投入使用的水库堤坝共13.26万余座，其中中大型水库堤坝占46.41%，水库容量已经达到6894.36亿m2，水利工程已经达到一个比较高的水平[1]。受到水利工程质量、自然环境、施工条件等因素影响，水库堤坝会存在一定的安全隐患，比如水库堤坝渗漏，这一安全隐患会随着时间的增加而愈演愈烈，当渗漏数量、渗漏量超出一定标准时，会严重影响到水库功能正常发挥，严重情况还会导致水库堤坝上游和下游边坡失稳，造成严重的社会经济损失。为了解决这一问题，保证水库堤坝的稳定性和安全性，需要对水库堤坝渗透点进行定期检测，及时掌握水库堤坝渗漏情况，对渗漏点进行修复。由于国内水库堤坝渗漏点检测研究起步比较晚，相关理论与技术还不够成熟，现有的检测方法在实际应用中经常出现错误检测现象，误检率较高，不能满足水库堤坝渗漏点检测在精度方面的需求，使得水库堤坝运行存在一定的安全隐患。

为了解决上述问题，本文提出基于声纳探测技术的水库堤坝渗漏点检测方法，以期提高监测精度，促进水利工程的使用安全。

1 水库堤坝渗漏点检测方法设计

1.1 水库堤坝声纳探测

根据水库堤坝渗漏点检测需求，本次采用声纳探测技术对水库堤坝渗漏情况进行测量，获取到相关数据信息，具体探测过程如下。

测点布设：测点布设于水库堤坝墙前与后两侧，测线与水库堤坝轴线平行，在近堤坝水面的15～17m处布设测线，每隔4.5～5.5m布设一条，测线上测点间隔距离为5m。探孔钻取：在测点位钻取钻孔，为了保证检测效率，并且结合水库堤坝修建材质，选择型号为OSFAF-5464钻机，将钻机垂直于坝面。钻孔的作用是使声纳探测仪顺利进入到水下进行测量，因此钻孔孔径要大于比声纳探测仪宽度，超出数量不能高于声纳探测仪宽度的一半[2]。钻孔深度需要根据实际情况确定。钻取好钻孔后，将事先准备好的声纳探测仪放入到钻孔内，对声纳探测仪的坐标进行定位，将声纳探测仪的横坐标与水库堤坝的轴线平行，在测量长度内，沿着水库堤坝两端，在岸边埋设好钢筋，每隔5.5m埋设一根钢筋，使用螺栓将钢筋锚固，将其固定好间距为5.5m标记线，从而形成一个5.5m×5.5m的网格，控制线选定在5.5m×5.5m钢筋网格上方。声纳探测仪的纵坐标与水库堤坝面垂直，利用经纬仪作垂线，并将纵坐标的控制线选定在两个相邻堤坝面的接缝上[3]。声纳探测仪的斜坐标与水库的水面垂直，声纳探头在每一个5.5m×5.5m钢筋网格的节点处实施测量，声纳探测仪斜坐标代表的是测点处的水深。声纳探测仪主要由一个声纳探头、两个传感器个一个读卡器组成，其具体结构如图1所示。

图1 声纳探测示意图

坐标定位后声纳探头对四周进行探测，其主要是向四周发射声波，声波经过传播路径传播，在传播过程中会遇到障碍物(水)，遇到障碍物后声波传播速度和方向会发生改变，最终被传感器接收[4]。传感器接收到反射声波信号后，被读卡器读取。按照上述流程对各个测点进行探测，将获取的数据上传到计算机上，用于后续水库堤坝渗漏拟合分析。

1.2 水库堤坝渗漏数据识别

由于受到一些因素影响，水库堤坝声纳探测获取到的数据并非全部为渗漏相关数据，其中还存在大量无效数据、重复数据，为了保证后续水库堤坝渗漏拟合分析精度，采用模糊聚类分析技术对水库堤坝渗漏数据识别。模糊聚类分析技术识别目标数据，是根据距离关联对探测数据进行模糊处理，假设声纳探测周期为T，如果声纳探测到的障碍物为静止状态，那么在探测周期内障碍物的位置不会发生改变，这种情况为水库堤坝不存在渗漏，此时水库堤坝内的水为静止，当水库堤坝存在渗漏，水库堤坝内的水会处于流动状态，那么在探测周期内障碍物的位置会发生变化[5]。考虑到声纳探测仪存在一定的探测误差，因此结合以上两种情况，将水库堤坝内的水活动区域选定在一个圆形区域m内，活动区域的半径为r，该参数决定声纳探测数据的精度。假设在声纳探测周期内，水的流动方向与速度是恒定不变的，并且运动状态不会发生随意变化，但是在不同的探测周期上水的流动方向与速度又是可变的，此时就符合水库堤坝渗漏条件，那么有：

(1)

式中，v(t)—在时刻t水库堤坝内水的流动速度；v(t+1)—在下一时刻水库堤坝内水的流动速度；L(t)—在时刻t水库堤坝内水的流动方向；L(t+1)—在下一时刻水库堤坝内水的流动方向[6]。已知水库堤坝内水的坐标位置，根据公式(1)可以确定在n个探测周期后水的坐标位置。当水库堤坝内没有存在渗漏，堤坝内的水是沿着m周边做运动时，此时水的流动距离最远，将其作为距离阈值，其计算公式为：

(2)

公中，d—距离阈值；x1、y1—第一个探测周期内探测到的水的横坐标与纵坐标；xn、yn—第n个探测周期后水的横坐标与纵坐标[7]。定义模糊相似关系阈值为α，假设声纳探测到的数据与历史探测数据存在一定的相关性，则数据为目标数据，其判断公式为：

α≥dϖg

(3)

式中，ϖ—探测数据集的权重因子；g—加权函数[8]。利用模糊相似矩阵对探测数据分类处理，并对探测数据集的权重因子进行迭代更新，将探测数据带入到公式(3)中，如果关系成立，则渗漏数据识别输出为1，表示该组数据与历史观测数据不相关，水库堤坝内水的流动距离大于距离阈值，在该探测周期内水的流动方向与速度发生了变化，数据集为水库堤坝渗漏数据；如果关系不成立，则渗漏数据识别输出为0，表示该组数据与历史观测数据相关，水库堤坝内水的流动距离小于距离阈值，在该探测周期内水的流动方向与速度没有发生变化，数据集为非水库堤坝渗漏数据。按照上述标准对获取到的声纳探测数据进行分类，识别到目标数据。

1.3 水库堤坝渗漏场拟合分析

利用识别到的水库堤坝渗漏数据，对水库堤坝渗漏场进行拟合分析，确定具体渗漏情况。当声波遇到不同的障碍物，传播路径与传播速度会发生改变，顺流方向声波的传播路径更长，传播速度也会更大，而逆流方向声波的传播路径则会减小，传播速度也会降低。假设声纳探测仪上两个传感器为A与B，声波在两个传感器之间传播，利用声波的传播关系，对测点处水的流动速度进行计算，其计算公式为：

(4)

式中，U—测点处水流体通过两个传感器之间声道上的流动速度；H—声波在两个传感器之间声道上的传播路径长度；B—声波在两个传感器之间声道上的传播路的轴向分量；W—声波从传感器A向传感器B传播时间；Q—声波从传感器B向传感器A传播时间[9]。利用上述公式计算出水库堤坝渗漏速度，再根据声波传播路径长度，计算出水库堤坝渗漏面积，其计算公式为：

(5)

式中，S—水库堤坝渗漏面积；N—水库堤坝渗漏点数量；z—两个传感器之间的间距[10]。利用上述公式计算出水库堤坝渗漏面积，从而实现基于声纳探测技术的水库堤坝渗漏点检测。

2 实验论证分析

实验以某水库堤坝为实验对象，该水库堤坝属于均质土坝，最大坝高为19.62m，最小坝高为16.72m，坝顶高程为176.95m，坝顶宽为5.5m，坝顶轴线长度为132.65m，上游坝坡坡比为1∶2，中游坝坡坡比为1∶3，下游坝坡坡比为1∶2∶3，水库总容量为364.61m3，水库正常蓄水位为156.41m，校核洪水位为176.64m。该水库堤坝年久失修，经常出现渗漏问题，利用此次设计方法与传统方法对该水库堤坝渗漏点进行检测。根据该水库堤坝实际情况，此次选择的声纳探测仪型号为AFGET-4641HC，布置测线16条，测点数量为162个，其中水库堤坝墙前测点82个，水库堤坝墙后测点80个，测量面积为12643m2，测线长度为60m，钻孔孔径大小为45.55mm，钻孔深度为23～28m，具体见表1。

表1 声纳检测孔布设情况

实验中声纳探测仪测量数据量为16.42GB，识别到渗漏数据为5.62GB，通过对渗漏数据分析，检测到该水库堤坝渗漏点数量共1031个，其中集中渗漏点462个，强渗漏点264个，其余为缓渗漏点。将检测结果与水库堤坝渗漏监测情况对比，计算出两种方法误检率，将其作为此次实验唯一指标，具体数据见表2。

表2 两种方法误检率对比

通过对上表中数据分析可以得出以下结论：设计方法在本次实验中误检率平均为0.15%，最高误检率仅为0.36%，最小误检率可以达到0.06%，说明设计方法在应用中水库堤坝渗漏点错误检测次数较少，具有较高的检测精度，检测结果基本与水库堤坝渗漏情况基本一致；而传统方法在本次实验中误检率平均为7.16%，最高误检率为9.14%，最小误检率为5.29%，远远高于设计方法，实验结果证明，在检测精度方面，设计方法优于传统方法，更适用于水库堤坝渗漏点检测。

3 结语

此次将声纳探测技术应用到水库堤坝渗漏点检测中，提出一种新的水库堤坝渗漏点检测思路，并通过实验验证了该思路的可行性，有效提高了水库堤坝渗漏点检测精度，解决了水库堤坝渗漏点误检率高的问题，能够为水库堤坝渗漏修复提供有力的数据依据。